聊聊 ARM 与 RISC-V
转载自：极客时间 《聊聊 ARM 与 RISC-V》 （有删改
https://zhuanlan.zhihu.com/p/389626435
相关专栏：邵巍 《说透芯片》
https://time.geekbang.org/column/intro/415
Interl、AMD 和 x86 指令集
我们在开始分享今天的内容之前，先思考一下，为什么 Intel 会做行业第一？
因为它有掌握成本结构的 IDM 模式，有符合摩尔定律的 Tick-Tock 策略，这些都对。
但除此之外，还有一个非常重要的因素，那就是Intel掌握了x86指令集。
想想为什么 AMD 能与 Intel 常年竞争？
AMD 甚至在濒临破产的边缘，连总部大楼都卖了还能起死回生，重新来个 AMD YES？
就是因为 AMD 和 Intel 分享了 x86 的指令集。
关于指令集、架构
专栏里讲硬件的内容偏多，今天，我们就聊聊指令集。
其实如果要把指令集讲清楚，估计能开设一个新的专栏，这里我把它作为拓展阅读，就简单聊聊 ARM 和 RISC-V 这两个在业内比较有话题性的指令集吧。
先来说说定义，什么叫指令集呢？
业界泰斗、ACM 和 IEEE 两院院士、2017 年图灵奖得主、 RISC-V 基金会的董事会副主席 David Patterson 给了非常通俗易懂的定义：软件通过一个专业词汇上称为指令集的东西和硬件讲话。
换句话说，指令集是软硬件之间沟通的桥梁。
如果在晶体管、集成电路和摩尔定律之外，再给一个重点概念，那就是指令集了。
可能你平时看新闻，看 ISA、架构、指令集这些词都混在一起用，觉得有些疑惑，其实ISA=指令集=架构，都是一个意思。
而实现了一个指令集的CPU叫微架构。
我给你举个例子，ARMv，这是一个指令集，也是一个架构版本。
ARM 的 Cortex-A72 处理器，就是一个实现了ARMv8 指令集的具体 CPU，是一个微架构。
ARM 的 Cortex-A72 是一个支持 ARMv8 指令集的 CPU IP，就是一堆 RTL 代码。
瑞芯微的 RK3399 芯片就是一个集成了2个 Cortex- A72 之后的芯片，是一个物理体，这个芯片支持 ARMv8 指令集。
凡是支持 ARMv8 的软件，都可以在 RK3399 上运行。
生态
当我们说ARM的时候，我们不太关注这个拥有 6000 员工，总部在英国但被软银收购后已经成为一家日本公司的企业故事，或者是在网上可以公开看到的那本 5000 多页的 [ARMv8指令集手册]。
我们更多提到的是硬件侧高通的骁龙、联发科的天玑、华为的麒麟、三星的 Galaxy、AWS 的 Graviton、苹果的全家桶，和软件侧的 Android、iOS、Red Hat、Ubuntu、SUSE、麒麟 OS，等等，它们都在 ARM 的生态系统里。
我们关注的是整个 ARM 生态系统。
类似的，我们在说 x86 的时候，也不仅仅指的是 Intel 和 AMD ，还有在 x86 生态系统里的微软、Linux、Oracle、SAP 等等。
但是 x86，并不是一个公开授权的指令集，虽然并不仅仅有 Intel 和 AMD 两家，但是对于新入局者来说，做 x86 指令集的机会几乎微乎其微。
相对来说，ARM 和 RISC-V 都是开放授权的指令集。
ARM 是商业授权指令集，RISC-V 是开源的指令集。
至于 CPU 核，也就是微架构，两家都是商业授权模式，就是要付费的。
2017年，以微处理器分析闻名的行业分析公司 Linley Group 在一次 RISC-V 会议上做开场主题演讲时展示过一页最受欢迎的指令集，如果按照支持不同指令集的 CPU 个数来看，ARM 是最多的，从饼图上看，这是压倒性的优势。
但是如果按照营收来算，x86 因为高单价（ASP，平均销售价格）是最赚钱的指令集。
也就是说目前这两个最流行的指令集，一个赚了钱场，一个赚了人场。
指令集的发展
当年 Intel 推出 x86 指令集的时候，已是万人大厂，还拿下了 PC 这个关键市场，而彼时微软才刚刚创立，不足 10 人，因此这是一个先建硬件再建软件的历程。
而 ARM 是靠着自己的灵活授权模式，搭着当年德州仪器的大船杀入到手机市场，并在功能机年代拿下手机这个关键市场的。
然后先有诺基亚的手机操作系统塞班，然后再有的 Android。
在移动互联网时代，ARM 也是运气好，Intel 没有答应苹果的定制要求，因此苹果就选了 ARM这个现成的 CPU IP，也采用了既有的指令集，再搭建 iOS 系统。
