撼動處理器雙雄獨占局勢，RISC-V掀起開源架構新風潮

為何一個由學術圈發起的開源硬體專案RISC-V，過去短短幾年在硬體業界迅速竄紅？不只Google、Nvidia、三星、高通等硬體大廠、科技巨頭押寶，更有許多新創晶片業者加入，甚至連行動處理器龍頭ARM都備感壓力。曾自創32位元指令集商用處理器的亞洲第一人，也是晶心科技技術長蘇泓萌，近日也深度剖析RISC-V背後的技術細節，以及將如何影響未來處理器發展及應用趨勢。

開源硬體RISC-V的出現，掀起新一波運算架構風潮

在業界擁有十多年商用處理器開發經驗的蘇泓萌，過去不只負責CPU產品開發及技術研發，更是一手主導開發出亞洲第一個自有指令集32位元處理器的關鍵人物，也是晶心科技成立加入的第一個員工，晶心科技在幾年前決定投入開發商用RISC-V產品時，蘇泓萌更一肩扛起產品技術研發的重擔。

一般來說，在設計一顆處理器很常用到的指令集架構，主要有複雜指令集（CISC）與精簡指令集（RISC）兩類，前者以Intel獨大的桌面x86處理器為代表，後者，則是多用於ARM獨占的行動處理器。但是，近來，另一種新興精簡指令集架構RISC-V，開始迅速在開源硬體圈竄紅。

該指令集最早是由加州大學柏克萊分校幾年前設計並發布，除了有來自2017年圖靈獎得主，也是RISC精簡指令集技術共同發明者David Patterson親自操刀，背後更有美國國防部DARPA大力資助。雖然2010年就已完成設計，但是直到2014年時，RISC-V正式推出第一版後，才獲得業界更大重視。

RISC-V正式推出後，很快就吸引為數不少的企業採用，晶片新創如SiFive等，後來，主要晶片大廠、科技巨頭相繼投入，包括Google、Nvidia、三星、高通等，甚至有硬體業者計畫要把RISC-V架構放進自家主力產品，例如，儲存廠商Western Digital決定每年採用10億顆RISC-V核心來打造儲存產品，Nvidia在開發新一代GPU時，更決定改用RISC-V微控制器，取代現有Falcon架構。就連三星也要開發自己的RISC-V晶片。

RISC-V開源架構興起有兩大關鍵驅力

RISC-V指令集架構之所以越來越重要，蘇泓萌分析有兩大關鍵驅力，一來是各種新興應用的出現，替現有CPU運算架構帶來新挑戰，尤其不同應用領域，對於處理器使用差異極大，特別是AI、5G應用場景，因此，需要有一個更有彈性而且開源的架構，才能滿足特定一類領域應用的需求；二來，通用處理器效能遭遇成長瓶頸，使得算力無法跟上應用需求，與以往每兩年翻新一代CPU的作法相比，現在不僅處理器技術更新時間變長，需要付出的成本更高，所以，業界希望徹底翻新指令集改用新架構，來提高執行效率，從而改善效能，讓同一代CPU能用更久，這也使得RISC-V趁勢而起。

蘇泓萌形容，RISC-V就是設計更為精簡的RISC指令集，但要說明RISC-V的重要性，得先從指令集架構談起。

一顆處理器為何需要指令集架構（ISA）？ 蘇泓萌指出，所謂的指令集架構，就是一種軟體與底層硬體的溝通介面，想要讓軟體能夠在CPU上正常執行，就需要有一個指令集來去描述它，硬體才會知道接下來要執行哪些動作，如乘加法運算等，如果沒有指令集從旁協助，做為軟體與底層硬體之間訊息溝通平臺，上層應用軟體就沒辦法在CPU上執行。

更進一步來說，指令集就是提供這些指令，讓軟體工程師能以熟悉程式語言，如C語言，來執行各種底層硬體的操作，以RISC-V為例，這些應用程式碼寫完後，會先經過編譯器轉成機器語言可執行的RISC-V指令，再送到處理器硬體上來執行，由處理器上面的邏輯電路、控制電路，依照這些指令來一道一道執行，完成相應工作，如乘除運算或存取記憶體資料等。

