【CSDN 編者按】根技術，近年來頻繁被提及的一個詞語，也是當前國產作業系統、資料庫等基礎軟體，以及晶片領域被寄予厚望的一個重點發力方向。構建技術樹，只有根深才能葉茂，本固方有枝榮。然而，說起來容易做起來難，基於頗為嚴峻的「缺芯」困境，我們究竟該如何破局？在主流的 x86 和 Arm 賽道上，RISC-V 能否走出屬於自己的第三條道路？
在 2022 長沙·中國 1024 程式設計師節大會的《算力和晶片的挑戰與突破》主題論壇上，我們邀請到了從學術圈走入產業界，在晶片領域耕耘多年，曾任職浙江大學、杭州中天微系統有限公司、阿里巴巴平頭哥半導體有限公司，前玄鐵處理器核的主要研發負責人，現為進迭時空創始人兼 CEO 的陳志堅博士，剖析當前國產晶片的現狀，分享其構建晶片根技術的心路歷程，探索以 RISC-V 為核心的中國 CPU 發展路徑。
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整理 | 小雨青年 責編 | 屠敏
以下為陳志堅博士的演講全文：
陳志堅 進迭時空創始人兼 CEO
根技術是什麼？
所謂根技術，顧名思義，就是所有技術的根，其他的技術都是基於這些根技術而逐步生長出來的。以最常用的智慧手機為例，我們日常接觸到的往往是智慧手機的外機，包括界面和 App 軟體。在智慧手機計算系統裡，根技術包括計算晶片、作業系統等。
近幾年，根技術開始被眾人了解並熟知。以現代資訊社會而言，根技術包括：
架構、晶片與計算系統，這是資訊技術的硬體之根；
作業系統和軟體，這是資訊技術的軟體之根。
除了硬體和軟體之根之外，還有非常重要的晶片製造，它是硬體之根的根。放眼全球晶片製造領域，主流的市場主要被國外的公司所持有，包括三星、英特爾、GlobalFoundries ，而國內主要是中芯國際（SMIC）為代表 。
另外，開源體系打造了牢固且非常重要的根基組織，它是未來主流的孕育技術、產生技術和產生產品的一種方式。過去很多人容易認為開源技術是會被全球所共享的，但如今看來，實際並不然。開源技術從產出途徑上來看，確實是全球開發者共建的技術成果。但是，以程式碼為例，它存放的伺服器以及運營這些開源技術的基金會是有地域限制的，而因為地域、政治等因素，開源也存在一定的侷限性。
從類別上，智慧手機、PC 機、平板電腦、雲端運算的底座和雲伺服器都屬於計算系統。進一步細分下來，計算系統的根技術主要包括：
指令集，計算晶片作業系統資料庫最底層的是指令集；
基於指令集之上的是計算晶片；
作業系統，遮蔽了計算晶片的硬體差異化，留給軟體開發的一套接口或標準；
資料庫，用於雲端運算領域的大型軟體。
國內市場中，無論是指令集、計算晶片、作業系統，還是資料庫，主流的市場一定程度上依然被外企持有。從計算系統的角度來說，指令集是計算系統根技術裡面的根。中國是世界上最大的算力消費國，但是卻不是世界上的算力生產國。究其原因是指令集目前被國外所把控。
指令系統的演變
縱觀計算系統的發展歷史，有出現過很多的指令集，比如貝克的 Alpha 架構、後來的英特爾的 x86 架構，再到後來的 Sandy Bridge 架構、 MIPS 架構、 Power 架構等等。不過隨著時代的演進，絕大多數的架構都逐步放到了歷史的博物館裡。
當今我們接觸比較多的是 x86 架構以及 ARM 架構。x86 架構是全封閉的指令架構，被英特爾和 AMD 公司所享有。
