全面地了解RISC-V和ARM各方面特點(diǎn)

RISC-V和ARM是近年來(lái)備受關(guān)注的兩種處理器架構。RISC-V是一種基于精簡(jiǎn)指令集計算（RISC）原理的開(kāi)源指令集架構（ISA），而ARM則是一種專(zhuān)有ISA，長(cháng)期以來(lái)在嵌入式系統和移動(dòng)設備中占據主導地位。

本文將詳細探討RISC-V和ARM的歷史、架構特征、性能、功耗、生態(tài)系統和未來(lái)前景等，以更全面地了解RISC-V和ARM在各個(gè)方面的特點(diǎn)。

01、什么是 ISA（指令集架構）？

每個(gè)處理器功能的核心在于其指令集架構 （ISA），這規定了處理器可以理解和執行的指令集。它充當硬件和軟件之間的基本橋梁，決定了處理器的功能和性能。ISA 的選擇會(huì )直接影響軟件的開(kāi)發(fā)方式，并對處理器的效率、兼容性和靈活性產(chǎn)生長(cháng)期的影響。

ISA 大致可分為兩種類(lèi)型：開(kāi)放式和封閉式。封閉式 ISA，如 ARM，是專(zhuān)有的，并由特定公司嚴格控制，提供的可靠性和兼容性是既定的，并且限制定制。相反，以 RISC-V 為代表的開(kāi)放式 ISA 是社區驅動(dòng)的，在定制方面提供了更大的靈活性，能夠促進(jìn)創(chuàng )新并適應特定需求。

RISC-V和ARM之間的比較主要圍繞它們所采用的不同ISA，每種 ISA 都有各自不同的優(yōu)勢和方法來(lái)滿(mǎn)足不斷變化的計算需求。

02、RISC-V 與 ARM：背景和歷史

ARM

歷史上x(chóng)86架構占據主導地位，推動(dòng)了英特爾等巨頭的發(fā)展，但隨著(zhù)ARM的出現，故事開(kāi)啟了新的篇章。

ARM 起源于 Acorn Computers，這家英國公司在 20 世紀 80 年代開(kāi)發(fā)了 Acorn RISC 機器架構。ARM 架構最初設計用于 Acorn 的個(gè)人計算機，重點(diǎn)關(guān)注功效和簡(jiǎn)單性。1990 年，Acorn Computers、Apple 和 VLSI Technology 成立了一家名為 Advanced RISC Machines Ltd. 的合資企業(yè)，后來(lái)演變?yōu)?ARM Holdings。

第一個(gè) ARM 處理器 ARM1 于 1985 年推出，隨后于1986年推出了ARM2，隨著(zhù)1993 年蘋(píng)果公司的Newton PDA（Newton personal digital assistant）選擇了 ARM610 處理器，ARM 架構開(kāi)始逐漸出現在大眾視野當中，這也標志著(zhù) ARM 在移動(dòng)和嵌入式系統市場(chǎng)的主導地位的開(kāi)始。

多年來(lái)，ARM 開(kāi)發(fā)了多個(gè)處理器系列，每個(gè)系列都針對特定的細分市場(chǎng)和性能要求。一些 有代表性的包括用于高性能應用的 Cortex-A 系列、用于實(shí)時(shí)系統的 Cortex-R 系列以及用于微控制器和低功耗設備的 Cortex-M 系列。

ARM的成功可以歸功于其創(chuàng )新的許可模式，該模式允許半導體公司授權ARM的IP，并根據他們的特定需求進(jìn)行定制。這種靈活性使得包括AMD等行業(yè)巨頭在內的多家公司能夠設計和制造基于A(yíng)RM的CPU和GPU，以?xún)?yōu)化不同應用。這催生了基于A(yíng)RM的處理器和設備的龐大生態(tài)系統，截至目前，ARM芯片的出貨量已超過(guò)1800億顆，每年大約有300億顆ARM芯片出貨。

ARM 架構已成為移動(dòng)設備、物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式系統事實(shí)上的標準，蘋(píng)果、三星和高通等大公司的產(chǎn)品都依賴(lài) ARM 處理器。

