【CSDN 編者按】根技術(shù)，近年來頻繁被提及的一個(gè)詞語，也是當(dāng)前國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)等基礎(chǔ)軟件，以及芯片領(lǐng)域被寄予厚望的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)力方向。構(gòu)建技術(shù)樹，只有根深才能葉茂，本固方有枝榮。然而，說起來容易做起來難，基于頗為嚴(yán)峻的“缺芯”困境，我們究竟該如何破局？

在主流的 x86 和 Arm 賽道上，RISC-V 能否走出屬于自己的第三條道路？

在 2022 長(zhǎng)沙·中國(guó) 1024 程序員節(jié)大會(huì)的《算力和芯片的挑戰(zhàn)與突破》主題論壇上，我們邀請(qǐng)到了從學(xué)術(shù)圈走入產(chǎn)業(yè)界，在芯片領(lǐng)域耕耘多年，曾任職浙江大學(xué)、杭州中天微系統(tǒng)有限公司、阿里巴巴平頭哥半導(dǎo)體有限公司，前玄鐵處理器核的主要研發(fā)負(fù)責(zé)人，現(xiàn)為進(jìn)迭時(shí)空創(chuàng)始人兼 CEO 的陳志堅(jiān)博士，剖析當(dāng)前國(guó)產(chǎn)芯片的現(xiàn)狀，分享其構(gòu)建芯片根技術(shù)的心路歷程，探索以 RISC-V 為核心的中國(guó) CPU 發(fā)展路徑。

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整理 | 小雨青年 責(zé)編 | 屠敏

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

以下為陳志堅(jiān)博士的演講全文：

陳志堅(jiān) 進(jìn)迭時(shí)空創(chuàng)始人兼 CEO

根技術(shù)是什么？

所謂根技術(shù)，顧名思義，就是所有技術(shù)的根，其他的技術(shù)都是基于這些根技術(shù)而逐步生長(zhǎng)出來的。以最常用的智能手機(jī)為例，我們?nèi)粘＝佑|到的往往是智能手機(jī)的外機(jī)，包括界面和 App 軟件。在智能手機(jī)計(jì)算系統(tǒng)里，根技術(shù)包括計(jì)算芯片、操作系統(tǒng)等。

近幾年，根技術(shù)開始被眾人了解并熟知。以現(xiàn)代信息社會(huì)而言，根技術(shù)包括：

• 架構(gòu)、芯片與計(jì)算系統(tǒng)，這是信息技術(shù)的硬件之根；

• 操作系統(tǒng)和軟件，這是信息技術(shù)的軟件之根。

除了硬件和軟件之根之外，還有非常重要的芯片制造，它是硬件之根的根。放眼全球芯片制造領(lǐng)域，主流的市場(chǎng)主要被國(guó)外的公司所持有，包括三星、英特爾、GlobalFoundries ，而國(guó)內(nèi)主要是中芯國(guó)際（SMIC）為代表 。

另外，開源體系打造了牢固且非常重要的根基組織，它是未來主流的孕育技術(shù)、產(chǎn)生技術(shù)和產(chǎn)生產(chǎn)品的一種方式。過去很多人容易認(rèn)為開源技術(shù)是會(huì)被全球所共享的，但如今看來，實(shí)際并不然。開源技術(shù)從產(chǎn)出途徑上來看，確實(shí)是全球開發(fā)者共建的技術(shù)成果。但是，以代碼為例，它存放的服務(wù)器以及運(yùn)營(yíng)這些開源技術(shù)的基金會(huì)是有地域限制的，而因?yàn)榈赜颉⒄蔚纫蛩?，開源也存在一定的局限性。

從類別上，智能手機(jī)、PC 機(jī)、平板電腦、云計(jì)算的底座和云服務(wù)器都屬于計(jì)算系統(tǒng)。進(jìn)一步細(xì)分下來，計(jì)算系統(tǒng)的根技術(shù)主要包括：

• 指令集，計(jì)算芯片操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)最底層的是指令集；

• 基于指令集之上的是計(jì)算芯片；

• 操作系統(tǒng)，屏蔽了計(jì)算芯片的硬件差異化，留給軟件開發(fā)的一套接口或標(biāo)準(zhǔn)；

• 數(shù)據(jù)庫(kù)，用于云計(jì)算領(lǐng)域的大型軟件。

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中，無論是指令集、計(jì)算芯片、操作系統(tǒng)，還是數(shù)據(jù)庫(kù)，主流的市場(chǎng)一定程度上依然被外企持有。從計(jì)算系統(tǒng)的角度來說，指令集是計(jì)算系統(tǒng)根技術(shù)里面的根。中國(guó)是世界上最大的算力消費(fèi)國(guó)，但是卻不是世界上的算力生產(chǎn)國(guó)。究其原因是指令集目前被國(guó)外所把控。

