2021年02月03日 | RISC-V带来的不仅仅是开源

“开源”在硬件设计上有多种含义:开放规范、免费设计、专利/版权保护过期的设计…

因此，开源硬件的价值各不相同。许多原创的开源硬件项目都很小，对芯片设计业务影响有限。RISC-V虽然不是第一个开源硬件项目，但论名气和对行业影响可能是最大的了。

可以说RISC-V改变了游戏规则。

开源芯片的研究始于加州大学伯克利分校的一个学术项目，也是这个机构生产了第一个精简指令集计算机(RISC) CPU: RISC-1。该架构的创始人之一是David Patterson，他写了一篇关于RISC的开创性研究论文。RISC-1后来成为了 Sun Micro的SPARC处理器。在20世纪80年代，RISC展示了如何围绕一种新的处理器架构来构建可行的公司。

RISC-V最初是作为一个教学和研究工具。指令集设计干净、简单、现代，没有IP纠葛。开放的方法允许研究人员构建芯片，扩展架构，探索新的指令。而且它也足够简单，研究生都可以设计。

这所大学研究小组把RISC在公共领域里的权限放得很松，这让其他人开始使用它。结果，学术界和研究人员围绕RISC-V建立了一个生态系统。随后，伯克利团队成立了一个基金会，将正式化发展，并寻求社区参与。在2014年的Hot Chips大会上他们把RISC推向了公众，当时推出了桌面显示器。从那时起，这个项目就像滚雪球一样发展成为一项国际运动。

如今，该基金会更名为RISC-V International，总部迁至瑞士日内瓦，象征着中立立场。RISC-V International的CEO Calista Redmond将RISC-V描述为一个开放的标准架构。该组织还声称，没有特定的CPU是开源设计。相反，它是一个指令集和行为规范，开发到某个点，然后冻结。

RISC-V作为一个构建块，公司可以在其上添加扩展。这取决于实现者是否将其CPU内核作为开源版本发布，或者对内核的使用收费，或兼而有之。

该标准是开放的，但基于该标准的CPU设计不一定是开放或免费的。作为一个开放式设计案例，西部数据开发了用于闪存阵列存储控制器内部使用的SweRV核。然后，它开放了核心资源。

因此，RISC-V提供了低成本的入门、以及更清晰的体系结构和更多灵活性。

虽然RISC-V指令集是碎片化的，但是基本体系结构对于标准化的软件开发已经足够。该指导集也可以受益于广泛的社区参与，现有50个委员会在设计和生态系统的各个方面工作。

RISC-V开放规范的另一个优点是消除了对架构许可需求，因为用户在设计自己的CPU核心时需要使用arm或MIPS IP。虽然arm确实提供了一些免费的开发核心，但设计者仍然必须使用arm设计的核心，并支付版税。大多数商用芯片仍然使用获得许可的核心。

即使设计师愿意授权一个预先制作好的CPU，他们也有更多的IP选择。

例如，台湾安第斯科技公司(Andes Technology Corp.)就开发了可获得许可的RISC-V核。一些RISC先驱成立了SiFive来开发许可的、开源的和可定制的CPU，尽管它的商业模式是基于设计服务和提供带有商业功能的IP，如跟踪、调试和安全选项。就像从Linux发行版(包括Red Hat和SUSE)中获利的公司一样，设计公司也可以通过提供定制和支持的CPU IP从RISC-V中获利。

科技主权

技术主权是另一个新兴的知识产权问题，特别是随着技术冷战的兴起。在RISC-V的情况下，没有一个国家能够控制IP。因此，没有办法阻止某人仅仅基于贸易争端而使用指令集。

目前，RISC-V生态系统也已经成为其他开源设计的焦点。例如，一个名为libreSoC的组织正在开发一种基于RISC-V的开源GPU。其目标是实现CPU、VPU和GPU的混合。

