指令集架构与开源架构

首先所有推崇RISC-V的文章都在说RISC-V架构简单，功耗面积低，这其实跟以前夸MIPS没什么不同。在CPU设计里，指令集是其中最简单最基础的一部分，可以说，采用RISC架构的指令集都差不多，无非是在寄存器数目，分支跳转，数据存取等指令方面做一些取舍，达到某种平衡，满足某些特定需要。

在学院派那儿PK的功耗面积，在工程派眼中离实用还远的很。做出一个demo和做出真正工程上能用的产品还隔着十万八千里，而工程上能用距离商业成功又隔了十万八千里。因为一个指令集就把某种架构夸上天实在没必要。

开源架构受到追捧隐含的另一个意思是Arm等IP厂商授权太贵，所以总有人揭竿而起要革商业公司的命，用免费打败收费。

第一个误会是指令集架构授权和CPU。

核的授权被刻意模糊了。Arm的CPU核授权门槛其实很低，甚至有DesignStart你们可以了解一下，基本可以免费获取Cortex-M0和Cortex-M3，一些媒体文章动辄说Arm授权费要千万美金，钱真有那么好赚吗？Arm被孙正义收购的时候营收一年也就10多亿美金，这生意绝对说不上大。架构授权的客户都是财大气粗玩的起的主儿，如我大苹果、大高通、大三星等，初创公司完全有很多很便宜的选择，干嘛一上手就搞架构授权？刻意强调千万美金授权不能不说是有意误导。

第二个误会则是来自开源社区。

很多人说开源架构免费多好呀，但我要说从架构定义到CPU核实现这中间有很长的路要走，这一部分并不免费，像SiFive等公司都是要收钱的，与Arm的CPU核授权并无多少区别。把开源解读为免费恐怕是一个中英文翻译中的误会。在开源社区的概念刚刚被引入的时候就有人把Free Software翻译为免费软件，但其实更准确的翻译是自由软件或开源软件，开源不等于免费，免费也不等于开源。开源指的是源代码公开，任何人可以免费获取自行编译或重新开发，只是要遵循相应的版权协议，像Linux遵循的是GPL协议，用GPL开源协议的代码重新开发的软件也必须开源。免费指的是软件不收钱，但是不一定开源。大名鼎鼎的Redhat Linux是开源的，但是也不影响Redhat公司靠服务费收钱。在开源架构社区也是一样，指令集是开源的，遵循BSD协议，各家开发的产品不是必须要开源回馈给社区。各家公司在这个指令集基础上开发的自己的CPU核产品都是要收费的，毕竟开发CPU核产品也是要投入人力研发的啊。

以上这些都是老生常谈。开源架构每过几年就要来一轮，背后其实大家都懂，就是学院派总是要有点新的研究成果，“国外一开源，我们就自主”的风气决定了，国外有什么新的指令集架构开源都会在国内激起一阵躁动。但学术不等于商业。CPU架构从上世纪90年代的10多家到现在以X86和Arm为主，背后其实是更深刻的产业和商业规律在主导。在我看来，有几下几个要素：

1.指令集架构创新不具有革命性

有多篇论文分析过指令集架构和性能功耗的关系，结论是指令集的差别与性能和能耗没有关系，两者性能的差异是由于需求的不同在硬件设计上的反映，例如指令发射速度、分支预测、乱序执行等方面，提升这些方面的性能需要使用到大量的硬件，使得硬件设计变得更加复杂，并且带来了更多的能耗。正如吴军在《浪潮之巅》中所说，“数量级是判断一项新技术是革命性还是革新性的关键”。Arm处理器功耗相比于x86有了数量级的提升，手机市场又比PC市场出货量要大一个数量级，这才有了Arm在移动互联网市场占据了端侧的优势，取代了x86指令集，也让架构授权模式为更多玩家所认可。在开源架构和Arm的PK中，没有这种数量级上的差异。Arm和RISC-V都是RISC架构的，只是指令集定义的不同，这就决定了不可能从指令集PK中获得什么优势，还是看具体的硬件实现和功能取舍。