指令系統(tǒng)的演變

縱觀計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展歷史，有出現(xiàn)過很多的指令集，比如貝克的 Alpha 架構(gòu)、后來的英特爾的 x86 架構(gòu)，再到后來的 Sandy Bridge 架構(gòu)、 MIPS 架構(gòu)、 Power 架構(gòu)等等。不過隨著時(shí)代的演進(jìn)，絕大多數(shù)的架構(gòu)都逐步放到了歷史的博物館里。

當(dāng)今我們接觸比較多的是 x86 架構(gòu)以及 ARM 架構(gòu)。x86 架構(gòu)是全封閉的指令架構(gòu)，被英特爾和 AMD 公司所享有。

ARM 架構(gòu)是一個(gè)半封閉的架構(gòu)，它采取了跟英特爾不一樣的商業(yè)模式。英特爾的商業(yè)模式是公司持有架構(gòu)，基于架構(gòu)開發(fā)芯片去賣芯片。而 ARM 架構(gòu)是公司研發(fā)架構(gòu)，基于架構(gòu)來開發(fā)處理器核，然后把處理器核賣給芯片公司，芯片公司集成處理器核，再賣到客戶手里。相比 x86 的商業(yè)模式，ARM 的商業(yè)模式更有利于幫助它聚集盟友。ARM 架構(gòu)誕生于上世紀(jì)的 80 年代末到 90 年代初，當(dāng)時(shí)的 ARM 架構(gòu)相比 x86 架構(gòu)來說，無論是指令集的能力還是性能都遠(yuǎn)不足 x86 架構(gòu)，但這并不妨礙 ARM 架構(gòu)逐步地完善，并完成算力占比的逆襲?，F(xiàn)在在全球的算力輸出中，ARM 架構(gòu)已經(jīng)占到了 80% 以上。

回顧整個(gè)指令架構(gòu)的發(fā)展歷史，可以總結(jié)出兩個(gè)規(guī)律：

• 第一，指令架構(gòu)是一個(gè)高度馬太效應(yīng)的事物。當(dāng)一個(gè)指令架構(gòu)有越來越多人用的時(shí)候，就意味著其生態(tài)壁壘越來越高，能夠聚集越來越多的開發(fā)者。側(cè)面來看，開發(fā)者投入到其他架構(gòu)上的時(shí)間和精力少了，導(dǎo)致其他架構(gòu)的發(fā)展完善度逐漸減弱，直到放棄。

• 第二個(gè)，指令架構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)不是技術(shù)層面的競(jìng)爭(zhēng)，更多的是商業(yè)模式的競(jìng)爭(zhēng)。ARM 架構(gòu)開始不如 x86 架構(gòu)，它之所以一步一步實(shí)現(xiàn)了對(duì) x86 架構(gòu)的逆襲，根本原因是它在商業(yè)模式里采取了更開放的合作方式，它把利潤(rùn)的“小頭”放在了自己身上，把更大的芯片的利潤(rùn)交給了芯片公司，這樣使得芯片公司愿意去跟 ARM 公司合作。

RISC-V 架構(gòu)是一個(gè)更加開放指令架構(gòu)。它起源于伯克利 2010 年暑期的計(jì)劃，2015 年開始以基金會(huì)的方式去運(yùn)營(yíng)，到 2021 年以基金會(huì)運(yùn)營(yíng) 6 年的時(shí)間已經(jīng)完成了出貨量 100 億顆的成績(jī)，這是一個(gè)非?？斓乃俣?。

RISC-V 的崛起

x86 架構(gòu)是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代發(fā)展的，而 ARM 架構(gòu)是伴隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代發(fā)展的，那 RISC-V 架構(gòu)它的下一個(gè)應(yīng)用在哪里？它的下一個(gè)超級(jí)可能性在哪里？

個(gè)人的觀點(diǎn)是智能物聯(lián)網(wǎng)。在物聯(lián)網(wǎng)概念被頻繁提及的今天，大家仍然對(duì)智能物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)知很低，容易理解為它是一種算力比較低的設(shè)備。

互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了信息的交互和互通，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了人與人之間的信息交互與互通，智能物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的是物和物之間的信息化互聯(lián)。車作為物的一種，車聯(lián)網(wǎng)和智能機(jī)器人網(wǎng)也隸屬于智能物聯(lián)網(wǎng)的范疇。

