开源硬件再吹新风潮，RISC-V要打破CPU巨头的垄断

绘图芯片大厂Nvidia每年在GPU里使用3亿颗SoC芯片，3年前突然决定改采开源自建芯片，不到半年，另一家储存大厂WD也喊出年超过10亿个SSD控制器核心要以同样开源架构取代，还一连推出3款非Arm设计的CPU产品，甚至在全亚洲已有超过2千万只智慧手环、手表使用的SoC芯片，同样来自开源，就连去年出货7百万支5G手机的三星，未来都要改用开源架构设计专用5G芯片。

一个开源芯片设计新架构，正在硬件产业掀起新革命。

开源硬件早就有，但能影响全世界的专案非常少

开源硬件（Open Source Hardware）不是新观念，早在1997年，当时定义“开源”一词的开源界元老Bruce Perens也同时提出了硬件也能开源的想法， 然而，多年下来，硬件产业对于开源硬件产品的接受程度，远不如软件产业。

2005年，昇阳就将自家处理器的电路设计源代码公开，成立了OpenSPARC专案，但后来也无疾而终。2010年时，因为3D打印、自造者运动蔚为潮流，才在全球掀起一股开源硬件的风潮。微控制器开发板专案Arduino就是当时最知名的代表之一，电路图直接采创用CC授权释出，并以LGPL和GPL授权释出软硬件产品授权，任何厂商都可用来客制自己的版本。后来爆红的树莓派Raspberry Pi，也是类似Arduino的开发板产品，但是树莓派只是开放硬件，将其开发板的电路图公开，但仍采用商用授权的Arm架构芯片为控制核心。

其他知名的开源硬件如开源显卡专案Open Graphics Project，开源3D打印RepRap等，甚至有许多种硬件领域，都有开源专案出现，如开源电话Openmoko、开源网络NetFPGA、开源电子音乐专案MIDIbox、开源相机AXIOM、开源无人机ArduCopter等。

尽管开源硬件专案不少，但没有一个，成了足以和主流技术媲美的新选择，直到近来，开源精简指令集架构技术RISC-V专案的出现。这是一个新兴的开源硬件技术，试图从CPU层级的硬件开源来提供各种客制化芯片的需求。

从软硬件架构来看，软件是一支支应用程序，需要有硬件才能运作，由于两者使用语言的不同，软件程式没办法与硬件的CPU直接沟通，得先转换为对方能理解的硬件语言，CPU才能依据收到的程式指令来执行，这个用来与处理器沟通的主要界面，也就是指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA），才能让软件在处理器上执行。

更进一步来说，CPU的指令集架构，就是建立一套共同规则，来描述系统组成的框架，让软件和硬件共同遵守这些CPU设计规则，并以指令形式来去描述它，每个指令的格式和用途都不同，对应到的硬件执行方式也有所差异，比如乘加法运算或存取内存资料等。这些指令的执行方法、运作方式，就形成一个指令集架构，ISA还定义了系统的组成，包括暂存器、内存定址等，最后透过各种微架构技术的应用，具体实作在CPU设计上。当CPU执行应用软件时，程式会先透过编译器将每支程式编成该指令集架构可执行的机器语言，再送到处理器硬件上来执行，每个指令都会让CPU执行特定的动作，包括搬移资料、执行运算或是改变控制流程等。

曾在国网中心担任副主任的交大资工系教授陈添福，是打造出全球前20大超级电脑台湾杉2号的主要建置负责人，他认为，指令集架构之所以重要，因为它不只决定了硬件的实作方式，也决定了其搭配软件的工具链，包含编译器、除错器、SoC开发套件系统等，一旦要改用其他家CPU 指令集做设计，所有软硬件设计方式全都要改。这也是为何x86架构始终独占PC，而Arm则独大行动与嵌入式装置的原因。

RISC-V要自己变成处理器界Linux

目前主流CPU的指令集架构，主要分为两派阵营，一个是复杂指令集（CISC），以Intel独大的x86架构为主，特别强调处理器运算效能，最常使用在PC或高效能服务器的运算设备上；精简指令集（RISC）则是另一派，由Arm独占鳌头，以提供高度省电的CPU设计为主，在行动和嵌入式装置上有广泛应用。

