在2015年12月的Nature網(wǎng)站上，由U.C. Berkeley等幾個大學的研究人員主導的一個開發(fā)團隊發(fā)表了一篇文章。文章中研究人員用標準的CMOS工藝制造了同時集成了RISC-V指令集的CPU和片上光通信器件的微芯片。這或許標志著不久的未來微電子芯片的接口速率將會大幅的提高，不再受到原先電接口IO的速率限制。不過本篇文章要關(guān)注的，則是在這顆實驗性的芯片上集成的另外一個主角，“RISC-V”（發(fā)音risk-five）。

　　1、CPU指令集（ISA）軟件和硬件之間溝通的橋梁

　　指令集（ISA）通俗地講可以理解為一臺機器（計算機中的CPU）可以執(zhí)行的“指令”集合，通過這些“指令”能夠?qū)崿F(xiàn)諸如加減乘除這樣的運算，以及接收外部輸入（比如鍵盤）和控制外部輸出（如顯示器）這樣的功能。

　　指令集也可以理解為軟件和硬件之間溝通的橋梁，不同的廠家可能會用不同的方法來實現(xiàn)相同的指令集，從而讓遵循相同指令集的軟件可以無需修改即可運行。比如我們熟知的Intel和AMD都實現(xiàn)了x86指令集，這基本上統(tǒng)治了PC的市場。而出現(xiàn)較晚的ARM指令集則基本占領(lǐng)了移動端處理器的大部分市場。

　　2、RISC指令集的發(fā)展歷史1980年Berkeley主導了RISC

　　了解了什么是指令集接下來還是讓我們來聊聊RISC的發(fā)展歷史。早期的微處理器大部分為復雜指令集（CISC）架構(gòu)，即設(shè)計盡可能復雜的指令來完成任務(wù) ，原因之一是當時的編譯技術(shù)并不發(fā)達。而隨著編譯器技術(shù)以及其他技術(shù)的發(fā)展，研究人員漸漸發(fā)現(xiàn)多數(shù)的復雜指令只在很少的時候被用到，而且復雜的指令限制了處理器速度的進一步提高。精簡指令集（RISC）技術(shù)應(yīng)運而生，IBM 801可能是第一個用精簡指令集的理念來設(shè)計的系統(tǒng)，并發(fā)展成為了今天的Power架構(gòu)。1980年左右Berkeley的Dave Patterson主導了Berkeley RISC項目并設(shè)計了其第一代的處理器RISC I，這就是RISC這個名稱的由來。Sun Microsystem（現(xiàn)在的Oracle）的SPARC處理器架構(gòu)也有很多Berkeley RISC影子在里面。差不多同時，斯坦福的教授John Hennessy（現(xiàn)在已經(jīng)是斯坦福校長）和他的團隊也從課程設(shè)計出發(fā)設(shè)計了MIPS處理器的早期雛形，并最終孵化為MIPS Technologies. Inc公司，后來被 Imagination Technologies收購。我們能在很多家用路由器里見到他的影子。而ARM，迄今為止發(fā)展的最好的RISC指令集，已經(jīng)無處不在。

　　時間到了2010年，當Berkeley的Krste Asanovic教授想要為接下來的一系列項目選擇一個微處理器指令集時，他找不到一個合適的。Intel的X86是CISC指令集，過于復雜和龐大，而且存在專利問題。而ARM除了專利問題外，若想自行設(shè)計基于ARM指令集的處理器，需要非常昂貴的License。OpenRISC作為一個開源的指令集架構(gòu)，其許可證為GPL，這意味著所有的指令集改動都必須開源。而且，OpenRISC發(fā)展緩慢，設(shè)計過于老舊，64位架構(gòu)也不成熟。

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　　Krste Asanovic教授 （http://www.eecs.berkeley.edu/~krste/）

　　3、RISC-V指令集的誕生“V”也表示變化（variation）和向量（vectors）

　　這一切都與Berkeley追求“開放“的精神格格不入，要知道從Unix/BSD操作系統(tǒng)到現(xiàn)今在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域流行的Spark框架，他們都是用一個非常寬松的名為BSD License的許可證的發(fā)布的。這個License簡言之就是我發(fā)布的代碼你想怎么用怎么用，不用交錢，改了也不用開源，只要最終致謝作者即可。蘋果的OSX是基于BSD Unix的，而微軟 Windows中也包含修改過的BSD Unix代碼。