三個(gè)不同時(shí)期設(shè)備規(guī)模的變化如下圖所示。在 PC 機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，設(shè)備出貨量在 1 億到 2 億臺(tái)左右。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，設(shè)備出貨量大致提升 10 倍，規(guī)模在 10 億到 20 億臺(tái)。而到了智能物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，設(shè)備的出貨量會(huì)遠(yuǎn)超百億臺(tái)。

再看根技術(shù)，每一個(gè)時(shí)代的根技術(shù)也是不一樣的?；ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代的根技術(shù)是 x86 架構(gòu)，它是一個(gè)封閉的指令架構(gòu)，同時(shí)搭載在硬件之上的 Windows 是一個(gè)封閉的操作系統(tǒng)。到了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，ARM 就演變成了半開放的指令架構(gòu)，而它的主流操作系統(tǒng) Android 就是純開放的操作系統(tǒng)。如今的智能物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，需要一種更為開放的指令架構(gòu)以及操作系統(tǒng)。

AIoT 時(shí)代應(yīng)用的多樣化與 RISC-V 的優(yōu)點(diǎn)是高度吻合的。RISC-V 的開放性、設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔性以及功耗的優(yōu)勢(shì)，都非常符合 AIoT 時(shí)代的場(chǎng)景。得益于可定制、可擴(kuò)展的特質(zhì)，RISC-V 架構(gòu)更容易面向 AIoT 細(xì)分領(lǐng)域應(yīng)用去設(shè)計(jì)出具有針對(duì)性和競(jìng)爭(zhēng)力的核，從而更適配特定場(chǎng)景的應(yīng)用需求。這正是它跟 ARM 完全不一樣的地方。ARM 提供的是標(biāo)準(zhǔn)處理器，為了最大化商業(yè)價(jià)值，其在設(shè)計(jì)處理器核時(shí)主要面向各種通用領(lǐng)域，不限定具體的場(chǎng)景，而 RISC-V 的可定制化恰恰是它面向 AIoT 時(shí)代重要的優(yōu)勢(shì)。

目前為止，RISC-V 架構(gòu)的軟件生態(tài)還不成熟，如何展望它的未來發(fā)展？

首先，我們要對(duì) RISC-V 的發(fā)展有包容心和戰(zhàn)略耐心。x86 架構(gòu)和 ARM 架構(gòu)軟件生態(tài)的完善度也不是一次生成的。x86 架構(gòu)是上世紀(jì) 70 年代末 80 年代初開始發(fā)展的，到現(xiàn)在已經(jīng)有 40 多年的歷史。ARM 架構(gòu)是上世紀(jì)的 80 年代末 90 年代初開始發(fā)展的，到現(xiàn)在也有 30 多年的歷史。打個(gè)比喻，如果說 x86 和 ARM 宛如一個(gè)成熟的中年人以及青年人，那么 RISC-V 架構(gòu)還是個(gè)小朋友，從它以基金會(huì)的形式運(yùn)營(yíng)到現(xiàn)在只有 7 年的時(shí)間，但是它成長(zhǎng)的加速度遠(yuǎn)超 x86 和 ARM。

現(xiàn)在 ，RISC-V 除了不支持 Windows、安卓、 iOS 外， Linux 的軟件組件基本上是完善的。因此，對(duì)于 RISC-V 的長(zhǎng)期發(fā)展，我們也應(yīng)該抱有樂觀主義?；仡?ARM 的發(fā)展歷程，它在上世紀(jì) 80 年代末推出時(shí)僅是一個(gè)三級(jí)流水線的 DPU，其能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如當(dāng)時(shí)的 x86。但這并不乏妨礙 ARM 一點(diǎn)一點(diǎn)地發(fā)展起來。而 RISC-V 在經(jīng)營(yíng)模式上比 ARM 架構(gòu)更先進(jìn)、更開放，所以它在加速度上已經(jīng)體現(xiàn)出了優(yōu)勢(shì)。

構(gòu)建”端-邊-云”原生的下一個(gè)計(jì)算時(shí)代

軟件開發(fā)者基于不同指令架構(gòu)做開發(fā)，會(huì)產(chǎn)生與不同指令架構(gòu)緊耦合的軟件代碼，其中積累了大量冗余的重復(fù)工作。那么，這個(gè)世界是不是需要有這么多的 ISA（Instruction Set Architecture，指令集架構(gòu)），實(shí)際上答案是否定的。

