RISC-V開放源碼的指令集架構為芯片公司帶來了更務實的選擇，超越普通的商業選項，避免承擔過度的策略風險，特別是在消費物聯網裝置上使用的小型嵌入式處理器…
過去十年來，開放源碼(open source)軟體已經成為科技領域的最佳催化劑。如今，開放源碼的力量帶來了自由發展，所產生的社群也在硬體世界中得以立足。基于這些原因，RISC-V贏得了極高的人氣。本文介紹RISC-V指令集(ISA)架構，以及如何在物聯網(IoT)時代改寫處理器生態的游戲規則。
什么是RISC-V？
RISC-V是一個開放的指令集架構，最初由美國加州大學柏克萊分校(University of California, Berkeley)的電腦科學系開發，主要基于流行的精簡指令集運算(reduced instruction set computing；RISC)原則，就和ARM、MIPS以及其他常見的商用處理器架構一樣。
RISC-V在2010年開始成型，現在已經成長為一個巨大的全球合作計劃，橫跨多所大學和工業領域。非營利的RISC-V基金會(RISC-V Foundation)為其提供了一致性，不僅指導底層ISA規范，也扮演市場引擎的角色來推廣RISC-V途徑。
需要澄清的是RISC-V的指令集架構，顧名思義是一項指令集的架構規范，而不是一種具體的處理器設計。從開放源碼指令集架構開始，很多的學術和產業團隊創造了多種不同的處理器設計，但本質上都采用同一種語言。快速瀏覽RISC-V基金會的網站，就可以看到上面展示了大量的處理器實作，從Rocket、Orca和PULPino等完整的開放源碼處理器設計，到生產商業處理器核心的公司，如SiFive、Codasip、Andes和Cortus。
這些當代處理器的實現范圍十分廣泛，從簡單物聯網處理器到運行Linux的應用處理器，都是基于一套共同的指令集，從而反映出RISC-V較封閉式商用ISA的關鍵優勢，即差異化和選擇的自由，以及可以更換處理器供應商而不至于遭受產品重新架構的痛苦。
圖1：RISC-V包含最小的32位元基礎指令集，以及一系列可擴展至支援64位元、128位元運算的指令集與其他擴展。
免費的所以一定存在風險？
在這一點上，謹慎的做法是考察實際情況，查看新產品設計中影響處理器選擇的因素。如同大多數的設計決策一樣，它涉及很多技術和商業因素，有些是基于硬指標，有些則基于難以量化的方面。
技術指標是不言而喻的：包括處理器是否具備足夠的馬力？支持后續產品的可擴展性？是否匹配功率封包？是否滿足所需的安全層級？有沒有友好熟悉的軟體開發/除錯環境？用戶能否繼承之前的程式碼庫等等。商用標準必須考慮成本，例如面積(包括閘數和記憶體大小)、版稅和整個授權費用。它還要考慮其他商務方面的因素，包括供應商鎖定、保證與賠償、商業報告義務、進行修改的合法權利等等。
考慮所有這些因素，大多數設計人員往往采取一種“安全”選項，通常使用一個專有的商用處理器，并且經常綁定在以前使用的系列。然而，站在策略層面來看，很多公司對于選擇限制日益增加但強大的商用處理器IP供應商感到不安。人們渴望擁有更多的商業自由，打破封閉指令集的鎖定，這不光是在授權和版權使用費方面有意義，也有利于實現差異化。
這種需求使得RISC-V揚帆起航。RISC-V開放源碼的指令集架構為芯片公司提供了現實的選擇，超越普通的商業選項，避免承擔過度的策略風險，就如同Linux、FreeRTOS和許多其他開放源碼的即時作業系統(RTOS)在今天無可爭辯的替代了商用作業系統(OS)。特別是在那些消費物聯網裝置上使用的小型嵌入式處理器上，這種選擇非常現實。許多知名的一級(Tier 1)公司，包括Western Digital (WD)和輝達(Nvidia)，已經公開宣布了自家公司的意圖，甚至著手展開了大規模的生產。此外，還有更多的公司正在評估RISC-V，其中一些甚至秘密地開始進行先進的設計。
圖2：RISC-V處理器核心性能比較
例如CEVA RivieraWaves的 Wi-Fi和藍牙IP產品設計。在RISC-V的潛力吸引下，這些通訊技術需要一個小型處理器以執行協議堆疊，目標就在于創建一個預先整合的參考平臺，讓客戶自由選擇處理器。由于IP的架構設計滿足超低功耗的操作，即使是先進的無線網路(Wi-Fi)配置，對于處理器馬力的需求也很溫和。
簡單來說，我們需要邏輯閘數少、能源效率高、成熟的處理器，再加上一個熟悉的商用級軟體開發環境，可以產生節省芯片面積的精簡程式碼。該處理器設計必須易于部署(全速執行)在FPGA和ASIC/ASSP上，而且還必須具備與我們的授權IP業務相容的法規架構。
例如，CEVA選擇20K閘數的RISC-V處理器核心，能夠達到2.44 Coremark/MHz這個不錯的成績，并且和硬體需求完全吻合。根據內部的性能基準和程式碼密集度測試結果顯示，已經達到與同級最佳處理器相當的水準。同樣重要的是根據我們的經驗顯示，將一個完整的系統移植到RISC-V所需的工作量非常少。
以更復雜的Wi-Fi平臺為例，用嵌入式RISC-V處理器取代商用處理器，只需花費一星期的時間，就完成了整合、模擬和創建一個新的FPGA二進位檔，實現完整的RivieraWaves Wi-Fi 展示平臺。此外，已經在多個不同商用處理器上進行開發和部署多年的現有協議軟體，在兩周時間內就能移植到RISC-V平臺了，包括移植、測試和系統級驗證。這一點也不令人意外，多虧了熟悉的GNU GCC/GDB和LLVM編譯器/除錯器環境。
總的來說，這個專案是一次重大的成功，RISC-V真正兌現了承諾。