本文来自微信公众号:果壳硬科技(ID:guokr233),作者:付斌,题图来自:视觉中国


如果回顾过去几个月的新闻,会让人有种“2022年手机行业要变天”的感觉。


事情要先从RISC-V讲起。


2021年11月,RISC-V开发板制造商Sipeed展示了运行Android 10操作系统的原型机RV64,并向媒体表示64位的RISC-V手机将于2022年到来[1];而随着RISC-V芯片设计公司SiFive2022年3月获得1.75亿美元新融资[2],则让人对使用非Arm手机又多了几分念想。


那么,2022年会是“RISC-V手机的元年”吗?新手机值得期待吗?


如今,世界正被Arm和x86两大指令集统治:笔记本电脑、台式机和服务器则基本均为x86架构;我们口袋中大多数智能手机,基本都是Arm架构芯片[3]。自2005年以来,每年超过一亿的手机销售中,近乎98%使用了Arm处理器芯片[4]


而RISC-V(发音为“risk-five”)是继二者之后,又一个有望成长为参天大树的新秀。


随着各种RISC-V芯片组开始接近稳定支持Linux,一些人开始想把它放进手机。那么RISC-V能撼动Arm的地位吗?


一、火热的RISC-V正走向手机


x86、Arm、RISC-V都是指令集(又称ISA、架构[5],指令集是对软硬件的一套标准规范,不具备实体,利用这套规范可以设计对应的处理器芯片和软件系统。


打个比方来说,软件是螺母,硬件是螺钉,指令集就是螺母螺钉的尺寸规范[6]


指令集的作用,图源:北京开源芯片源码创新中心
指令集的作用,图源:北京开源芯片源码创新中心


指令集分为精简指令集计算(RISC)和复杂指令集计算(CISC),x86、Arm、RISC-V分属于不同种类指令集,不同指令集间均互为竞争对手。


两类指令集的特点,制表:果壳硬科技,参考资料:公开资料
两类指令集的特点,制表:果壳硬科技,参考资料:公开资料


RISC-V是后起之秀,制表:果壳硬科技,参考资料:公开资料
RISC-V是后起之秀,制表:果壳硬科技,参考资料:公开资料


RISC-V作为后生日渐被重视,其简单、开源、易移植、模块化、经济性、稳定性的特性广受业界青睐[7]。让RISC-V脱颖而出的是其开源性,任何公司或个人均可以根据其架构进行处理器设计[8],这样不仅降低了设计门槛,设计资源也可以重复利用,大大减少软件成本。


RISC-V是由加州大学伯克利分校在2010年首次发布[9],2015年非盈利性组织RISC-V基金会(RISC-V Foundation)成立,2019年11月RISC-V基金会因担忧美国愈加严厉的贸易限制考虑播迁瑞士[10],2020年3月正式迁往永久中立国瑞士,以图摆脱复杂的国际形势,保证永久开源[11]


目前RISC-V已经成为产业链不可或缺的一环,成功的标志是已有最新工艺SoC量产、有里程碑式的软件支持、支持杀手级应用和核心市场25%的份额。[12]


国内一直较为重视RISC-V竞争,RISC-V理事会中80%的最高级别会员都为中国企业[13],超过70%的RISC-V主要成员来自中国[14],多家国产企业已推出RISC-V芯片IP,一些企业也将RISC-V放进自家MCU(单片机)或形成副产线,这是极其罕见的光景。


赛道火热,甚至连x86的主导者英特尔今年2月也选择加入RISC-V基金会并不断布局[15]。并且,RISC-V也一度成为印度、越南、以色列等国家数字芯片自主可控的希望[16]。SemicoResearch数据显示,预计至2027年包含RISC-V技术的芯片数量将以每年73.6%的速度增长,届时收入将高达2910亿美元。[17]


RISC-V产品涉及AI SoC、MCU、应用处理器,应用方向以物联网(IoT)为主。随着RISC-V玩家扩大,行业正想着怎么把它做进手机,与Arm一拼高下。


RISC-V在行业中的历史,图源:RISC-V官方网站<br label=图片备注 class=text-img-note>
RISC-V在行业中的历史,图源:RISC-V官方网站


二、对RISC-V手机的期待需冷静


为什么市场那么渴望用RISC-V取代Arm在手机的地位?


