英特尔和 ARM 的开放替代方案：什么是 RISC-V？

如果你想构建一台开源计算机，你可以——如果你在谈论软件的话。 然而，引擎盖下的处理器是专有的。 RISC-V 是一种开源处理器设计，它正在迅速获得关注并有望改变计算领域。

英特尔和 ARM 设计的替代方案

目前，两种处理器设计占主导地位：由 ARM 和 Intel 的 x86 创建的处理器设计。 尽管两家公司的运营规模都很大，但它们的商业模式却有着根本的不同。

英特尔设计和制造自己的芯片，而 ARM 将其设计授权给第三方设计者，如高通和三星，然后他们添加自己的增强功能。 虽然三星拥有内部制造其处理器的基础设施，但高通（和其他“无晶圆厂”设计师）将这项重要工作外包给第三方。

就 ARM 而言，这通常还要求许可方签署保密协议，旨在保护芯片设计的某些方面的私密性。 这并不奇怪，因为它的整个商业模式不是围绕制造而是围绕知识产权塑造的。

同时，英特尔拥有自己的商业设计秘密。 由于这两种处理器类型都是商用的，因此学者和开源黑客很难（如果不是完全不可能的话）影响设计。

RISC-V 有何不同

RISC-V 完全不同。 首先，它不是一家公司。 它最初是由加州大学伯克利分校的学者于 2010 年构思的，作为现有现有技术的开源、免版税替代方案。

这类似于安装 Linux 而不是 Windows，因此您无需购买任何东西或同意任何繁重的许可协议。 RISV-V 旨在为半导体研究和设计做同样的事情。

ARM 还授权指令集体系结构 (ISA) 和微体系结构，它指的是处理器本身可以理解的命令，以及微体系结构，它显示了它是如何实现的。

RISC-V 仅提供 ISA，允许研究人员和制造商定义他们实际想要如何使用它。 这使其适用于各种设备，从用于嵌入式系统的低功耗 16 位芯片到用于超级计算机的 128 位处理器。

顾名思义，RISC-V 使用精简指令集计算机 (RISC) 原理，与基于 ARM、MIPS、SPARC 和 Power 设计的芯片相同。

这是什么意思？ 嗯，在任何计算机处理器的核心，都有一些叫做指令的东西。 用最基本的术语来说，这些是用硬件表示的小程序，告诉处理器该做什么。

基于 RISC 的芯片通常比使用复杂指令集计算机 (CISC) 设计的芯片具有更少的指令，例如英特尔提供的那些。 此外，指令本身在硬件中实现起来要简单得多。

更简单的指令意味着芯片制造商的芯片设计效率更高。 权衡是这些相对复杂的任务不是由处理器执行的。 相反，它们被软件分解成多个更小的指令。

因此，RISC 赢得了将重要的东西委托给编译器的绰号。 虽然这听起来像是一件坏事，但事实并非如此。 但是，要理解它，您首先必须了解计算机处理器实际上是什么。

手机或计算机中的处理器由数十亿个称为晶体管的微小组件组成。 对于基于 CISC 的芯片，这些晶体管中的许多代表了可用的各种指令。

由于 RISC 芯片具有更少、更简单的指令，因此您不需要很多晶体管。 这意味着你有更多的空间去做很多有趣的事情。 例如，您可以包含更多的缓存和内存寄存器，或者用于 AI 和图形处理的额外功能。

您还可以通过使用更少的整体晶体管来使芯片在物理上更小。 这就是为什么 MIPS 和 ARM 的基于 RISC 的芯片经常出现在物联网 (IoT) 设备中的原因。

极品飞车

当然，许可并不是 RISC-V 的唯一理由。 领导 RISC 处理器设计的第一个研究项目的 David Patterson 表示，RISC-V 旨在解决可能从制造改进中获得的 CPU 性能即将受到的限制。

您可以在芯片上安装的晶体管越多，处理器最终就会变得越强大。 因此，台积电和三星等芯片制造商（均代表第三方制造处理器）正在努力进一步缩小晶体管的尺寸。

第一个商用微处理器 Intel 4004 只有 2,250 个晶体管，每个晶体管的尺寸为 10,000 纳米（约 0.01 毫米）。 肯定很小，但与 40 年后发布的 Apple A14 仿生处理器形成鲜明对比。 该芯片（为新款 iPad Air 提供动力）拥有 118 亿个晶体管，每个晶体管的直径为 5 纳米。

1965 年，英特尔的联合创始人戈登·E·摩尔 (Gordon E. Moore) 推测，可以放置在芯片上的晶体管数量每两年就会翻一番。

“最低组件成本的复杂性以每年大约两倍的速度增加，”摩尔在电子杂志 35 周年纪念版上写道。 “当然，在短期内，如果不增加的话，这个比率可以预期会持续下去。 从长远来看，增长率有点不确定，尽管没有理由相信它至少在 10 年内不会保持几乎不变。”

摩尔定律预计将在这十年停止适用。 对于芯片制造商能否长期保持这种小型化趋势也存在相当大的疑问。 这既适用于基础科学层面，也适用于经济层面。

毕竟，较小的晶体管制造起来更加复杂和昂贵。 例如，台积电在其工厂上花费了超过 170 亿美元来制造 5 纳米芯片。 鉴于这堵砖墙，Risk-V 旨在通过寻找除缩小晶体管尺寸和数量之外的其他方法来解决性能问题。

公司已经在使用 RISC-V

RISC-V 项目于 2010 年启动，2011 年制造出第一款采用 ISA 的芯片。三年后，该项目上市，商业利益很快接踵而至。 英伟达、阿里巴巴和西部数据等公司已经在使用该技术。

具有讽刺意味的是，RISC-V 本身并没有什么开创性的。 基金会在其网页上指出：“RISC-V ISA 基于至少可以追溯到 40 年前的计算机架构理念。”

然而，可以说具有开创性的是商业模式——或者说缺乏商业模式。 正是这一点使项目暴露在实验、开发和潜在的无拘无束的增长中。 正如 RISC-V 基金会在其网站上所指出的：

“兴趣是因为它是一个通用的自由和开放标准，可以移植软件，并且允许任何人自由开发自己的硬件来运行软件。”

在撰写本文时，RISC-V 芯片主要在服务器场和微控制器的幕后工作。 是否有可能改变消费领域的 ARM/英特尔 ISA 双头垄断地位还有待观察。

但是，如果在位者停滞不前，那么一匹黑马可能会疾驰而过，改变一切。