ARM 架構是一個半封閉的架構，它採取了跟英特爾不一樣的商業模式。英特爾的商業模式是公司持有架構，基於架構開發晶片去賣晶片。而 ARM 架構是公司研發架構，基於架構來開發處理器核，然後把處理器核賣給晶片公司，晶片公司集成處理器核，再賣到客戶手裡。相比 x86 的商業模式，ARM 的商業模式更有利於幫助它聚集盟友。ARM 架構誕生於上世紀的 80 年代末到 90 年代初，當時的 ARM 架構相比 x86 架構來說，無論是指令集的能力還是性能都遠不足 x86 架構，但這並不妨礙 ARM 架構逐步地完善，並完成算力佔比的逆襲。現在在全球的算力輸出中，ARM 架構已經佔到了 80% 以上。
回顧整個指令架構的發展歷史，可以總結出兩個規律：
第一，指令架構是一個高度馬太效應的事物。當一個指令架構有越來越多人用的時候，就意味著其生態壁壘越來越高，能夠聚集越來越多的開發者。側面來看，開發者投入到其他架構上的時間和精力少了，導致其他架構的發展完善度逐漸減弱，直到放棄。
第二個，指令架構的競爭不是技術層面的競爭，更多的是商業模式的競爭。ARM 架構開始不如 x86 架構，它之所以一步一步實現了對 x86 架構的逆襲，根本原因是它在商業模式裡採取了更開放的合作方式，它把利潤的「小頭」放在了自己身上，把更大的晶片的利潤交給了晶片公司，這樣使得晶片公司願意去跟 ARM 公司合作。
RISC-V 架構是一個更加開放指令架構。它起源於柏克萊 2010 年暑期的計劃，2015 年開始以基金會的方式去運營，到 2021 年以基金會運營 6 年的時間已經完成了出貨量 100 億顆的成績，這是一個非常快的速度。
RISC-V 的崛起
x86 架構是伴隨著網際網路的時代發展的，而 ARM 架構是伴隨著移動網際網路的時代發展的，那 RISC-V 架構它的下一個應用在哪裡？它的下一個超級可能性在哪裡？
個人的觀點是智慧物聯網。在物聯網概念被頻繁提及的今天，大家仍然對智慧物聯網的認知很低，容易理解為它是一種算力比較低的設備。
網際網路實現了資訊的互動和互通，移動網際網路實現了人與人之間的資訊互動與互通，智慧物聯網實現的是物和物之間的資訊化互聯。車作為物的一種，車聯網和智慧機器人網也隸屬於智慧物聯網的範疇。
三個不同時期設備規模的變化如下圖所示。在 PC 機的網際網路時代，設備出貨量在 1 億到 2 億臺左右。在移動網際網路時代，設備出貨量大致提升 10 倍，規模在 10 億到 20 億臺。而到了智慧物聯網的時代，設備的出貨量會遠超百億臺。
再看根技術，每一個時代的根技術也是不一樣的。網際網路時代的根技術是 x86 架構，它是一個封閉的指令架構，同時搭載在硬體之上的 Windows 是一個封閉的作業系統。到了移動網際網路時代，ARM 就演變成了半開放的指令架構，而它的主流作業系統 Android 就是純開放的作業系統。如今的智慧物聯網時代，需要一種更為開放的指令架構以及作業系統。
AIoT 時代應用的多樣化與 RISC-V 的優點是高度吻合的。RISC-V 的開放性、設計的簡潔性以及功耗的優勢，都非常符合 AIoT 時代的場景。得益於可定製、可擴展的特質，RISC-V 架構更容易面向 AIoT 細分領域應用去設計出具有針對性和競爭力的核，從而更適配特定場景的應用需求。這正是它跟 ARM 完全不一樣的地方。ARM 提供的是標準處理器，為了最大化商業價值，其在設計處理器核時主要面向各種通用領域，不限定具體的場景，而 RISC-V 的可定製化恰恰是它面向 AIoT 時代重要的優勢。
目前為止，RISC-V 架構的軟體生態還不成熟，如何展望它的未來發展？