这是因为x86在手机上败退[18],其它一些指令集包括MIPS在手机领域也几乎毫无收入[19],支配着市场的Arm又需要授权和支付许可费[20]。Arm好用,但授权费太贵,这让业界又爱又恨,谷歌、高通、三星等80多家科技公司甚至开始合作开发RISC-V开源芯片设计。[21]


专家也指出,RISC-V真正的价值在于它提供了与Arm竞争的可能[22],同时Arm架构是不能随意修改的,自我优化修改的RISC-V可让芯片更具竞争力。[23]


虽然RISC-V手机被业界看好,但背后诸多问题,也会让它前进异常困难,甚至在近期内想一举取代Arm基本无望。


1. 软硬件基底不好打


虽然在RISC-V平台已经能够流畅运行Android 10,但要满足用户的日常、游戏和各种交互,需要让硬件和软件更好地配合。


软件方面,架构层级的优化并没那么容易,这需要在指令层实现本地方法库、音频库、加解密库等性能优化,除此之外还需要提供安卓多样开发语言的要求[24]。另外,Android软件开发中Java是至关重要一环,但OpenJDK的upstream中,并不支持RISC-V。[25]


硬件方面,需高性能处理器支持,而目前RISC-V CPU IP性能大多处于对标Arm的Cortex M系列、Cortex R系列及入门级的Cortex A系列产品的范围内[26],目前市场上最快的可授权RISC-V处理器 IP 核性能也在追赶Arm的Cortex-A77,这已是Arm的上一代产品。从芯片PPA角度来看RISC-V也没有明显的优势。[27]


2. 绕不过去的生态问题


就算把软硬件都适配好,一款手机想要正常使用,需要拥有各种实时更新的软件。


CPU在执行任务时,需要将代码按照定义个规则运行程序,但RISC-V定义的规则和Arm完全不同,发展到现在诸多APP都是基于Arm编写的。


这种情况下,一种方法是重新开发App,但如果没能向业界证明RISC-V的硬实力,没有应用开发商会花费人力财力做这事;另一种方法是进行二进制翻译(即把一种处理器上的二进制程序翻译到另外一种处理器上执行,实现多平台处理器都能使用),例如苹果的Rosetta2、Godson二进制翻译系统、Android的exagear,但需要投入成本很高。[28]


3. 成也开源,败也开源


当开源被视为RISC-V最大优势时,背后的隐患也不得不引起重视。雷峰网指出,想要高性能的RISC-V 处理器,必须依靠大公司来推动,问题在于,既然无法独享 RISC-V,又会有谁愿意不计成本地为RISC-V产业贡献力量。[29]


一些业界人士向果壳硬科技团队透露,RISC-V现阶段规模化订单极少,很多公司都在观望RISC-V的机会,但现阶段除非特定客户有特定定制化需求,不会主动进入这一领域。


另外,开源环境总是存在着碎片化的风险[30],而这种情况很像十年前的Arm[31],RISC-V基金会也意识到这种问题,开始采取行动避免像MIPS和Android一样碎片化。[32]


更为值得注意的问题是,开源了,也没完全开源


此话怎讲?RISC-V指令集本身的确是能被任何学术机构和商业组织使用的,但业界进入该领域后,会诞生大量加入自家特色的IP(知识产权核)、SoC设计、工具链、基础软件和应用研发[26],比如SiFive就是一家提供RISC-V指令集架构处理器核心IP供应商,想要使用其IP仍需支付授权费。[33]


RISC-V也存在需要授权的阶段,图源:北京开源芯片源码创新中心
RISC-V也存在需要授权的阶段,图源:北京开源芯片源码创新中心


4. 设计缺陷会逐渐显露


任何与软硬件相关的东西都是要经过冗长迭代过程的,在尝试新领域后,逐渐暴露的缺陷也是一个耗时的问题。


此前,普林斯顿大学研究者在RISC-V的开源处理器核中发现多处严重的缺陷,如果不加以不修正,运行在 RISC-V上的软件可能会遇到问题。当时,RISC-V基金会表示多数RISC-V版本不受错误影响,但高性能系统会受到很大影响[34]。另外,RISC-V也曾出现一些诸如寻址模式错误等初级的错误。[35]


5. 不得不面对的产能问题


现如今,芯片缺乏涨价成了常态,而RISC-V手机芯片也绕不开制造难题。芯片厂商需要将设计好的产品交由代工厂进行生产,手机芯片一般又都是最为先进的制程,最差也已很少见14nm以下了。


而手机市场竞争严重,抢产能早已是常态。今年初便有消息称台积电晶圆代工产能紧张,苹果涨价包下台积电12万~15万片的4nm产能。[36]


没有优异的性能表现,何谈市场?但本就芯片缺乏的情况下,又该如何抢占产能?


