英特爾和 ARM 的開放替代方案：什麼是 RISC-V？

如果你想構建一台開源計算機，你可以——如果你在談論軟件的話。 然而，引擎蓋下的處理器是專有的。 RISC-V 是一種開源處理器設計，它正在迅速獲得關注並有望改變計算領域。

英特爾和 ARM 設計的替代方案

目前，兩種處理器設計占主導地位：由 ARM 和 Intel 的 x86 創建的處理器設計。 儘管兩家公司的運營規模都很大，但它們的商業模式卻有著根本的不同。

英特爾設計和製造自己的芯片，而 ARM 將其設計授權給第三方設計者，如高通和三星，然後他們添加自己的增強功能。 雖然三星擁有內部製造其處理器的基礎設施，但高通（和其他“無晶圓廠”設計師）將這項重要工作外包給第三方。

就 ARM 而言，這通常還要求許可方簽署保密協議，旨在保護芯片設計的某些方面的私密性。 這並不奇怪，因為它的整個商業模式不是圍繞製造而是圍繞知識產權塑造的。

同時，英特爾擁有自己的商業設計秘密。 由於這兩種處理器類型都是商用的，因此學者和開源黑客很難（如果不是完全不可能的話）影響設計。

RISC-V 有何不同

RISC-V 完全不同。 首先，它不是一家公司。 它最初是由加州大學伯克利分校的學者於 2010 年構思的，作為現有現有技術的開源、免版稅替代方案。

這類似於安裝 Linux 而不是 Windows，因此您無需購買任何東西或同意任何繁重的許可協議。 RISV-V 旨在為半導體研究和設計做同樣的事情。

ARM 還授權指令集體系結構 (ISA) 和微體系結構，它指的是處理器本身可以理解的命令，以及微體系結構，它顯示了它是如何實現的。

RISC-V 僅提供 ISA，允許研究人員和製造商定義他們實際想要如何使用它。 這使其適用於各種設備，從用於嵌入式系統的低功耗 16 位芯片到用於超級計算機的 128 位處理器。

顧名思義，RISC-V 使用精簡指令集計算機 (RISC) 原理，與基於 ARM、MIPS、SPARC 和 Power 設計的芯片相同。

這是什麼意思？ 嗯，在任何計算機處理器的核心，都有一些叫做指令的東西。 用最基本的術語來說，這些是用硬件表示的小程序，告訴處理器該做什麼。

基於 RISC 的芯片通常比使用複雜指令集計算機 (CISC) 設計的芯片具有更少的指令，例如英特爾提供的那些。 此外，指令本身在硬件中實現起來要簡單得多。

更簡單的指令意味著芯片製造商的芯片設計效率更高。 權衡是這些相對複雜的任務不是由處理器執行的。 相反，它們被軟件分解成多個更小的指令。

因此，RISC 贏得了將重要的東西委託給編譯器的綽號。 雖然這聽起來像是一件壞事，但事實並非如此。 但是，要理解它，您首先必須了解計算機處理器實際上是什麼。

手機或計算機中的處理器由數十億個稱為晶體管的微小組件組成。 對於基於 CISC 的芯片，這些晶體管中的許多代表了可用的各種指令。

由於 RISC 芯片具有更少、更簡單的指令，因此您不需要很多晶體管。 這意味著你有更多的空間去做很多有趣的事情。 例如，您可以包含更多的緩存和內存寄存器，或者用於 AI 和圖形處理的額外功能。

您還可以通過使用更少的整體晶體管來使芯片在物理上更小。 這就是為什麼 MIPS 和 ARM 的基於 RISC 的芯片經常出現在物聯網 (IoT) 設備中的原因。

極品飛車

當然，許可並不是 RISC-V 的唯一理由。 領導 RISC 處理器設計的第一個研究項目的 David Patterson 表示，RISC-V 旨在解決可能從製造改進中獲得的 CPU 性能即將受到的限制。

您可以在芯片上安裝的晶體管越多，處理器最終就會變得越強大。 因此，台積電和三星等芯片製造商（均代表第三方製造處理器）正在努力進一步縮小晶體管的尺寸。

第一個商用微處理器 Intel 4004 只有 2,250 個晶體管，每個晶體管的尺寸為 10,000 納米（約 0.01 毫米）。 肯定很小，但與 40 年後發布的 Apple A14 仿生處理器形成鮮明對比。 該芯片（為新款 iPad Air 提供動力）擁有 118 億個晶體管，每個晶體管的直徑為 5 納米。

1965 年，英特爾的聯合創始人戈登·E·摩爾 (Gordon E. Moore) 推測，可以放置在芯片上的晶體管數量每兩年就會翻一番。

“最低組件成本的複雜性以每年大約兩倍的速度增加，”摩爾在電子雜誌 35 週年紀念版上寫道。 “當然，在短期內，如果不增加的話，這個比率可以預期會持續下去。 從長遠來看，增長率有點不確定，儘管沒有理由相信它至少在 10 年內不會保持幾乎不變。”

摩爾定律預計將在這十年停止適用。 對於芯片製造商能否長期保持這種小型化趨勢也存在相當大的疑問。 這既適用於基礎科學層面，也適用於經濟層面。

畢竟，較小的晶體管製造起來更加複雜和昂貴。 例如，台積電在其工廠上花費了超過 170 億美元來製造 5 納米芯片。 鑑於這堵磚牆，Risk-V 旨在通過尋找除縮小晶體管尺寸和數量之外的其他方法來解決性能問題。

公司已經在使用 RISC-V

RISC-V 項目於 2010 年啟動，2011 年製造出第一款採用 ISA 的芯片。三年後，該項目上市，商業利益很快接踵而至。 英偉達、阿里巴巴和西部數據等公司已經在使用該技術。

具有諷刺意味的是，RISC-V 本身並沒有什麼開創性的。 基金會在其網頁上指出：“RISC-V ISA 基於至少可以追溯到 40 年前的計算機架構理念。”

然而，可以說具有開創性的是商業模式——或者說缺乏商業模式。 正是這一點使項目暴露在實驗、開發和潛在的無拘無束的增長中。 正如 RISC-V 基金會在其網站上所指出的：

“興趣是因為它是一個通用的自由和開放標準，可以移植軟件，並且允許任何人自由開發自己的硬件來運行軟件。”

在撰寫本文時，RISC-V 芯片主要在服務器場和微控制器的幕後工作。 是否有可能改變消費領域的 ARM/英特爾 ISA 雙頭壟斷地位還有待觀察。

但是，如果在位者停滯不前，那麼一匹黑馬可能會疾馳而過，改變一切。