首先，我們要對 RISC-V 的發展有包容心和戰略耐心。x86 架構和 ARM 架構軟體生態的完善度也不是一次生成的。x86 架構是上世紀 70 年代末 80 年代初開始發展的，到現在已經有 40 多年的歷史。ARM 架構是上世紀的 80 年代末 90 年代初開始發展的，到現在也有 30 多年的歷史。打個比喻，如果說 x86 和 ARM 宛如一個成熟的中年人以及青年人，那麼 RISC-V 架構還是個小朋友，從它以基金會的形式運營到現在只有 7 年的時間，但是它成長的加速度遠超 x86 和 ARM。
現在 ，RISC-V 除了不支持 Windows、安卓、 iOS 外， Linux 的軟體元件基本上是完善的。因此，對於 RISC-V 的長期發展，我們也應該抱有樂觀主義。回顧 ARM 的發展歷程，它在上世紀 80 年代末推出時僅是一個三級流水線的 DPU，其能力是遠遠不如當時的 x86。但這並不乏妨礙 ARM 一點一點地發展起來。而 RISC-V 在經營模式上比 ARM 架構更先進、更開放，所以它在加速度上已經體現出了優勢。
構建”端-邊-雲”原生的下一個計算時代
軟體開發者基於不同指令架構做開發，會產生與不同指令架構緊耦合的軟體程式碼，其中積累了大量冗餘的重複工作。那麼，這個世界是不是需要有這麼多的 ISA（Instruction Set Architecture，指令集架構），實際上答案是否定的。
以蘋果公司為例，蘋果公司推出的 PC 機起初基於和摩托羅拉、IBM 一起開發的 Power 架構。後來蘋果公司開始轉向 x86 的架構。隨著 M1、 M2 晶片的推出，蘋果公司又轉向 ARM 架構。對於蘋果公司而言，其之前已經積累了大量的應用軟體需要進行遷移，所以他們也開發了二進位制轉譯的技術，包括從 Power 到 x86 轉譯的 Rosetta 1.0、從 x86 到 ARM 轉譯的 Rosetta 2.0。軟體基於不同的指令架構進行遷移開發，對工程師來說是非常沒有意義、沒有必要的。
RISC-V 的架構的出現，讓雲邊端原生一體的下一個計算時代成為可能。我對未來雲邊端時代共用共享 RISC-V 架構持有非常樂觀的態度。RISC-V 架構一定會先從邊開始發展，然後逐步的進入雲端運算的領域，最後再回到 PC 機和手機應用。
我對未來的暢想是，所有工程師都是基於 RISC-V 架構去開發程式碼，它開發的程式碼可以在不同的晶片之間、不同的應用場景之間進行遷移。這樣就把軟體工程師的付出、心血、成果能夠凝聚在一起，而不是反覆在不同的指令架構之間去做搬移、搬運。
中國現在對 CPU 計算的渴求度迫切度非常高，在探索中，中國做 CPU 也走出了三種路徑：
基於他人的指令架構做引進、消化、吸收和創新。典型的像海光的 x86 架構、兆芯的 x86 架構和飛騰的 ARM 架構。這種方式最大的優勢是可以利用x86 架構和 ARM 架構上已經成長的軟體生態。
獨立構建技術體系。典型的像國內的龍芯以及申威。它的自主可控性的程度最高，但是軟體生態上存在不足。
融入開源架構體系。進迭時空就是採用這個路徑。進迭時空看好 RISC-V 並願意基於 RISC-V 晶片開發未來的計算晶片和計算系統。
這三種模式沒有好壞優劣之分，並且在當下的中國都是很需要的，因為它可以面向不同場景，為 CPU 的供給提供不同選擇。
從自身來說，進迭時空選擇 RISC-V 架構主要有三方面的考量：
第一，全球標準。中國一直是世界上最大的算力消費國，但是從來不是算力生產國。背後的原因之一就是我們沒有強大生態的指令架構。RISC-V 的出現讓中國開始有機會參與全球算力的競爭，就像通訊時代的 5G 標準一樣。
