从阿里的无剑与曳影说起 RISC-V会成为“芯”病良药吗？

这两天，中国长江存储等31家企业又被美国拉进“黑名单”，长江存储是闪存芯片（NAND）制造商，这是制造SSD（固态硬盘）的关键半导体芯片，之前闪存芯片制造技术大多集中在美日韩公司（如三星、东芝与Intel）手里，长江存储实现了闪存芯片的国产化，并且制造技术已经接近国际领先水平，并有自己的优势技术。

闪存芯片制造技术被攻克，当然是一件值得庆贺的事情，可能大多数人会想到处理器，同样是半导体领域的关键技术，中国有望打破美日韩垄断吗？这可以从这两个的两则新闻说起。

正文：

在今年8月举办的第二届RISC-V 中国峰会上，阿里旗下的平头哥公司发布无剑600 SoC平台及曳影1520 SoC处理器；在大约20天后，中科院计算所与北京开芯院（北京开源芯片研究院）、阿里、腾讯、中兴通讯、中科创达、奕斯伟、算能等形成了联合研发团队，也基于RISC-V开发第三代香山（昆明湖架构）处理器。

RISC-V处理器会主导未来的数据中心吗？

无剑600是基于玄铁C910（平头哥在2019年发布的芯片设计）SoC开发平台，曳影1520是无剑600平台的第一个原型设计。在x86占主导的今天，如果单纯比性能，曳影1520就像个“婴儿”一样：四核设计，2.5GHz主频，4TOPS@int8 AI 算力……即使利用玄铁C910设计最高16核心SoC处理器，其性能也很难比肩x86。

曳影1520 SoC处理器内部各组件拓扑

同样，香山处理器是由中科院计算所团队设计的另一款RISC-V处理器，代号为“雁栖湖”的第一代香山处理器基于28nm工艺，主频1.3GHz；代号“南湖”的第二代香山处理器已经冻结设计，进入流片环节，采用中芯国际14nm工艺，目标是2GHz。香山处理器设计团队带头人之一包云岗也坦承，尽管香山处理器的目标是性能比肩ARM A76，但目前仍需继续优化。

香山处理器设计和阿里玄铁C910设计目前都在GitHub上开源

香山处理器目前获得超过3000星，在授权方面采用“木兰宽松许可证”——这是中国木兰开源社区的一种许可协议，类似BSD，可二次开发，也可商业使用。

在数据中心内部，x86依然是当之无愧的霸主，但正受到ARM阵营的挑战，尤其是在云数据中心领域，而且是云供应商的主动选择。比如阿里的倚天、AWS的Graviton3，以及NVIDIA的Grace。在C端市场，Apple已经用M1、M2证明了ARM性能并不比x86弱。ARM更强的计算性能，以及长久以来的高能效特点，被“寸土寸金”的云巨头们青睐也是理所当然。

ARM对数据中心市场势在必得，虽然上图有“吹水”的嫌疑，但并不影响结果

相比于x86和ARM，RISC-V还处于“萌芽”阶段，甚至连指令集都还不够完善，比如平头哥在发布玄铁C910芯片设计时，平头哥添加的指令集甚至比RISC-V的指令集还要多，所以玄铁C910称之为“兼容RISC-V”。但不管是x86还是ARM，在芯片设计方面都是严格保密的，而RISC-V仅凭完全开放这一特点就能深得众云之心，也有望成为“中国芯”。

RISC-V的前世今生：为何那么大魔力？

RISC-V，读作RISC-Five，指的是加州大学伯克利分校自1981年以来开发的第五代RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机，简称RISC）指令集（Instruction set architecture，指令集架构，简称ISA），一种基于RISC的开源指令集，遵循BSD许可，这应该是最宽松的许可协议了。

所谓指令集，就是设计处理器的规则，比如“红灯停，绿灯行”是规则，十字路口的红绿灯就是遵循这一规则的工程实现，这个红绿灯是否能够兼顾东西南北四个方向的车流量和行人通行方便，那就很考验设计者的能力了。CPU就是指令集的工程实现，性能优劣凭各家本事。

RISC精简指令集是相对于CISC复杂指令集而言的，CISC典型代表就是x86指令集，当然，经过四十年左右的发展，x86早已不是绝对的CISC，而介于CISC与RISC之间。

RISC-V是基于RISC指令集的第五代，包括前面四代RISC指令集都与一个人分不开——David Andrew Patterson（大卫·安德鲁·帕特森），加州大学伯克利分校计算机科学教授，他创造了“RISC”这个术语，并一直领导伯克利RISC项目，现在也是RISC-V基金会的副主席。

RISC-V董事会官员及成员（部分），红框中即为Patterson教授

Patterson是Google杰出工程师，也是一位拿奖拿到手软的大神，包括图灵奖在内，他目前获得超过35个奖项的认可。同时注意第三个董事会成员——来自Intel，虽然是Intel代工业务……果然是“十个联盟，九个都有Intel”。

RISC第一代指令集是1981年发布的RISC-I，基于RISC-I指令集处理器在性能上领先了当时基于CISC指令集处理器，哪怕主频更高。由此RISC-I开启了一个新的时代，在2015年，IEEE 还在加州大学伯克利分校安装了一块牌匾，以纪念 RISC-I 的贡献。