以蘋果公司為例，蘋果公司推出的 PC 機(jī)起初基于和摩托羅拉、IBM 一起開發(fā)的 Power 架構(gòu)。后來蘋果公司開始轉(zhuǎn)向 x86 的架構(gòu)。隨著 M1、 M2 芯片的推出，蘋果公司又轉(zhuǎn)向 ARM 架構(gòu)。對(duì)于蘋果公司而言，其之前已經(jīng)積累了大量的應(yīng)用軟件需要進(jìn)行遷移，所以他們也開發(fā)了二進(jìn)制轉(zhuǎn)譯的技術(shù)，包括從 Power 到 x86 轉(zhuǎn)譯的 Rosetta 1.0、從 x86 到 ARM 轉(zhuǎn)譯的 Rosetta 2.0。軟件基于不同的指令架構(gòu)進(jìn)行遷移開發(fā)，對(duì)工程師來說是非常沒有意義、沒有必要的。

RISC-V 的架構(gòu)的出現(xiàn)，讓云邊端原生一體的下一個(gè)計(jì)算時(shí)代成為可能。我對(duì)未來云邊端時(shí)代共用共享 RISC-V 架構(gòu)持有非常樂觀的態(tài)度。RISC-V 架構(gòu)一定會(huì)先從邊開始發(fā)展，然后逐步的進(jìn)入云計(jì)算的領(lǐng)域，最后再回到 PC 機(jī)和手機(jī)應(yīng)用。

我對(duì)未來的暢想是，所有工程師都是基于 RISC-V 架構(gòu)去開發(fā)代碼，它開發(fā)的代碼可以在不同的芯片之間、不同的應(yīng)用場(chǎng)景之間進(jìn)行遷移。這樣就把軟件工程師的付出、心血、成果能夠凝聚在一起，而不是反復(fù)在不同的指令架構(gòu)之間去做搬移、搬運(yùn)。

中國(guó)現(xiàn)在對(duì) CPU 計(jì)算的渴求度迫切度非常高，在探索中，中國(guó)做 CPU 也走出了三種路徑：

• 基于他人的指令架構(gòu)做引進(jìn)、消化、吸收和創(chuàng)新。典型的像海光的 x86 架構(gòu)、兆芯的 x86 架構(gòu)和飛騰的 ARM 架構(gòu)。這種方式最大的優(yōu)勢(shì)是可以利用x86 架構(gòu)和 ARM 架構(gòu)上已經(jīng)成長(zhǎng)的軟件生態(tài)。

• 獨(dú)立構(gòu)建技術(shù)體系。典型的像國(guó)內(nèi)的龍芯以及申威。它的自主可控性的程度最高，但是軟件生態(tài)上存在不足。

• 融入開源架構(gòu)體系。進(jìn)迭時(shí)空就是采用這個(gè)路徑。進(jìn)迭時(shí)空看好 RISC-V 并愿意基于 RISC-V 芯片開發(fā)未來的計(jì)算芯片和計(jì)算系統(tǒng)。

這三種模式?jīng)]有好壞優(yōu)劣之分，并且在當(dāng)下的中國(guó)都是很需要的，因?yàn)樗梢悦嫦虿煌瑘?chǎng)景，為 CPU 的供給提供不同選擇。

從自身來說，進(jìn)迭時(shí)空選擇 RISC-V 架構(gòu)主要有三方面的考量：

• 第一，全球標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)一直是世界上最大的算力消費(fèi)國(guó)，但是從來不是算力生產(chǎn)國(guó)。背后的原因之一就是我們沒有強(qiáng)大生態(tài)的指令架構(gòu)。RISC-V 的出現(xiàn)讓中國(guó)開始有機(jī)會(huì)參與全球算力的競(jìng)爭(zhēng)，就像通信時(shí)代的 5G 標(biāo)準(zhǔn)一樣。

• 第二，全球生態(tài)。因?yàn)?RISC-V 架構(gòu)的基金會(huì)已經(jīng)遷移到了瑞士，它正在吸引全世界最優(yōu)秀的 AP、架構(gòu)的制定者、愛好者和開發(fā)者，圍繞著 RISC-V 做架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的制定、軟件生態(tài)的開發(fā)，它正在匯聚全球共建能力。