三、革命尚未成功,行业仍需努力


虽然RISC-V进入手机似乎太早了,但顶级芯片设计师Jim Keller也曾提倡不要争论指令集,因为近乎80%的核心执行是由加载(load)、存储(store)、加(add)、减(subtract)、比较(compare)和分支(branch)6条指令涵盖组成。[37]


眼看苹果也开始入局RISC-V[38],为了摆脱Arm的支配,业界都在努力尝试。冷眼看如今发展行径,十多岁的RISC-V已来到平台期,这一指令集仍然缺乏一些标志性事件来展现其能力上限。[39]


那么国产RISC-V手机还差几公里?纵观目前使用RISC-V的产品还是以物联网为主,市场对RISC-V的接受程度仍然较低,且没有突破性的商业化案例,大多数只是Arm的替代品[40],虽然有阿里巴巴这种成功移植的案例,但在生态链不成熟情况下仅可能先出货低端手机,而杀价占领市场,并非长久之计。


对RISC-V手机的期待是值得的,但也不能给它太大压力,它要走的路还很长。但业界对RISC-V是积极的,待它被业界更加认可,手机也便会瓜熟蒂落。


参考资料:

[1] Tux Phones:The world's first RISC-V phone might be just around the corner.2021.11.24.https://tuxphones.com/sipeed-rv64-first-risc-v-rv64-phone-linux-2022-2023/

[2] Protocol:SiFive raises $175 million in bid to unseat Arm with RISC-V.2022.3.16.https://www.protocol.com/enterprise/sifive-raises-175-million-riscv

[3] IEEE Spectrum:RISC-V Star Rises Among Chip Developers Worldwide.2021.4.7.https://spectrum.ieee.org/riscv-rises-among-chip-developers-worldwide

[4] CNET:ARMed for the living room.2006.4.3.https://www.cnet.com/tech/tech-industry/armed-for-the-living-room/

[5] AI电堂:Arm 与RISC-V.2021.7.27.https://mp.weixin.qq.com/s/NEGDJU-Z0l0NOTl31cIDsA

[6] 北京开源芯片源码创新中心:关于RISC-V和开源处理器的一些解读.2020.3.10.https://mp.weixin.qq.com/s/QUvugqHn4A7PRFK8Q2DrQA

[7] 陈彦秦,陈麒安,赵振华.基于RISC-V微控制器与FreeRTOS红外耳温量测系统[J].中国集成电路,2020,29(Z3):55-62.

[8] 叶锡聪,庄灿锋,王宇木.RISC-V向量指令集的Compute Library函数库移植[J].单片机与嵌入式系统应用,2021,21(1):8-13

[9] Waterman A,Lee Y,Patterson DA.The RISC-V Instruction Set Manual, Volume l:Base User-Level lSA.Vol.1.2011.

[10] Reuters:U.S.-based chip-tech group moving to Switzerland over trade curb fears.2019.11.26.https://www.reuters.com/article/us-usa-china-semiconductors-insight-idUSKBN1XZ16L

[11] RISC-V:History of RISC-V.2021.https://riscv.org/about/history

[12] 半导体投资联盟:RISC-V不愿只做配角.2022.2.27.https://mp.weixin.qq.com/s/88_Fe28R_vKiC5vKlfarSg

[13] 歪睿老哥:RISC-V理事会,80%的最高级别会员被中国企业申请了?.2021.6.7.https://mp.weixin.qq.com/s/OM3nQj91PgbUhXyVW2IgEQ

[14] 芯师爷:RISC-V架构国产芯片再迎超强玩家.2021.12.17.https://mp.weixin.qq.com/s/32xNfMoQAcmarO2k0g9U1g

[15] RISC-V:Intel Corporation Makes Deep Investment in RISC-V Community to Accelerate Innovation in Open Computing.2022.2.7.https://riscv.org/blog/2022/02/intel-corporation-makes-deep-investment-in-risc-v-community-to-accelerate-innovation-in-open-computing/

[16] 电子发烧友网:亚洲视野下的RISC-V.2022.3.28.https://mp.weixin.qq.com/s/4o-uXRgBym8vcvm2PAlP8w