RISC-V本身最多能容納1,200個客製指令

從技術上來看，蘇泓萌認為，RISC-V最大特色，就是擴充性。不像ARM架構指令集，除了必要的基本指令和一些自選擴充指令之外，RISC-V本身預留了一個客製指令的擴充空間（custom instructions），而且這個指令客製空間相當充裕，以32位元RISC-V指令集為例，RISC-V本身保留相當於4個25位元長度的指令擴充空間，可供用戶替CPU增加專屬指令。蘇泓萌舉例，光是一個25位元的空間，就可以定義300個指令，4個合計就多達1,200個指令，這也意謂著，大大增加CPU使用上的擴充彈性。「這是它與ARM的最大差別。」他說，這正是RISC-V的優勢。

蘇泓萌舉例，特別在執行一些高效能應用時，如AI推論等，就需要有這樣的彈性。這是因為，為了追求更高處理效能，所以，硬體廠商在設計CPU時，常常會加入不一樣的客製化指令，來加速AI運算，現有的CPU設計沒有足夠彈性，遇到新應用或新作法時，沒辦法馬上調整，得等到下一代產品設計，但RISC-V架構就很適合客製。

設計簡潔則是RISC-V處理器另一大特色，只需要較少指令就能在硬體上執行，蘇泓萌說明，這樣的好處是，硬體設計更容易，也較不占空間，執行速度也可以更快。目前光是RISC-V標準加上自選指令（M、A、F、D、C），僅不到140個指令，相較之下，ARM指令集數目最少數百個以上，例如，ARMv8就超過500個指令，指令格式種類也比RISC-V多一倍。除了必要指令外，RISC-V本身也提供了一些自選擴充指令，企業用戶可視應用需求，自行搭配組合常用的RISC-V指令，目前常見自選擴充指令，像是有整數乘除法、不可中斷指令（Atomic）、浮點運算（單精度／雙精度）、壓縮指令等等。

雖然RISC-V有這些彈性，任何人都可以基於RISC-V製作屬於自己的CPU，但蘇泓萌也強調，設計者必須要是專業CPU設計廠商，才具備有這方面領域的技術知識，並非任何一家公司都能自己做，實作上仍有相當程度的技術門檻。

AI、AIoT、5G應用領域將是RISC-V發展的重要關鍵

不過，現今主流的商用RISC處理器，仍以ARM主導，蘇泓萌則認為，RISC-V未來更大發展，將聚焦AI、AIoT、5G等新興應用領域，甚至他更大膽預測：「5年後，RISC-V晶片出貨量將能超越ARM。」

以AI應用為例，他指出，由於目前許多AI應用場景，仍處於發展階段，並不如手機、PC市場成熟，因此，至今還沒有一個通用CPU標準，可以說自己是Perfect for AI，即使是同一個語音辨識應用，大家現在用的演算法、加速運算方式也有所差異，而直接影響到硬體設計方式，這正是RISC-V的長處，可以量身打造專屬功能的硬體，來貼近應用本身需求，「因為RISC-V是Perfect for Adaptation、Perfect for Customization，」他表示，這也是RISC-V一大機會。

即便是現在手機裡的處理器，將來也都能改用RISC-V來設計。因為，一隻手機裡並不是只有一顆CPU，而是有很多顆，除了主要處理器是採ARM架構，還有許多次要CPU在手機裡，來負責提供周邊功能，如Wi-Fi、藍牙、螢幕觸控等。另以系統來看，也是如此，雖然目前主要CPU還是Intel獨占，但是需要加速運算部分，現在可採用其他處理器，這些也是RISC-V擅長之處，就連儲存和GPU也都能用。蘇泓萌強調，RISC-V處理器更大目標要取代現在主要CPU。

再者，RISC-V架構上完全開源無須授權，因此，對於採用者來說，較不容易受到特定廠商綁定的影響，使用上也更具彈性。小從IoT晶片，大到AI加速器都能用。

在行動CPU市場領先的ARM看到RISC-V正急起直追，ARM決定改變策略，不再堅持採用過往較封閉的作法，也開始放寬指令集使用限制，讓企業用戶能夠在原本取得IP設計授權的CPU指令集內增加新指令，但未含手機常用的高階Cortex-A處理器系列。

獨立運作的RISC-V基金會，成為擴大生態系發展的關鍵

就像Linux如今已經成為軟體界的開源OS代表，RISC-V也有望成為處理器界Linux，讓所有運算裝置都能用。─── 晶心科技技術長 蘇泓萌　　（攝影／洪政偉）