因此 ARM 赶上的是硬件统一，软件分裂，然后对齐到硬件上的过程。
那么开始于 2010 年的 RISC-V 呢？
我推荐
你读一下中国科学院计算技术研究所包云岗老师的解读和介绍。
包老师团队翻译了 RISC-V 手册，副标题是《一本开源指令集的指南》。
http://riscvbook.com/chinese/RISC-V-Reader-Chinese-v2p1.pdf
RISC-V 的诞生和发展
在这里我就简单从我的角度聊聊 RISC-V。
RISC-V 诞生于美国 UC Berkeley 大学，最初是个开放为教学服务的指令集。
但 RISC-V 因为有着精简、高效、低能耗、模块化、可拓展、免费开放、无历史负累低效指令等优势，很快就出圈了，因此 RISC-V 团队在认识到它的价值之后，就决定将之推出市场进行商业化探索。
RISC-V 架构秉承简单的设计哲学，完全抛弃历史包袱，从轻上路，借助计算机体系结构，经过多年的发展已经成为比较成熟的技术。
RISC-V 基础指令集则只有 40 多条，加上其他的模块化扩展指令总共几十条指令。
RISC-V 的规范文档仅有 145 页，而“特权架构文档”这样重要的内容，篇幅也仅为91页。
如果说 ARM 借助IP授权的商业模式，降低了 CPU 设计难度，让信息技术世界进入泛处理器时代，那么 RISC-V 就是以免费开放的开源指令集模式，降低了 CPU IP的设计门槛，让芯片行业进入到一个满是 CPU IP 的时代。
RISC-V 目前已经有 200 多家成员，你可以看这张大厂logo 云集图片，这张图来自 RISC-V 基金会。
商业模式
不过所有的技术或者商业模式优势，最终还是要转化成商业成功。
目前所有参与 RISC-V 的企业，其实还是小公司居多，或者是大公司的小项目有涉及，还没有特别赚钱的。
那什么算是商业成功呢？
依据我的经验以及总结 ARM 成功的历史，我列了三条 RISC-V 作为指令集的成功标志：
最新工艺的 SoC 量产
有软件支持的里程碑
支持杀手级应用或者说核心市场的 25% 市场份额
我觉得达到任意一个即可，当然最终肯定都会有，但是成功的起点是拿下其中之一。
看到这里，你如果对RISC-V仍然感兴趣，我建议你去读一下 John Hennessy 和 David Patterson 这两位图灵奖获得者，在 2019 年发表的文章《计算机架构的新黄金时代》（中文版(吴进：2018年图灵讲座：计算机体系结构的黄金时代)，你可能会对 RISC-V 有一个全新的认识。
- A New Golden Age for Computer Architecture
https://www.doc.ic.ac.uk/~wl/teachlocal/arch/papers/cacm19golden-age.pdf - 机器之心 翻译
https://www.jiqizhixin.com/articles/2019-01-30-12
如果把它当通用 CPU，它生得晚了，可是如果把它当作领域专用架构 DSA（Domain Specific Architecture），这种模块化的设计，非常有价值，而且它是先立标准、开源开放，这样碎片化的生态累积起来更灵活更高效，反而更有机会做大。
但是我想说生态始终还是要统一的，要有人掌握灵活和标准之间的平衡，否则软件投资无法得到保障，最终还是一盘散沙。
最后，我用一张 1992 年微处理器论坛的老照片作为结尾。
指令集并不算一个特别有技术难度的项目，1960 年代，IBM 的每台计算机都有自己的指令集和工具。
1992 年，那张图上也是有满满的指令集。
都说我们芯片这行做公司容易死，但其实图里的公司，还是剩下了大半，而指令集就剩下两个了。
计算机指令集的发展，是“长坡滚雪球”，要有核心，不能碎，或者说生态不能分裂，还要持续稳定地不停地滚动，即保持演进，与时俱进。
当然还要这个“坡”够长够大，才有后期的如雪山压顶之势，拿到容量够大的核心市场。
最后，我还想聊聊一些题外话，我不知道你在看网上一些信息的时候会不会完全相信别人说的，我是不会。
我们现在看到的一些文章，有相当一部分是某些公司宣传部门写的通稿，并不能直接代表真实情况。
因此，一般我在阅读的时候，是会先看一下文章来源和作者背景的。
我也是普通人，在一些理解上也会加我自己的想法，因此你可以再从开篇词里了解一下我，再确定给我加什么样的纠偏系数。
关于指令集，你可以畅所欲言，聊聊你知道的内容，欢迎在评论区留言交流。
如果你想了解更多关于芯片的内容，可以点击试读我的专栏《说透芯片》。
2023-08-11