[17] SemicoResearch:Analyzing the RISC-V CPU Market for SIP, SoCs, AI and Design Starts.2022.2.https://semico.com/content/analyzing-risc-v-cpu-market-sip-socs-ai-and-design-starts

[18] 爱范儿:x86 手机之死.2016.5.19.https://www.ifanr.com/652639

[19] 半导体行业观察:RISC-V走进手机?.2021.3.4.https://mp.weixin.qq.com/s/aa8MNZ6HsK9cikzqjn7kpA

[20] 陈徐毅.ARM收购案的终止与RISC-V的机遇[J].中关村,2022,(03):60-61.

[21] 新智元:图灵奖得主牵头推动芯片开源,清华伯克利成立RISC-V国际实验室.2019.6.15.https://mp.weixin.qq.com/s/7K2cuPSYzm68vJKpHYpnkA

[22] Semiengineering:Why RISC-V Is Succeeding.2022.2.24.https://semiengineering.com/why-risc-v-is-succeeding/

[23] 谭伦.中国押注RISC-V:能否打破X86与ARM垄断格局?[N].中国经营报,2021-07-05(C01))

[24] 芯基建:直戳Arm长处!首个RISC-V版安卓10系统顺畅运行.2021.1.22.https://mp.weixin.qq.com/s/rFyRJBqiLCtrfwpjSqT8tA

[25] 电子发烧友:安卓上RISC-V,移植成最大阻碍.2021.10.14.https://mp.weixin.qq.com/s/vKZaROrrlXhjI_fBDb4G0A

[26] 姬晓婷.RISC-V的进击与纠结[N].中国电子报,2022-01-18(001)

[27] 芯基建:2021年RISC-V会有什么大变化?.2021.1.28.https://mp.weixin.qq.com/s/s04Jbveji2-23V_0cjghtg

[28] iNews:Will mobile phones equipped with RISC-V chips come out next year?Software ecology or the biggest weakness.https://inf.news/en/tech/a0f170f307f9c699edce5fd7b49576c1.html

[29] 雷峰网:9大芯片巨头的RISC-V阴谋:大哥卡对手脖子,二哥要另立门户.2022.1.27.https://mp.weixin.qq.com/s/9j6mtH7RBevJiyB9wrQeCA

[30] 中国电子报:复合增长率将达146%,RISC-V未来可期?.2019.12.17.https://mp.weixin.qq.com/s/D7QF5ZT5RvQygpsZC9zaKA

[31] EETimes China:从产业与教育生态,谈RISC-V的发展现状与未来.2021.6.29.https://www.eet-china.com/news/202106290916.html

[32] The Register:RISC-V takes steps to minimize fragmentation.2022.4.1.https://www.theregister.com/2022/04/01/riscv_fragmentation/

[33] 芯智讯:开源架构RISC-V到底会不会有“被禁”风险?.2019.6.1.https://mp.weixin.qq.com/s/AnA6sInXHIAJ63nkoC93Jw

[34] Mark Patrick,禾沐.RISC-V为什么会成为热点?[J].单片机与嵌入式系统应用,2020,20(11):15-16+20.

[35] The Sparks Space:RISC-V isn’t as interesting as you think.2021.2.1.https://sporks.space/2021/02/01/risc-v-isnt-as-interesting-as-you-think/

[36] 芯东西:苹果A16芯片安排上了!包圆台积电4nm产能,下半年量产.2022.1.17.https://mp.weixin.qq.com/s/zke8CbzCgRYnWghAmuDWqA

[37] AnandTech:An AnandTech Interview with Jim Keller: 'The Laziest Person at Tesla'.2021.7.17.https://www.anandtech.com/show/16762/an-anandtech-interview-with-jim-keller-laziest-person-at-tesla

[38] Tom's Hardware:Apple Exploring RISC-V, Hiring RISC-V 'High Performance' Programmers.2021.9.3.https://www.tomshardware.com/news/apple-looking-for-risc-v-programmers

[39] 李佳师.RISC-V:有望改变未来芯片格局[N].中国电子报,2021-07-27(001)

[40] 36氪Pro:36氪年度行业研究 | 完全开源、无专利掣肘,「RISC-V」会是芯片自主的关键解吗?.2021.1.5.https://mp.weixin.qq.com/s/KtObnfSTABGC8Db3W9TWTQ


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