RISC-V

盡管 ARM 在市場(chǎng)上取得了顯著(zhù)的成功，但它是一種專(zhuān)有架構，需要支付許可費用，并在定制方面受到一定的限制。這種專(zhuān)有性質(zhì)阻礙了小型企業(yè)、初創(chuàng )公司以及一些研究人員的使用和開(kāi)發(fā)。RISC-V提供了一種開(kāi)源的替代方案。

RISC-V 起源于加州大學(xué)伯克利分校計算機科學(xué)系。該項目始于 2010 年，是由 Krste Asanovi? 教授、David Patterson 教授及其團隊領(lǐng)導的一項研究工作。2011 年發(fā)布了第一個(gè) RISC-V 規范。

2015 年，RISC-V 國際組織成立，旨在促進(jìn) RISC-V ISA 的采用和標準化。當前該組織擁有 200 多名成員，其中包括谷歌、英偉達和西部數據等主要科技公司。RISC-V在各個(gè)行業(yè)迅速得到采用，多家公司推出了基于 RISC-V 的處理器和片上系統 （SoC）。

RISC-V 歷史上的關(guān)鍵里程碑之一是 2017 年發(fā)布的 RISC-V 特權架構規范，它定義了硬件和操作系統之間的接口。該規范推動(dòng)了更復雜的 RISC-V 處理器的開(kāi)發(fā)，并促進(jìn)了 Linux 等操作系統向 RISC-V 平臺的移植。

另一個(gè)重要的里程碑是 2018 年發(fā)布的首款商用 RISC-V 處理器 SiFive Freedom U540。該處理器展示了 RISC-V 在商業(yè)應用中的可行性，為業(yè)界進(jìn)一步采用該架構鋪平了道路。

03、RISC-V 與 ARM：架構

RISC-V

RISC-V 架構框圖

RISC-V架構基于RISC原則，強調采用小型、簡(jiǎn)單且高效的指令集。

RISC-V 的關(guān)鍵架構特征包括加載存儲架構、固定長(cháng)度的 32 位指令格式和少量通用寄存器。RISC-V支持各種整數指令集擴展，例如RV32I（32位）、RV64I（64位）和RV128I（128位）。

以下是 RISC-V 架構的一些獨特功能：

模塊化和可擴展性：RISC-V 的特征之一是其模塊化和可擴展性。ISA 旨在通過(guò)自定義指令和協(xié)處理器輕松擴展，從而實(shí)現定制需求。這種靈活性是通過(guò)模塊化設計實(shí)現的，基本 ISA 可以與可選的標準擴展相結合。

壓縮指令集：相對于A(yíng)RM的Thumb指令集，RISC-V還支持RV32C（或RV64C）的壓縮指令集擴展，它提供可以與標準32位指令混合的16位壓縮指令。此功能有助于減少代碼大小并提高能效，使RISC-V在嵌入式系統和低功耗應用方面特別具有優(yōu)勢。

權限級別和虛擬內存：RISC-V 架構的另一個(gè)重要方面是它對權限級別和虛擬內存的支持。RISC-V 特權架構規范定義了三個(gè)特權級別：機器模式（M 模式）、管理員模式（S 模式）和用戶(hù)模式（U 模式）。這些特權級別提供了一種隔離操作系統內核、管理程序和用戶(hù)應用程序的機制，從而確保了系統的安全性和穩定性。RISC-V還支持基于多級頁(yè)表方案的虛擬內存系統，從而實(shí)現高效的內存管理和保護。

ARM

ARM 架構框圖

ARM 架構也基于 RISC 原則。ARM 的關(guān)鍵架構特征包括負載存儲架構、固定長(cháng)度 32 位和可變長(cháng)度 Thumb 指令的混合以及大量通用寄存器。內存系統采用雙端字節排序，使 ARM 處理器能夠在硬件級別無(wú)縫處理和傳輸兩種端格式的數據。