这就是IEEE纪念RISC-I贡献的牌匾，RISC是计算机史上的里程碑

牌匾文字的大意是：“加州大学伯克利分校的学生于 1981 年设计并制造了第一台 VLSI 精简指令集计算机。RISC-I 的简化指令减少了指令解码和控制的硬件，为实现32 位地址空间、大量寄存器和流水线执行铺平了道路。RISC-I 与 C 语音和 Unix 操作系统完美匹配，影响了当今广泛使用的指令集，包括用于游戏机、智能手机和平板电脑的指令集。” 因为ARM也使用的是RISC指令集。

Patterson在发布RISC-I之后不就，又发布了RISC-II，即第二代RISC指令集，当时的Sun基于RISC-II，于1987年制造出首款RISC指令集的商用处理器SPARC，直到今天，Oracle（收购Sun之后）明星产品（如ExaData）中依旧在使用SPARC处理器。有意思的是，Sun基于RISC的工程实现SPARC处理器也获得IEEE送出的牌匾，同样是计算机史上的里程碑事件。

RISC-V对“中国芯”的意义何在？

Patterson教授领导的RISC-V项目旨在为高性能处理器提供更契合的指令集，而有能力又有意愿去做这件事的只有中美两国，长久被“芯片”卡脖子的我们更有动力去做这一件事。

RISC-V基金会成立于2010年左右，看起来好像很“弱小”，但也意味着全新设计，我们有机会参与其中，并从中学习并获得设计、制造芯片的关键技术。事实上，很多中国公司都看到这一机会，并积极参与其中，比如RISC-V董事会成员中就有不少中国公司：

RISC-V董事会成员中除了华为和阿里（红框中的二位），还有北京开芯院，广州赛昉以及海河实验室等中国公司

市场上处理器不少，比如x86与ARM，但这二者我们都很难获得关键的核心设计，尽管付费可购买ARM的芯片设计，但ARM并不会告诉你为何要这样设计。而参与RISC-V，我们可以很好地补齐这一块短板，何况还是RISC指令集的开山鼻祖亲自教授。

并且，尽管市场上处理器不少，但能被我们掌握的处理器几乎没有，过去几年华为的遭遇，相信每个大量使用处理器的公司都身同感受。而RISC-V从一开始就开源，这可谓是“正中下怀”，RISC-V基金会为了减少其他非技术因素的阻挠，目前已经迁到永久中立国瑞士。同时，在开源许可证方面采用可以说是最为宽松的BSD许可证。

Tips：BSD许可证与木兰宽松许可证

BSD与GPL是互联网最常见的两大开源许可协议。GPL有一个很著名的开源许可协议——Copyleft，相对于受到严格保护的Copyright（著作权），Copyleft崇尚彻底的“自由”，但这种“自由”并不真的自由：只要代码中含有Copyleft代码，就必须开源出来（要么就完全不用，二选一）。有种酒桌上“我先干，你随意”的感觉，被敬酒的人能随意吗？而BSD许可协议就是真的“你随意”，用了包含BSD许可协议的代码，后续可以选择开源，也可以选择商业化（闭源）。在这一点上，与木兰开源社区的木兰宽松许可证很相似。

所以RISC-V目前尽管很“弱小”，但确实是我们的最佳选择。

RISC-V可堪重任？

RISC-V现在当然还很弱小，甚至可能与十年前的ARM都无法相比，毕竟连指令集都还不甚完善。但技术的进步总是要靠时间去积累的，生态的建设亦非一朝之功。尽管早在十年前ARM就宣称要进军数据中心，但直到现在，云巨头们的采用才算是大踏步前进。

回顾过去三十多年的服务器/处理器发展历史，在90年代，以Sun SPARC、IBM POWER以及HP（现HPE）的安腾占据数据中心/服务器市场主导，这些产品从最底层的硬件组件，到整机，再到软硬件系统，甚至之上的应用，都是“独家”的，运维人员甚至还需要认证。商业模式也是软硬件皆需授权，即使买了整机硬件，仍需额外购买授权才能使用硬件，这在当下，几乎是不可思议的。

2000之后，互联网的高速发展，以Google为代表的互联网公司率先采用x86处理器，Intel与AMD一改以POWER为代表的处理器/整机系统销售商业模式，只销售处理器，不再限制授权，且对外围组件提供统一、开放与标准化的接口，与组件厂商形成了一个完整的生态系统。2015年前后，Intel以“开放标准化”的生态系统把Power为代表的RISC处理器扫进了历史尘埃。

2010年之后的ARM则更加开放，只销售芯片/处理器设计图纸，连硬件都不再生产，而是进一步开放给生态合作伙伴，用户甚至能够通过授权来对芯片/处理器进行修改，比如华为鲲鹏、平头哥的倚天、NVIDIA的Grace以及AWS的Graciton3。最近二十多年，互联网巨头们在新技术方面的应用经验总是能很好地传递到传统数据中心市场，互联网巨头们的率先使用一方面能够反馈不足以进一步优化改良，另一方面也给其他行业数据中心提供了极好的示范作用。

而RISC-V是一个更加开放的组织，只提供基于BSD开源许可的指令集，连芯片设计都开放给需要的企业，企业可以根据所在行业、应用以及自身的需求进行灵活设计，比如香山处理器与阿里玄铁完全可应用于更广阔的的物联网/5G市场。

同时，RISC-V董事会成员，不仅有科研学院，还有芯片设计企业、半导体制造企业，以及最重要的互联网云计算巨头，比如阿里、华为，董事会及其他成员自身就构建了一个从研究到设计，再到生产、使用的整个闭环。

RISC-V完全有潜力成为另一个ARM，现在也许言之过早，十年后再见分晓？

RISC-V，加油！

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