2021年03月04日 | RISC-V架构能够手机带来怎样的设计

1月底，有个新闻刷爆了笔者的朋友圈。文章的内容主要谈的是平头哥完成了安卓10对RISC-V芯片的支持，并开源了全部相关代码。详细新闻可以看半导体行业观察题为《里程碑，支持RISC-V的安卓系统有重大突破》的报道。

日前，RISV-V International的首席技术官Mark Himelstein在接受媒体采访的时候也表示，我们应该很快就能看到RISC-V架构走向智能手机，乃至HPC等领域。这无疑又吸引了大家对这个话题的再次关注。

近年来，因为收到地缘政治和RISC-V基金会推动等多重因素的影响，这个诞生于十几年前的架构以其开源和无历史包袱等特性在芯片产业受到高度欢迎，除了新兴公司以外，不少传统巨头也杀入了这个领域，但他们的主要落脚点都是放在MCU和某些对软件生态没有高度依赖的嵌入式市场。

但从上文的报道我们可以看到，RISC-V似乎已经铆足劲走向了这个公认的高难度市场。但从当前的手机芯片市场来看，我们还需要RISC-V吗？

Arm一家独大的市场

手机芯片架构是Arm绝对垄断的市场，这是没有任何疑问的。能做到这样，一方面得益于Arm先天的RISC设计，使其具备简单和低功耗等特性，能够在电池容量没有大幅度提升的前提下，提高消费者的使用体验。 

CISC与RISC的对比

另一方面，Arm之所以能够在智能手机芯片市场一家独大，也与他们独特的授权经营模式有很重要的关联。从成立起，Arm就就作出了一项决策：不自己生产芯片，向其他公司许可芯片设计。换而言之，Arm开发的只是芯片内核，许可客户可以增添其他组件，构成完整的片上系统。这就使得在智能手机早期，手机芯片领域就吸引德州仪器、高通、联发科和三星等厂商一起开发手机芯片，共同培育这个生态。就连现在大红大紫的GPU巨头英伟达都在当年推出过使用Arm内核的Tegra系列，想在手机芯片市场分一杯羹。由此可以看到Arm授权模式的魅力。作为对比，当年英特尔在看到手机芯片市场的高速发展，也曾想在这个市场分一杯羹，但从进入到退出，他们几乎都是孤军奋战，双拳难敌四腿，结局也是可以预见。

说到这里，也许有人会说，另一个RISC架构MIPS也是授权模式，他们甚至比Arm更早实现了商业化，但在智能手机芯片市场几乎颗粒无收。为何出现这个现象，我们并不能探究更多原因。但回看当年的报道，MIPS Technologies曾在2012年发布了一款名为proAptiv的新型处理器，试图挑战当年的Arm Cortex-A15。MIPS表示，其proAptiv内核将是ARM即将推出的Cortex-A15 CPU的一半大小，但可提供同等或更高的性能。

但正如当时的Tensilica创始人兼CTO Chris Rowen所说，要挑战ARM在移动设备中的主导地位，不仅需要优秀的技术。与此同时，Arm庞大的客户和合作伙伴生态系统，以及熟悉其架构和工具的软件开发人员都是Arm能在智能手机芯片市场取得成功的关键要素。。

最后，笔者认为苹果当年对Arm前身Acorn的投资，让在苹果这些年里来对“Arm”保持忠诚。有了最有影响力手机芯片和手机厂商的支持，Arm后来的成功就水到渠成。当然，这只是笔者的猜测。

RISC-V成为“救世主”？

如前文所说，如果是嵌入式或某些对软件生态没有那么高要求的场景，RISC-V绝对是一个好选择，从半导体行业观察之前的文章《为什么看好RISC-V》中，我们也能找到相关论据来支撑。

来到手机市场，如果你在2019年五月之前问过这个问题，答案绝对是否定的，因为从当前的全球芯片格局和手机芯片的产业链看，没有任何必要。但在现在看来，行业有人探索RISC-V在手机处理器上的应用，这是有其客观原因影响的。其中一个归咎于美国掀起的地缘政治斗争。

2019年五月，美国将华为加入了黑名单，并在接下来的一年多的时间里升级其限制，这就让华为难以获得美国的先进产品和技术，在手机芯片方面也不例外。和其他所有手机芯片厂商一样，华为的Kirin系列芯片同样是用的是Arm的CPU和GPU。例如在华为最新的Kirin 9000上，他们就分别采用了Arm的Cortex-A77 CPU和Mai-G78 GPU。换而言之，华为在最新的旗舰上采用了Arm上一代的CPU和最新的GPU。虽然华为和Arm双方都曾强调过，双方的合作不受美国禁令影响，但有行业人士在与笔者聊天的时候曾指出，Cortex-A78应该是由Arm美国奥斯汀团队研发，而Mali-G78应该是在欧洲研发的。从某种程度上，这就可以解析了华为在Kirin 9000上没有用上Cortex-A78或者Cortex-X1的原因。