ARM 處理器分為多個(gè)系列，每個(gè)系列都針對特定的性能和功耗要求。使用最廣泛的 ARM 處理器系列是 Cortex-A、Cortex-R 和 Cortex-M 系列。Cortex-A 系列專(zhuān)為高性能應用而設計，例如智能手機、平板電腦和服務(wù)器，支持亂序執行、超標量管道和硬件虛擬化等高級功能。Cortex-R 系列針對實(shí)時(shí)系統進(jìn)行了優(yōu)化，提供快速中斷響應時(shí)間和確定性行為，通常用于汽車(chē)、工業(yè)和安全關(guān)鍵型應用。Cortex-M 系列專(zhuān)為微控制器和低功耗設備量身定制，重點(diǎn)關(guān)注能源效率和易用性。

Thumb 指令集：Thumb 指令集提供 16 位壓縮指令以提高代碼密度和能源效率。ARM 引入了 Thumb 指令集，作為傳統 32 位 ARM 指令的可選 16 位擴展。此功能可以減少代碼大小，同時(shí)保障性能，使其適合嵌入式系統等內存受限的設備。

內存管理和保護：ARM 處理器支持各種級別的內存管理和保護，包括用于簡(jiǎn)單系統的內存保護單元 （MPU） 和用于具有虛擬內存支持的更復雜系統的內存管理單元 （MMU）。2011 年推出的 ARMv8-A 架構增加了對 64 位地址空間的支持，它在現有的32位ARM和Thumb指令集之外提供了一個(gè)新的64位指令集。

可選增強功能：除了基本 ISA 之外，ARM 處理器還可以包括可選擴展，例如用于多媒體和信號處理任務(wù)的 NEON SIMD（單指令、多數據），以及用于硬件加速加密和解密的密碼學(xué)，這讓 ARM 處理器在能夠高效處理各種工作負載的同時(shí)保持低功耗和較小的芯片占用空間。

總體而言，ARM通過(guò)其專(zhuān)有技術(shù)和完善的生態(tài)系統成為行業(yè)巨頭，服務(wù)于移動(dòng)、嵌入式系統和數據中心等多種行業(yè)。RISC-V以開(kāi)源靈活性和適應性為特點(diǎn)，吸引了尋求定制解決方案的用戶(hù)。兩種架構各有優(yōu)點(diǎn)，具體取決于用戶(hù)的實(shí)際需求。

04、RISC-V 與 ARM：性能

RISC-V 和 ARM 架構之間的比較是多方面的，涉及一系列影響性能的因素。這里列舉了 P550 與 Cortex-A75 以及 BeagleV 與 Raspberry Pi的對比。

ARM Cortex-A76 與 SiFive P670 性能對比

如圖所示，ARM 的 Cortex-A78 在峰值單線(xiàn)程性能方面略勝于 SiFive 的 P670（RISC-V），但 P670 的計算密度卻是它的兩倍。因此，考慮到 SiFive 的 P670 處理器的物理尺寸只有競爭對手的一半，其峰值單線(xiàn)程性能可與 Cortex-A78 相媲美。

值得注意的是，Cortex-A78是在2020年12月通過(guò)Vivo X60和X60 Pro推出的，而P670是在2022年11月1日發(fā)布的，在研發(fā)方面存在近兩年的差距。ARM 最新的處理器現在在 ARMv9 ISA 上運行，這比 Cortex-A78 的 ARMv8 有了重大改進(jìn)。ARMv9 處理器的性能提高了約 30%，能效提高了 50%。

就純粹性能而言，ARM處理器保持領(lǐng)先地位。然而，SiFive 的 P670 的計算密度是 Cortex-A78 的兩倍，使 RISC-V 處理器在可穿戴技術(shù)中占據有利地位。

在RISC-V與ARM的性能對比中，ARM的迭代速度、完善的生態(tài)系統以及廣泛的選擇使其具有顯著(zhù)的性能優(yōu)勢。然而，RISC-V 的模塊化特性和定制潛力對特定用例來(lái)說(shuō)更具吸引力。RISC-V 的開(kāi)發(fā)者還需要努力縮小與 ARM 的性能差距來(lái)獲得更高的競爭優(yōu)勢。

05、RISC-V 與 ARM：功耗

由于這兩種架構都采用RISC理念，因此有必要深入研究區分其功耗性能的具體數據和可測量因素。

RISC-V

功耗是處理器設計的一個(gè)重要方面，特別是對于嵌入式系統、物聯(lián)網(wǎng)設備和電池供電應用而言。RISC-V 的架構強調簡(jiǎn)單性和模塊化，與更復雜的處理器架構相比，這有助于提高能效。RISC-V ISA 處理器物理占用空間更小、功耗低更節能。