RISC-V不是第一個開源的精簡指令集，在這之前，早已有其他發展多年的開源ISA問世，如OpenRISC、SPARC等，不過，蘇泓萌直言，RISC-V最大不同，就是成立一個可以獨立運作的RISC-V基金會，來負責統籌管理和推動整個RISC-V生態系的穩定與健全發展。

2015年時， RISC-V基金會成立，短短不到4年，成員快速成長，除了許多新創，更有Google、三星、高通、Nvidia等知名大廠加入，大大加速了整個RISC-V生態的發展，截至今年12月，參與會員數達到325個，包含軟硬體廠商、學術機構和個人會員等。而且還與另一家知名開源軟體Linux基金會合作，來共同推廣RISC-V。今年上半，更首度在臺舉行RISC-V技術研討會。

在這一波開源硬體浪潮中，臺灣沒有缺席，晶心科技就是RISC-V基金會創始成員之一，共同協助推動RISC-V生態系的發展，該公司在2017年底時，更開發完成第一款商用RISC-V處理器IP產品，也是臺灣第一家。今年初，該公司更將原先自家處理器產品使用多年的DSP指令集（RISC-V P-extension）捐贈給RISC-V基金會，目前該指令已經成為自選的RISC-V擴充模組之一。

隨著更多硬體與軟體廠商投入，RISC-V生態系正在迅速發展和成熟，例如在作業系統方面，目前RISC-V已能支援Fedora、Ubuntu、Suse等各種Linux作業系統版本，而且就算是RTOS即時作業系統也都能用，如亞馬遜FreeRTOS等；另外，在開發工具部分，今年也有主流的開源編譯器正式加入RISC-V支援行列，如LLVM 9.0等。除此之外，蘇泓萌提到，接下來，還會加入各種應用及中介軟體的支援，而且將朝向更高效能的處理器來發展，同時強化安全性。

今年到目前為止，已取得授權使用晶心RISC-V產品的國內外業者，多達100家，涵蓋多種裝置或設備，包括儲存、藍牙、無線網路裝置，甚至是資料中心伺服器的AI推論加速器都有。蘇泓萌表示，這些RISC-V商品最快明年問世，同時，他也看好明年RISC-V更大需求，會在Edge端，這也意謂著，將有機會影響2020年微處理器市場的競爭局勢，「明年肯定精彩可期。」他信心滿滿地說。

就像Linux如今已經成為軟體界的開源OS代表，蘇泓萌說:「RISC-V也有望成為處理器界Linux，讓所有運算裝置都能用。」文⊙余至浩

CTO小檔案

蘇泓萌

晶心科技技術長暨執行副總

學歷：美國伊利諾大學香檳分校計算機系博士

經歷：曾一手主導開發出亞洲第一個自有指令集32位元處理器IP，早前也擔任過智原科技的設計架構長，負責CPU及DSP專案研發、技術支援銷售，更在美國矽谷累積10多年業界經驗，協助如昇陽電腦等硬體大廠完成商用處理器的開發，如今，更一肩扛起晶心RISC-V產品研發的重擔

晶心科技

● 公司地址：新竹市公道五路三段1號10樓

● 成立時間：2005年

● 主要業務：32位元處理器為核心的SoC設計平臺

● 網址：www.andestech.com

● 創辦人暨董事長：蔡明介

● 總經理：林志明

● 員工數：約170人

● 年營收：約3.04億元（2018年）

公司大事紀

● 2005年：Andes Technology成立

● 2006年：完成第一版32位元處理器AndeStar的指令集架構

● 2007年：完成SoC開發平臺AndeShape AG101P的開發

● 2008年：發表第一代以FPGA為基礎的開發板、完成BSP 2.0最佳化工具鏈

● 2009年：32位元AndeStar處理器指令集發布第2版、開源釋出自有開源碼開發工具OSDK

● 2010年：L2快取記憶體控制器開發完成

● 2011年：完成MCU專用偵錯器

● 2016年：加入RISC-V基金會，成為創始會員，協助推動RISC-V生態系發展，也用來開發商用RISC-V處理器IP產品、新版客製化SoC架構ACE完成，可以支援更多指令客製化功能、開發出適用物聯網應用的新款處理器、設計平臺

● 2017年：在臺掛牌上市、完成開發基於RISC-V的第五代AndeStar V5指令集架構

● 2019年：將自有的DSP指令集捐贈給RISC-V基金會，讓晶片業者可以用它來設計專屬應用CPU

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