2.技术先进性不等于商业成功

每次有人强调新的指令集比原有的指令集要高效的时候我就笑了，大家想想键盘布局的故事。现在的QWERT键盘布局虽然奇怪，但延续了这么多年，已经有了强大的惯性，即使有人发明了更高效的键盘布局也无法得到广泛支持。指令集上的故事也是类似。Intel的x86指令集是CISC架构的，曾被人Diss架构臃肿。历史上也有多次“x86革命”想取代x86架构，但都因为得不到广泛的支持最终以失败告终。巨大的商业利益和强劲的软硬件的支持可以使得x86架构难以撼动，这些都不是一个简单的技术问题。

3.指令集架构是一个昂贵的公共品。

对学院派来说，能运行软件跑成Demo发论文就是成功，对商业公司来说则是要完成从指令集定义到CPU微架构的设计，到整个芯片的设计和相应软件，工具链的开发和维护，以及在上面运行的操作系统，丰富的函数库以及应用程序，还需要得到大量用户认可，这些都不是一朝一夕之功。设计指令集不难，让一个指令集得到市场认可很难，而一旦得到认可，人们要迁移的成本也很高，这就是Intel能多年在PC和服务器市场称霸的原因。Intel也因为x86指令集的成功获得了巨大的商业利益。指令集架构这一公共品是如此昂贵，无法通过社区自发成长起来，而必须结合商业公司的力量。Linux也是在Android采用以后才得到了大发展。

Arm通过授权模式让众多CPU厂商可以共享一套指令集和编译工具，极大的降低了众多CPU厂商的开发门槛，其实相当于众多CPU厂商众筹了一个Arm指令集，节省的是各家自己开发并维护一套指令集的开销。也正因为这个原因，市场对CPU架构的人员需求减少了，对应用程序开发者的需求增多了，Arm生态系统才有了今天的发展。

现在众多厂商众筹另一个指令集，然后呢？也一样有巨大的生态开发成本，从指令集定义到真正成熟得到广泛应用，没有一二十年起不来。硬件不像软件，有什么错误可以发布新版本去修正，一旦流片了再修改就难了。一个IP要做好不是那么容易的事情，需要有客户一起去趟早期开发过程中的坑，稍有不慎出现一个Bug，前期投入就要打水漂。对商业公司来说开发成本损失还是小事，错失了市场机遇才是最大的损失。即使新指令集生态真能起来，大多数公司要么维护自己的CPU核开发团队，要么从IP授权公司购买相应的架构实现，真的能省钱吗？还是到时候再切换一次指令集，把这些坑再趟一遍？

另外，开源架构采用的指令集架构开源，各家可以自己设计自己的CPU核的方式从一开始就埋下了碎片化的种子，各家IP公司自己设计自己的扩展，并且不需要回馈社区，其结果就是各自有一套自己的开发工具和软件库，重新走到了上世纪90年代有多家指令集架构的局面，对芯片开发公司来说并没有节省什么成本，反而因为各自微架构的特殊性带来操作系统和应用程序的不兼容，这是与商业世界成本尽量降低相矛盾的。

指令集是越多人使用价值越大，指令集架构也就更贵，而CPU核只是部分公司使用，相对于指令集架构就便宜一些，这是Arm的商业模式，是目前经受了实践的检验的一种模式。当年MIPS指令集架构授权很便宜，CPU核卖的贵，是从成本而不是用户需求定价，正好搞反了。结果就是各家都拿了指令集自己去设计MIPS核，造成碎片化和分裂。现在开源社区也是类似的问题。指令集开源，准入门槛很低，IP设计厂商各搞一摊。开源社区没有力量去维护各家实现的统一标准，各家也只能通过低价来抢市场，芯片设计厂商则需要面对不同IP厂商的CPU核实现，不能发挥统一架构的优势，构成恶性循环。