RISC-V 固定長(cháng)度的32位指令格式簡(jiǎn)化了解碼并降低了控制邏輯復雜度，從而降低了功耗?？蛇x的RV32C（或RV64C）壓縮指令集擴展提供16位壓縮指令，可以通過(guò)降低指令讀取和解碼功率來(lái)幫助減少代碼大小并提高能源效率。此外，RISC-V 的模塊化設計可以根據特定應用要求定制一些僅包含必要功能的處理器，通過(guò)減少未使用的硬件功能來(lái)降低功耗。

例如針對邊緣 AI 和機器學(xué)習應用的 GreenWaves GAP8 處理器。GAP8 處理器具有 8 個(gè) RISC-V 內核集群和一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò ) （CNN） 專(zhuān)用硬件加速器，可為 AI 工作負載實(shí)現高達 200 GOPS/W（每瓦每秒千兆次運算）的功效。

ARM

ARM 的負載存儲架構以及固定長(cháng)度 32 位和可變長(cháng)度 Thumb 指令的混合使用簡(jiǎn)化了解碼并降低了控制邏輯復雜性，從而降低了功耗。此外，ARM 處理器通常包含電源管理功能，例如動(dòng)態(tài)電壓和頻率調節 （DVFS），它允許處理器根據工作負載需求調整其工作頻率和電壓，從而進(jìn)一步提高能源效率。

ARM 的處理器系列在設計時(shí)考慮了不同的功耗和性能目標。例如，Cortex-M 系列針對微控制器和低功耗設備進(jìn)行了優(yōu)化，重點(diǎn)關(guān)注能效和易用性。Cortex-M4 處理器的運行頻率高達 240 MHz，性能達到 1.25 DMIPS/MHz，包括硬件浮點(diǎn)單元 （FPU） 和 DSP（數字信號處理）擴展，適用于低功耗的信號處理和控制應用。在高性能領(lǐng)域，Cortex-A76 等 ARM 處理器實(shí)現了出色的每瓦性能比，是智能手機和筆記本電腦等功率受限的高性能設備的理想選擇。Cortex-A76 處理器的運行頻率高達 3 GHz，可提供 4.0 DMIPS/MHz 的峰值性能，同時(shí)保持低功耗。

總體而言，ARM 對功率效率的關(guān)注，加上其廣泛的生態(tài)系統和處理器系列，使其在電源效率方面具有明顯的優(yōu)勢。盡管 RISC-V 由于其定制潛力而前景光明，但其開(kāi)放性需要投入更多的時(shí)間和資源才能充分利用其節能功能。

06RISC-V 與 ARM：生態(tài)系統和支持

作為一個(gè)開(kāi)源架構，RISC-V吸引了一個(gè)由開(kāi)發(fā)者、初創(chuàng )公司和研究人員組成的多元化社區，RISC-V的生態(tài)系統相對年輕但發(fā)展迅速。雖然它的規?？赡苓€無(wú)法與 ARM 相比，但其開(kāi)放性促進(jìn)了協(xié)作、定制和創(chuàng )新。而ARM已經(jīng)擁有成熟且廣闊的生態(tài)系統。其許可模式催生了大量基于 ARM 的產(chǎn)品。

由于RISC-V誕生時(shí)間太短，相關(guān)的編譯器、開(kāi)發(fā)工具和軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）以及其它生態(tài)要素還在發(fā)展。目前RISC-V具有全套開(kāi)源免費的編譯器、開(kāi)發(fā)工具和軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，這是RISC-V的巨大優(yōu)勢，但是開(kāi)源版本相比ARM的商用編譯器和IDE而言，還頗有差距。RISC-V必須依靠強有力的商業(yè)玩家來(lái)長(cháng)期支持和推進(jìn)方能得到持續發(fā)展。