也就是说，对于华为而言，在当前的局面下，他们有充分的理由去研发基于RISC-V的手机处理器，加上他们正在打造鸿蒙系统，这就让这一切变得相对更容易。正如苹果在用于Macbook的Arm处理器M1上的旗开得胜，以及他们之前从IBM Power处理器转到Intel处理器上的成功证明了一个事实——掌控了自己的软硬件，才有更强大的话语权。无论是对供应商还是开发者。

上述关于华为的假设是建立在华为还能继续生存下去，并且还会继续推进手机业务的基础之上。而接下来谈到的Nvidia收购Arm，无疑就给RISC-V进入手机插上了腾飞的翅膀。

2020年是半导体一个并购大年，其中英伟达收购Arm无疑是其中最具影响力的一个。外媒semiaccurate在去年十月的报道中也指出，一家业内主要的手机SoC供应商告诉他们，无论这个交易是否获得批准，他们制造RISC-V SoC的计划都在向前发展。据报道，其实在英伟达宣布收购Arm之前，该厂商已经进行了约一年的RISC-V 手机SoC的研发。

在上个月中，也有报道指出，手机芯片龙头高通已经向美国联邦贸易委员会、欧盟委员会、英国竞争与市场管理局以及中国国家市场监管局表达了对英伟达收购Arm交易的担忧。根据报道，高通之所以反对这单交易，是因为他们认为如果英伟达成功收购了Arm，他们就有可能阻止其他芯片制造商使用Arm的IP。当然，英伟达黄仁勋一直强调他们即使收购成功，他们还是会保持中立。

然而高通的担忧正是手机SoC领域从业者的担忧。

挑战还在前头

虽然很多人都觉得，手机SoC厂商并没有必要去选择RISC-V，但现在有那么多厂商在各种尝试，这证明了背后还是有其存在的逻辑。不过正如Chris Rowen评价MIPS进入手机芯片市场一样，就算有芯片厂最终真的推出了基于RISC-V架构的芯片，并克服重重困难让安卓系统流畅地运行在其上面，但对于他们而言，更大的挑战还在前头。

在文章开头的时候，我们就谈过，RISC-V目前之所以能在有些市场表现的非常出色，这主要与这些市场采用的芯片并不需要太强的软件有关。但手机则是一个与软件高度绑定的产品，过去十几年里，无数的开发者在Arm芯片上开发出了无数的应用，且这些应用涉及到游戏和影音等多个领域，如何让芯片跑起来这些原本是基于Arm架构开发的应用，或者是吸引开发者基于RISC-V芯片开发相关软件，无论哪个，都会是一个巨大的挑战。

首先，因为现在的手机系统基本都是安卓的，如果RISC-V芯片想打进手机，如何让其流畅跑起各种安卓UI是第一步；其次，得到谷歌的支持也很重要。因为现在谷歌的NDK只是对Arm和X86架构支持，说服让他们将RISC-V纳入其中，才是接下来谈其他可能的前提。

再次，还是以苹果为例，最近他们把电脑的Intel X86处理器换成了其基于Arm架构设计的M1处理器。在软件方面，一方面，他们基于其自有系统和生态优势，吸引开发者兼容他们的处理器；另一方面，他们重新拿出了当初从Power转向X86时候的武器——二进制编译器软件，这次他们推出的是Rosetta 2。

据介绍，在使用M1芯片的Macbook上装了Rosetta 2之后，可以有效地将大部分基于Intel开发的应用程序翻译成Arm芯片看得懂的代码，也就是可以让原本在Intel处理器环境下开发的软件在基于M1芯片推出的Macbook上运行。虽然这并不是一个百分百有效的翻译，也不是每个应用都能借助其翻译，在实际体验中，应该也做不到跑在原生环境上那么流畅，但最起码能跑起来。

同样的方法可以应用到潜在的RISC-V芯片上，这也是当年英特尔想做的。当初他们推出X86手机芯片之后，就在搭载其芯片的手机中带来了一个这样的二进制编译软件，不过当初的整套体验，是非常不好的，这也加速了Intel手机芯片业务的死亡。这方面的困难，RISC-V阵型也不能轻易克服。

此外，类似游戏的SDK等各种的支持，也是参与者必须考虑的问题。因为笔者对技术了解不深，所以在这方面就不再深入探讨。但总结而言，只有让谷歌、开发者、手机厂商和消费者都投入其中，才有RISC-V成功的可能。

当然，如果像苹果这样自己控制软硬件生态的厂商做出RISC-V的选择，会相对简单。但苹果图什么呢？