继x86、Arm以后，RISC-V近来也备受瞩目，成为了硬件业界所关注的一门CPU指令集架构新技术，甚至逐渐壮大成为第3大主流CPU新势力的趋势。

但与传统封闭ISA架构不同，RISC-V是一个采用开源的精简指令集架构。这个指令集架构最早是由学术圈发起的一个开源芯片专案，由位于美国加州大学柏克莱分校的一群Par Lab实验室团队，在2010年夏天开发设计完成，从设计到完成开发仅花了三个月，背后更有英特尔、微软大力资助。而RISC-V的研究成果，包含RISC-V处理器实作和新的开源硬件描述语言Chisel，后来也以BSD授权方式开源，代表也可提供做为商业使用。不过，RISC-V的ISA规范本身，则以创用CC授权释出。

RISC-V的开源之所以很重要，在于它替硬件产业建立一个共通的ISA开放标准。就连RISC精简指令集技术共同发明人David Patterson都认为，“RISC-V将能成为处理器界Linux。”他也是RISC-V专案成员之一。

在RISC-V推出之前，CPU的指令集架构都由x86和Arm两大阵营主导，均未对外开放，硬件厂商如果想要用这些架构来开发自己的CPU，只能跟指令集拥有者取得授权。除了得支付庞大授权金，在设计CPU时，就只能根据对方提供的功能规格来设计，很难客制，想要开发新应用或增加新功能，如果授权方没提供，这时，就只能等待。就连我们跨海采访到的RISC-V基金会首席执行官Calista Redmond都强调：“就像开源软件解放整个产业一样，RISC-V致力于打破处理器设计的独占。”

2014年时，RISC-V技术正式进到商用市场，短时间就迅速在硬件业界窜红，不只吸引为数不少的硬件新创采用，更有许多科技、芯片大厂纷纷力拱，包括Google、Nvidia、三星、高通等相继投入，甚至有硬件厂更要把它放进自家主力产品，例如，储存厂商Western Digital决定每年采用10亿颗RISC-V核心来打造SSD储存产品，Nvidia在开发新一代GPU时，也采它设计新的CPU运算架构。就连三星今年将推出的5G新手机都要用。尽管，大多仅是辅助，而非当作最主要的CPU，但也意味着，开源开始走进了封闭硬件产业。

从技术上来看，RISC-V最大特色就是扩充性。不像Arm架构指令集，除了必要的基本指令和一些自选扩充指令之外，RISC-V指令集本身预留了一个客制指令空间（custom instructions）的扩充弹性，以32位元RISC-V指令集为例，RISC-V本身提供相当于4个25位元长度的指令扩充空间，可供用户替CPU增加专用指令，单是一个25位元的空间，就可以定义300个指令，4个合计就多达1,200个指令，这也意味着，大大增加CPU使用上的运用弹性。这正是RISC-V处理器的优势。

其次，RISC-V本身设计也相当简洁，只需要较少指令就能在硬件上执行，这样的好处是，CPU设计更容易，也较不占空间，执行速度也可以更快。RISC-V还提供了一些自选指令的扩充，采用者可视应用需求，自行搭配组合常用的RISC-V指令，目前常见扩充指令，像是有整数乘除法、不可中断指令（Atomic）、单精度／双精度浮点运算、压缩指令等等。单是标准指令加上扩充指令（M、A、F、D、C），仅不到140个指令就能实作出一颗完整功能的CPU，相较之下，Arm指令集数目最少数百个以上，例如，ARMv8就超过500个指令，指令格式种类也比RISC-V多一倍。

有了这些指令运用的弹性以后，硬件厂商现在设计CPU时，可以选择加入更多条指令， 来满足更高效能CPU设计的需求，或是仅使用较少指令，来处理简单的运算任务，以降低开发成本，端看应用需求。也就是说，亦有可能设计出一个CPU，需要执行程式码比之前体积更小、更轻量，从而减少内存需求，也能成为降低能耗的关键。对于采用者来说，也较不容易受到特定厂商绑定的影响，使用上也更具弹性，小从IoT芯片，大到AI加速器都能用。这也是为何连三星、Nvidia、WD这些硬件大厂都要采用的原因。