事实上，RISC-V并不是第一个开源硬件存储库。它的前身是开放核心网站，该网站允许开发人员“查看、下载、重用和共享门户软件设计”。项目包括实际的电路设计，但大多数都是晦涩的学术项目或被称为“left-over-wear”或“abandoned ware”的停产IP。这些核心缺乏强大的、可扩展的社区支持，只能供业余爱好者和学者参考。

其他开放CPU架构包括IBM Power和Sun Microsystems/Oracle SPARC。

OpenSPARC项目始于2005年。在GNU通用公共许可证下发布的SPARC T1/T2内核的站点分发RTL。它们是小型的多线程内核，有利于吞吐量计算。

另一个是为欧洲航天局开发的LEON CPU核心。32位的SPARC V8内核在两个不同的许可证下可用。一旦Oracle结束了SPARC的开发，人们对该架构的兴趣就减弱了。

2013年，IBM与合作伙伴谷歌、Tyan、Nvidia和Mellanox共同成立了Open Power Foundation。最初的目标是为英特尔在服务器和高性能计算处理器霸主地位提供一种替代品。但这个项目有一个重大的限制:IBM最初是唯一的电源芯片供应商。后来，一家中国公司，苏州宏芯，开发了一种动力处理器。当arm服务器和AMD Epyc处理器进入市场挑战英特尔时，人们对该项目的兴趣就减弱了。尽管进展缓慢，但仍在继续。

2020年9月，IBM推出了A2O Power处理器核心，这是A2I核心的一个无序后续。A2O是一个64位CPU，具有显著的单线程性能，4-GHz时钟速度和基于7nm进程。OpenPOWER项目还推动了相关的接口标准项目，如OpenCAPI和OMI(开放内存接口)。目前，A2O 处理器核心已经作为 POWER ISA 核心开源，从而在 SoC 设计中嵌入使用。A2O 比前代产品具有更好的单线程性能，并支持2路SMT、PowerISA 2.07 和模块化设计。

在 7nm 生产工艺上，IBM 预估 A2O 处理器核心能够在 3.0GHz/0.25 Watts 或者 4.2GHz /0.85 Watts 下运行。不过这个核心最初是为 45nm 工艺而设计的，在 2.30GHz 时的功耗为 1.49 Watts。

不过，OpenSPARC和OpenPOWER的影响仍然有限。即使提供了对架构的“开放”访问，但最初的公司迟迟不愿将控制权拱手让给设计界。OpenPOWER的设计是稳健的，但是缺乏一个完整的平台，比如一个浮点单元。此外，它们仍然高度依赖IBM的支持。

最近，Linux基金会发起了一项名为“芯片联盟”(CHIPS Alliance)的倡议，旨在为开源硬件生态系统铺平道路。“CHIPS Alliance”指的是用于接口、处理器和系统的通用硬件。12月，CHIPS Alliance宣布计划联手RISC-V International，以标准化一种开放、统一的内存一致性总线，并用于数据量大的应用程序。

多样性

为了取得成功，开源知识产权需要一个强大的、多样化的社区支持。还需要一个开放的生态系统，它重视对架构的贡献，同时为新开发提供一个交流中心。通过这种方式，开源IP项目最终可以与许可内核和专有架构竞争。

RISC-V项目满足其中大多数需求，前途无量。OpenPOWER也有潜力，但需要更广泛的支持才能达到市场接受的临界规模。

尽管如此，RISC-V的长期成功并不是必然的，世界领先的IP提供商arm也不会很快离开。如果arm被英伟达收购的交易能通过反垄断审查，arm的商业模式可能会发生重大变化。但英伟达已承诺不会改变arm的商业模式。

arm仍有可能采用混合IP授权模式，但扩展可能仅限于像苹果这样的大型架构授权商。

与此同时，RISC-V将继续吸引更多的投资和人才。要知道，开源架构的最初成功主要体现在微控制器上。随着它的性能提升到应用程序和数据中心处理器的阶层后，它将不得不与一个根深蒂固的和广泛的arm生态系统竞争。