　　所以Krste教授決定帶領(lǐng)團隊重新開發(fā)一個完全開放的、標準的、能夠支持各種應(yīng)用的新指令集，他也得到了RISC的發(fā)明者之一，Dave Patterson教授的大力支持。從2010年夏天開始，大約花了四年的時間，這個團隊設(shè)計和開發(fā)了一套完整的新的指令集，同時也包含了移植好的編譯器、工具鏈、仿真器，并經(jīng)過數(shù)次流片驗證。為了能夠加快開發(fā)的效率，以便能夠快速的評估和修改設(shè)計以及提高可復用性，Chisel作為一種新的硬件構(gòu)建語言也被開發(fā)了出來。簡言之，你可以用scala這種函數(shù)式編程語言去設(shè)計硬件，并最終能夠生成傳統(tǒng)的Verilog HDL用于ASIC/FPGA，或者生成C++用于仿真。

　　這個新的指令集叫做RISC-V，“V”包含兩層意思，一是這是Berkeley從RISC I開始設(shè)計的第五代指令集架構(gòu)，二是它代表了變化（variation）和向量（vectors）。

　　4、RISC-V指令集的發(fā)展獲Google、HP、Oracle、WD支持

　　RISC-V包含一個非常小的基礎(chǔ)指令集和一系列可選的擴展指令集。最基礎(chǔ)的指令集只包含40條指令，通過擴展還支持64位和128位的運算以及變長指令，其他以完成的擴展包括了乘除運算、原子操作、浮點運算等，正在開發(fā)中的指令集還包括壓縮指令、位運算、事務(wù)存儲、矢量計算等。 指令集的開發(fā)也遵循開源軟件的開發(fā)方式，即由核心開發(fā)人員和開源社區(qū)共同完成。

　　通過這一系列的指令集擴展，你幾乎可以構(gòu)建適用于任何一個領(lǐng)域的微處理器，比如云計算、存儲、并行計算、虛擬化/容器、MCU、應(yīng)用處理器、DSP處理器等等。從2015年開始，每半年一次Workshop上已經(jīng)能夠看到很多有意義的項目。Berkeley自己開發(fā)了多款開源的處理器，可以覆蓋從高性能計算到嵌入式等應(yīng)用領(lǐng)域，并孵化出了初創(chuàng)公司SiFive并獲得了風投。lowRISC是一個非營利性組織，主導者是風靡世界的開源硬件樹莓派（Raspberry Pi）的創(chuàng)始人之一，lowRISC正在基于RISC-V開發(fā)一款真正的開源處理器芯片，希望以其來代替目前樹莓派上的由博通開發(fā)的非開源處理器。Gary Research在FPGA中放入了400個定制的RISC-V處理器并用片上網(wǎng)絡(luò)（NOC）連接在一起用來實現(xiàn)并行計算，未來有可能會被用到微軟的云計算平臺中，例如給Bing這樣的搜索引擎加速。

　　2016年初的Workshop上，RISC-V基金會成立，成員中包括了Google、惠普、Oracle、西部數(shù)據(jù)等硅谷巨頭，未來這些大公司非常有可能會將RISC-V運用到他們自己的云計算設(shè)施或者智能手機芯片 中，以擺脫對X86的依賴或是減少昂貴的ARM指令集授權(quán)費用。

　　5、RISC-V指令集的優(yōu)勢開放源代碼是不可以逆轉(zhuǎn)的趨勢

　　可以說，RISC-V指令集是一個“活”的、現(xiàn)代的、沒有專利問題和沒有歷史包袱的全新指令集，并且以BSD許可證發(fā)布。任何公司都可以在自己的產(chǎn)品中免費使用，而修改也無需再開源。和成就了ARM的授權(quán)模式相比，RISC-V不僅能讓公司收益，也能夠讓大學和研究機構(gòu)更好地研究新的處理器技術(shù)和架構(gòu)。要知道，一個ARM指令集架構(gòu)的許可證可能要上千萬美元。