曾自创32位元指令集商用处理器的亚洲第一人，也是晶心科技技术长苏泓萌就分析，RISC-V兴起的两大关键，一来是各种新兴应用的出现，对于处理器使用差异极大，因此，需要有一个更有弹性而且开源的设计架构，才能满足特定一类领域应用的需求。二来是通用处理器效能遭遇成长瓶颈，所以，业界希望彻底翻新指令集改用新架构，来提高执行效率，从而改善效能，让同一代CPU能用更久，这也使得RISC-V趁势而起。

只不过，RISC-V不是第一个开源的精简指令集，在这之前，已有其他发展多年的开源ISA问世，如OpenRISC、SPARC、MIPS等。但不同的是，RISC-V背后还有一个强大开放、协作社群当后盾，来带动RISC-V生态系的持续成长。

RISC-V社群成长迅速，在第一年举办RISC-V年度高峰会时，当时参加人数不到数百人，2年内就发展成为2千人规模的大型技术会议，开始在美国以外地区举办多场技术讲座、研讨活动，推广RISC-V。去年，也首次移师台湾举办。（上图为第一届高峰会）图片来源／RISC-V基金会

独立运作的RISC-V基金会，成为扩大生态系发展的关键

RISC-V社群成长迅速，在第一年举办RISC-V年度高峰会时，当时参加人数不到数百人，2年内就发展成为2千人规模的大型技术会议，并且着眼于全球各地使用者的增加，开始在美国以外地区举办多场技术讲座、研讨活动，推广RISC-V。去年，也首次移师台湾举办。

RISC-V社群规模之所以能成长如此快速，背后还有一个重要原因，就是成立了独立运作的RISC-V基金会组织，来负责统筹管理和推动整个RISC-V社群能够稳定与健全发展，成为扩大生态系发展的关键。

2015年时，RISC-V基金会刚成立，就吸引不少企业组织、学术机构及个人会员加入，从刚开始成员仅不到百名，之后更迅速发展成为全球规模的经济生态圈，从去年的235名会员，到了2020年翻倍成长达到491名会员的规模，成员更有来自全球27个国家、横跨6大洲。而且许多企业会员，都是一线科技、硬件大厂，包括Google、IBM、微软、三星、高通、联发科、Nvidia、WD等，也替社群带来重要贡献，成为加速整个RISC-V生态圈发展的重要推动力。

例如，原本就有自己设计客制TPU加速芯片的Google，除了贡献了自行开发的一个RISC-V芯片设计验证平台，去年，还在以它为首成立的CHIP开源硬件联盟，指定RISC-V做为该联盟主要芯片设计的指令集架构，让硬件厂商可以使用它开发新的芯片设计以支援运算的需求。之后，还有另一个Google开源RoT（信任根）安全芯片专案OpenTitan，同样也采用它来设计其安全硅芯片，未来可以放进服务器主板、网络卡、物联网等装置的重要系统元件，来验证其启动是使用经过授权及验证的程式码。就连开源安全芯片，现在也都有RISC-V的身影。另外，WD则贡献了自己的储存硬盘控制器核心，包含了RTL程式码，还进一步开源释出，要让人人都能用。

有了更加活跃社群，RISC-V生态系也迅速发展和成熟，例如在操作系统方面，目前RISC-V已能支援Fedora、Ubuntu、Suse等各种Linux操作系统版本，而且就算是RTOS即时操作系统也都能用，如亚马逊FreeRTOS、Zephyr等；另外，在开发工具部分，也有主流的开源编译器加入RISC-V支援行列，如LLVM 、GCC，并也能使用其他语言的编译器，如Go等，除错工具现在也支援GDB、OpenOCD等工具。在模拟器方面，也提供了多家工具的支援，包括QEMU 、Swerv-ISS 、Imperas、FireSim、gem5等。

不仅如此，RISC-V基金会还找来全球最大开源社群Linux基金会跨刀合作，并由该基金会亲自传授社群经营、技术和市场战略，就是为了能让RISC-V跟Linux生态系一样壮大。