第二，全球生態。因為 RISC-V 架構的基金會已經遷移到了瑞士，它正在吸引全世界最優秀的 AP、架構的制定者、愛好者和開發者，圍繞著 RISC-V 做架構標準的制定、軟體生態的開發，它正在匯聚全球共建能力。
第三，全球能量。像 x86 架構、ARM 架構屬於某個公司，生態的發展也與其背後的公司息息相關。這意味著它的能量只能以閉環形式侷限於公司內部。以 x86 架構為例，架構迭代主要通過公司內部完成。以 ARM 為例，主要是依靠 ARM 公司以及它的合作伙伴比如蘋果、Google 推進發展和演進。這種方式很容易讓架構本身的發展跟公司的發展緊密聯繫在一起，一旦公司發展得不行，架構也就慢慢地消亡。RISC-V 架構則不是，它是全球共建、全球共享，匯聚了世界上最優秀的工程師圍繞著它做開發。以 RISC-V 的 vector 架構為例，當 ARM 在 V8 時代，它的計算採用的是 SIMD 的技術。到了 V9 架構時代，它推出了SVE 架構，即它的向量計算架構。RISC-V 一開始在設計計算技術時就採用了 SVE 的架構，所以 RISC-V 架構相比 ARM 架構很大的優勢是它站在了前人的肩膀上，前人走過的路、做過的技術方案以及這些技術方案的優勢和劣勢，它都是可以看見的。
進迭時空看好 RISC-V 的發展，希望基於RISC-V 架構，通過 CPU 核的定製最佳化設計、晶片開發和基礎軟體開發，實現這三者深度地整合和最佳化，提供計算晶片和計算系統。
面向未來的泛邊緣運算場景
可以暢想一下未來的計算世界，按照現在的算力進行分層，大致可分成雲、邊、端三層。未來發展趨勢，如下圖所示：
第一，雲端運算的算力下沉。現在的雲端運算主要是基於中心，中心式的雲存在不足，比如計算的成本、計算的延時。它就像物流，開始物流採用中心式的倉儲方式，後來物流開始做下沉，下沉到低一級、次一級，這帶來的比較大的優勢是物流的速度加快了。對計算而言，就是計算的時延變少了、對頻寬的佔用變少了。所以 2010 年到 2020 年是雲端運算中心雲的 10 年。我推斷 2020 年到 2030 年，未來的十年是雲端運算邊緣雲、邊緣運算的時代，這是一個雲端運算算力的發展趨勢。
第二，端設備的算力增長。未來的端設備會被智慧化所廣泛地改造，對算力的需求會越來越高。以典型的掃地機器人為例，最初的掃地機器人是基於 MCU 的碰撞式機器人，機器人跑著碰到了障礙物就彈回來繼續往前走。但現在掃地機器人已經演化到了基於攝像頭的有路徑規劃能力、有避障能力的計算系統，對晶片的要求也從原來的 MCU 發展成現在的適合 4-6t 算力的計算系統。所以未來端側會越來越智慧化，對算力的要求會越來越高。所以雲端運算的算力下沉，端設備對算力的要求上提，使得算力匯聚在邊緣運算。
我們堅定地看好邊緣運算未來的發展。RISC-V 的發展現狀是，看好這門技術的人多，但真正去做的比較少，這個世界缺少一顆好的基於 RISC-V 的計算晶片。現在大量的軟體都是基於 QEMU 模擬器進行開發，我們希望進迭時空能夠真正地參與進來，給全球開發者和商業應用提供好的基於 RISC-V 的計算晶片。
有了計算晶片就相當於有了基礎，更多的應用、軟體、開發者、愛好者可以基於晶片硬體進行開發，這也會更有助於 RISC-V 架構生態的發展。現在 RISC-V 在國內乃至全球，是先從 LT 端做起來，應用在 MCU、藍牙、Wi-Fi 等領域，但是偏 AP 類的高端應用晶片比較少。所以我們希望為世界在未來提供一套好的基於 RISC-V 架構的計算晶片和計算系統。
本文整理於 2022 長沙·中國 1024 程式設計師節大會的《算力和晶片的挑戰與突破》主題論壇。直播回放可掃描下方二維碼，進行觀看：