• 第三，全球能量。像 x86 架構(gòu)、ARM 架構(gòu)屬于某個(gè)公司，生態(tài)的發(fā)展也與其背后的公司息息相關(guān)。這意味著它的能量只能以閉環(huán)形式局限于公司內(nèi)部。以 x86 架構(gòu)為例，架構(gòu)迭代主要通過公司內(nèi)部完成。以 ARM 為例，主要是依靠 ARM 公司以及它的合作伙伴比如蘋果、Google 推進(jìn)發(fā)展和演進(jìn)。這種方式很容易讓架構(gòu)本身的發(fā)展跟公司的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起，一旦公司發(fā)展得不行，架構(gòu)也就慢慢地消亡。RISC-V 架構(gòu)則不是，它是全球共建、全球共享，匯聚了世界上最優(yōu)秀的工程師圍繞著它做開發(fā)。以 RISC-V 的 vector 架構(gòu)為例，當(dāng) ARM 在 V8 時(shí)代，它的計(jì)算采用的是 SIMD 的技術(shù)。到了 V9 架構(gòu)時(shí)代，它推出了SVE 架構(gòu)，即它的向量計(jì)算架構(gòu)。RISC-V 一開始在設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)時(shí)就采用了 SVE 的架構(gòu)，所以 RISC-V 架構(gòu)相比 ARM 架構(gòu)很大的優(yōu)勢(shì)是它站在了前人的肩膀上，前人走過的路、做過的技術(shù)方案以及這些技術(shù)方案的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，它都是可以看見的。

進(jìn)迭時(shí)空看好 RISC-V 的發(fā)展，希望基于RISC-V 架構(gòu)，通過 CPU 核的定制優(yōu)化設(shè)計(jì)、芯片開發(fā)和基礎(chǔ)軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)這三者深度地整合和優(yōu)化，提供計(jì)算芯片和計(jì)算系統(tǒng)。

面向未來的泛邊緣計(jì)算場(chǎng)景

可以暢想一下未來的計(jì)算世界，按照現(xiàn)在的算力進(jìn)行分層，大致可分成云、邊、端三層。未來發(fā)展趨勢(shì)，如下圖所示：

• 第一，云計(jì)算的算力下沉?，F(xiàn)在的云計(jì)算主要是基于中心，中心式的云存在不足，比如計(jì)算的成本、計(jì)算的延時(shí)。它就像物流，開始物流采用中心式的倉(cāng)儲(chǔ)方式，后來物流開始做下沉，下沉到低一級(jí)、次一級(jí)，這帶來的比較大的優(yōu)勢(shì)是物流的速度加快了。對(duì)計(jì)算而言，就是計(jì)算的時(shí)延變少了、對(duì)帶寬的占用變少了。所以 2010 年到 2020 年是云計(jì)算中心云的 10 年。我推斷 2020 年到 2030 年，未來的十年是云計(jì)算邊緣云、邊緣計(jì)算的時(shí)代，這是一個(gè)云計(jì)算算力的發(fā)展趨勢(shì)。

• 第二，端設(shè)備的算力增長(zhǎng)。未來的端設(shè)備會(huì)被智能化所廣泛地改造，對(duì)算力的需求會(huì)越來越高。以典型的掃地機(jī)器人為例，最初的掃地機(jī)器人是基于 MCU 的碰撞式機(jī)器人，機(jī)器人跑著碰到了障礙物就彈回來繼續(xù)往前走。但現(xiàn)在掃地機(jī)器人已經(jīng)演化到了基于攝像頭的有路徑規(guī)劃能力、有避障能力的計(jì)算系統(tǒng)，對(duì)芯片的要求也從原來的 MCU 發(fā)展成現(xiàn)在的適合 4-6t 算力的計(jì)算系統(tǒng)。所以未來端側(cè)會(huì)越來越智能化，對(duì)算力的要求會(huì)越來越高。所以云計(jì)算的算力下沉，端設(shè)備對(duì)算力的要求上提，使得算力匯聚在邊緣計(jì)算。

我們堅(jiān)定地看好邊緣計(jì)算未來的發(fā)展。RISC-V 的發(fā)展現(xiàn)狀是，看好這門技術(shù)的人多，但真正去做的比較少，這個(gè)世界缺少一顆好的基于 RISC-V 的計(jì)算芯片?，F(xiàn)在大量的軟件都是基于 QEMU 模擬器進(jìn)行開發(fā)，我們希望進(jìn)迭時(shí)空能夠真正地參與進(jìn)來，給全球開發(fā)者和商業(yè)應(yīng)用提供好的基于 RISC-V 的計(jì)算芯片。

有了計(jì)算芯片就相當(dāng)于有了基礎(chǔ)，更多的應(yīng)用、軟件、開發(fā)者、愛好者可以基于芯片硬件進(jìn)行開發(fā)，這也會(huì)更有助于 RISC-V 架構(gòu)生態(tài)的發(fā)展。現(xiàn)在 RISC-V 在國(guó)內(nèi)乃至全球，是先從 LT 端做起來，應(yīng)用在 MCU、藍(lán)牙、Wi-Fi 等領(lǐng)域，但是偏 AP 類的高端應(yīng)用芯片比較少。所以我們希望為世界在未來提供一套好的基于 RISC-V 架構(gòu)的計(jì)算芯片和計(jì)算系統(tǒng)。