RISC-V的兴起，也加速开源硬件普及与创新

这样一个芯片层级的开源硬件技术，不只影响硬件产业，也加速了开源硬件的普及与创新。 根据该基金会官网提供的最新数据，目前至少已有超过80多个CPU核心或SoC平台皆采用RISC-V方式实作，也能对比到Arm各产品系列。除了可供商业使用外，其中不少是以开源释出，像是WD的SweRV EH1、LowRISC的Ibex、ETH Zurich的Zero-riscy核心的实作成果，目前皆已放上GitHub程式码代管平台。

又以Raspberry Pi为例，过去，虽然其采用开放硬件架构，但处理器核心仍使用了较为封闭Arm架构，现在出现RISC-V技术以后，未来也可选用更开放的指令集架构，来设计成Raspberry Pi的CPU。就连开发与维护的树苺派基金会也在去年决定加入，成为RISC-V社群的贡献者。

在市面上，目前已有推出不少采用RISC-V处理器设计的硬件开发板及套件，如HiFive1、Perf-V、Sipeed Maixduino Kit等，开发者也都能拿来做开发。

在应用方面，RISC-V的使用也更加多元， 涵盖多种装置或设备，从IoT、AI、边缘运算装置、储存装置，到资料中心相关网络设备都有。

三星也开始将RISC-V技术带进智能手机，用于开发手机AI影像感测器，可以提供即时脸部侦测、辨识和更快自动对焦。 另一家硬件厂GreenWaves同样推出采用其设计的小型AIoT应用处理器，也能用于人脸辨识的侦测、影像分析等。因为是采用客制指令，特别加速对于神经网络推论的执行，能提供多达 50 GOPS的运算力，而且更省电，功耗不到50毫瓦。另外，Nvidia也曾公开展示一个更大型AI深度学习加速器，里面也整合了RISC-V处理器，用来做为加速器I/O元件核心。

开源RISC-V催生出新商业模式，连传统Arm都备感威胁

虽然，RISC-V拥有高度弹性，任何人都可以基于RISC-V制作属于自己的CPU，不过也不是说任一家硬件公司都能自己做，实作上仍有相当程度的技术门槛，需要具备多领域专业知识，才能开发出符合其需求的处理器产品。

因应这种开源客制芯片的设计需求，也催生出新商业模式，SiFive是其中代表，这家公司是由柏克莱大学RISC-V专案发起人在2015年所创立，背后更有三星、英特尔、高通大力投资，其商业模式，也跟Arm类似，以提供处理器核心IP产品设计为主，但不同的是，它采用了开源RISC-V指令集架构，就像Linux的红帽，替硬件厂提供各种商用RISC-V芯片设计服务，其他芯片设计业者，如台湾的晶心科技、Codasip、Bluespec和Cortus等也有提供类似服务。

在行动CPU市场领先的Arm看到RISC-V正急起直追，Arm决定改变策略，不再坚持采用过往较封闭的作法，也开始松绑指令集使用限制，让企业可以用它来加快创新。连像Arm这样封闭的一家大型芯片IP公司，也开始受到开源的影响。

尽管，在大型企业应用市场上，仍以x86架构为主，但RISC-V社群也持续加强在企业端应用的支援，像是提供了hypervisor扩充指令的支援能力，可以在RISC-V的 CPU上使用虚拟化功能，目前KVM已可支援。最近，企业级开源软件巨头红帽也决定加入，成为RISC-V基金会的银级会员，未来也将协助RISC-V推动在企业Linux、混合云、容器和Kubernetes技术的相关发展。连英特尔目前也投入RISC-V相关。

Semico研究机构的预测，到了2025年，市场采用RISC-V的CPU总核心数将达到624亿颗，其中工业会是主要应用市场，其次是交通运输、通讯、消费及个人电脑等领域。

过去，开源硬件难以跨入硬件产业，现在，因为有了RISC-V的出现，使得以前封闭的硬件世界变得不一样，转而也开始拥抱开源， 即使现今RISC-V的发展仍处于早期阶段，也尚未建立成熟的生态系，但当越来越多的芯片和设备制造商加入，使得RISC-V技术渐趋成熟，生态系不断壮大， 总有一天，开源硬件吃掉全世界的愿景也能成真。

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