　　RISC-V能夠發(fā)展至今筆者認為并非偶然。首先，指令集的開發(fā)需要非常專業(yè)的團隊和數(shù)年的時間，這對于商業(yè)公司來說是很困難的，而一流大學的一流團隊恰恰能滿足這樣的條件。其次，編譯器和FPGA等相關(guān)的技術(shù)在近十年來的蓬勃發(fā)展顯著地降低了新指令集開發(fā)和驗證的難度。再次，指令集通過幾十年的發(fā)展，不論是工業(yè)界還是學術(shù)界都已經(jīng)研究的非常透徹，很多設(shè)計上的技術(shù)選擇已經(jīng)有了現(xiàn)成的答案。最后，OpenRISC作為一個較為成功的開源指令集項目也有很多可以學習的經(jīng)驗，使得專業(yè)團隊+技術(shù)社區(qū)這樣的開發(fā)模式能夠運作的更好。

　　從過去的十幾年我們能夠看到的改變是，開放源代碼作為一個不可以逆轉(zhuǎn)的趨勢，創(chuàng)造了新的商業(yè)模式，提高了效率也降低了成本。我們能夠看到，很多個成功的商業(yè)產(chǎn)品都能夠找到與之相匹敵的開源替代，而幾乎所有的技術(shù)變革中我們都能夠看到開放源代碼的影子。從云計算、大數(shù)據(jù)到近幾年很火的容器技術(shù)，開源已經(jīng)無處不在。再看看硬件領(lǐng)域，像樹莓派和Arduino這樣在“板級層面”的開源硬件已經(jīng)顯著降低了開發(fā)者的門檻并讓越來越多的人參與其中。而在集成電路行業(yè)，摩爾定律的終結(jié)和人們需求的更加多元化也會使FPGA和ASIC在很多領(lǐng)域 在成本曲線上出現(xiàn)交叉點，而這也將極大的推動開源硬件在芯片領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。

　　6、RISC-V指令集的未來物聯(lián)網(wǎng)、移動計算、人工智能

　　當面對一個新的指令集時，一個最常見的顧慮是現(xiàn)有的優(yōu)質(zhì)軟件在新指令集的平臺上的移植問題。Wintel聯(lián)盟在過去十多年來正是靠著“向后兼容”而成功。每一代的Intel X86處理器都兼容過去所有的指令，而每一代的新Windows操作系統(tǒng)都基本上兼容過去版本的軟件。但現(xiàn)在，用戶并不需要過于擔心可移植問題。首先，開源軟件在這十幾年的飛速發(fā)展，已經(jīng)能夠讓我們在很多領(lǐng)域無需過多擔心軟件移植的問題。比如在服務(wù)器領(lǐng)域，大部分軟件完全開源，而應(yīng)用多用腳本語言寫成，可移植性非常好。其次，很多人或許并不知道，ARM也并不是一個完全向后兼容的指令集，為了能讓ARM CPU運行在不同行業(yè)的應(yīng)用中 ，向后兼容帶來的包袱遠大于其優(yōu)勢，這對RISC-V來說也是一樣。最后，總的發(fā)展的趨勢是，不論是物聯(lián)網(wǎng)、移動計算、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)還是人工智能，我們都需要成本更低、靈活性更高和可定制性更強的處理器。而“向后兼容”的重要性會越來越小，并將最終成為過去。

　　最近全球半導體聯(lián)盟（GSA）在一篇報告中大膽的提出這樣的問題：“RISC-V會是開源領(lǐng)域的下一個Linux嗎？”，“半導體行業(yè)是開放源代碼最后一塊沒有攻克的陣地嗎？”。相比十幾年前開源軟件發(fā)展的初期階段，如今開源硬件的發(fā)展和當時是如此相像。筆者相信，隨著RISC-V的成熟和更多的大公司加入，它非常有希望去挑戰(zhàn)Intel x86和ARM對市場的統(tǒng)治，從云計算到物聯(lián)網(wǎng)，成為當今這個互聯(lián)網(wǎng)世界的最基本的和不可或缺的“輪子”之一。

　　關(guān)于作者：

　　郭雄飛，目前在景略半導體任嵌入式系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)理。開源軟件和開源硬件愛好者。