RISC-V

在硬件支持方面，多家半導體公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了RISC-V處理器和片上系統（SoC），包括SiFive、Andes Technology和Microchip。這些公司提供從低功耗微控制器到高性能應用處理器各種基于 RISC-V 的產(chǎn)品。此外，RISC-V 的開(kāi)源特性催生了眾多開(kāi)源處理器設計的開(kāi)發(fā)，例如 PULPino 和 RISC-V BOOM 無(wú)序超標量處理器。隨著(zhù)亞馬遜和其他科技巨頭探索 RISC-V 的功能，CPU 架構的格局正在發(fā)生顯著(zhù)的轉變，開(kāi)源硬件的地位逐漸提高。

在軟件方面，RISC-V 生態(tài)系統支持各種操作系統，包括 Linux、FreeBSD 以及 FreeRTOS 和 Zephyr 等實(shí)時(shí)操作系統 （RTOS）。

ARM

高通、三星和蘋(píng)果等主要半導體公司都開(kāi)發(fā)了自己的基于 ARM 的處理器，以滿(mǎn)足不同的細分市場(chǎng)和性能要求。這些處理器廣泛用于各種設備，包括智能手機、平板電腦、物聯(lián)網(wǎng)設備和嵌入式系統。在軟件方面，ARM 生態(tài)系統支持眾多操作系統，例如 Linux、Android、iOS 和 Windows，以及實(shí)時(shí)操作系統 （RTOS），例如 FreeRTOS 和 VxWorks。

06、RISC-V對中國半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展會(huì )帶來(lái)哪些影響？

從長(cháng)遠來(lái)看，RISC-V對中國半導體產(chǎn)業(yè)會(huì )產(chǎn)生劃時(shí)代的意義，主要體現在以下方面：

減少對國外技術(shù)的依賴(lài)。RISC-V已經(jīng)逐漸成為主流架構和主流生態(tài)。通過(guò)RISC-V可以減少對外國技術(shù)的依賴(lài)，在半導體行業(yè)更加自給自足。

RISC-V可以推動(dòng)創(chuàng )新和差異化。RISC-V 的開(kāi)源性質(zhì)也鼓勵創(chuàng )新，通過(guò)定制RISC-V內核能夠滿(mǎn)足特定需求，基于RISC-V開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品和技術(shù)也會(huì )相對容易，通常比基于專(zhuān)有 ISA 的芯片更高效。

RISC-V可以明顯降低芯片研發(fā)成本。RISC-V的產(chǎn)業(yè)鏈日趨完善，從處理器內核到硬件設計、操作系統、開(kāi)發(fā)工具、基準測試以及解決方案，全產(chǎn)業(yè)鏈具備完整性，使得行業(yè)可以均攤一切成本。

除此之外，RISC-V的使用還可以幫助國內企業(yè)為其芯片開(kāi)發(fā)新的市場(chǎng)和應用。例如，RISC-V 芯片非常適合用于物聯(lián)網(wǎng)設備、邊緣計算和人工智能應用，這些市場(chǎng)正在快速增長(cháng)。

根據Semico Research的預測，到2025年，全球RISC-V CPU內核的出貨量累計將達到約800億顆，復合年增長(cháng)率高達114.9%，在全球CPU內核出貨量當中的占比將超過(guò)14%。另有研究數據顯示，基于RISC-V架構的AI芯片市場(chǎng)到2027年將達到2910億美元，復合年增長(cháng)率73.6%；在通信類(lèi)AI SoC市場(chǎng)，RISC-V從2019年到2027年間將保持21.2%的復合年增長(cháng)率；在數據中心市場(chǎng)，2021到2025年RISC-V CPU核市場(chǎng)的復合年增長(cháng)率將高達115%。

目前，國內在采用RISC-V架構方面已經(jīng)取得顯著(zhù)進(jìn)展，這對ARM在中國芯片市場(chǎng)的主導地位造成了一定的沖擊。隨著(zhù)RISC-V在全球范圍內引起越來(lái)越多的關(guān)注和應用，將逐漸對ARM構成競爭威脅。期待著(zhù)未來(lái)RISC-V與ARM之間的競爭能夠推動(dòng)整個(gè)芯片行業(yè)朝著(zhù)更加開(kāi)放、創(chuàng )新和多元化的方向發(fā)展。

審核編輯：黃飛