RISC-V带动开源， Arm末日将至？

RISC-V的处理器架构开源并非首创，但其带起的市场影响力的确是前无古人。除了RISC-V在设计之初就以开源为主要手段，而在市场环境的转变之下，更搭上了IoT行业的风潮，一时间便火热起来。

目前可定制架构中，Arm几乎统治了整个芯片设计业界，然而其不分架构，逐年调升授权费与版税的作法，在一定程度上让业界感觉被割了韭菜。因此Arm与其客户往往都貌合神离，不少传统使用Arm架构的大户都开始尝试或者向外寻找更多元的方案。而近年来备受关注的RISC-V，就成了热门备选方案。

开放和免费：初心不同，殊途同归

RISC-V的指令集设计与架构定义一开始就是针对开放而设计，虽然生态成熟度因发展时间短还不是很高，但因为指令集与IP成本在芯片成本中的比重越来越大，由自由衍生而来的免费这两个字更让业界趋之若鹜。

RISC-V是个自由架构，芯片设计者可以在合理的规范下自由定制架构设计，但其”免费”概念仍然是相当重要的一环。

以28nm制程研制一款基于Arm的SoC芯片为例来看芯片的成本结构，首先就必须向Arm支付一次性的入门费用，另外IP或指令集架构的授权费用也必须额外收取，以Arm架构而言，指令集架构授权一次可能要上千万美元，反而IP授权要便宜些，可能从数十万到百万美元之间。而在设计阶段所需要使用到的EDA工具，其版权费也要超过百万美元，而内存控制器、PCIe控制器等外围IP费用往往也要高达上百万美元，流片费用则是由芯片面积大小而定，一次流片也需要至少数十万美元。

简单估算，一颗芯片从设计到成品阶段，所需要的资金投入便已经超过上千万美元。另一方面，芯片的研发往往需要数十位工程师，花费数月甚至数年的时间来设计与验证，工资开销又需要上千万元。另外，芯片的设计与制造还有试误成本，并不是所有的设计都能够一次成功，很多时候芯片可能会因为设计瑕疵，而必须多次流片，这些也会叠加在成本之中。

不过这些都是固定成本，也就是设计到量产前的整体成本，后续如果芯片成功量产，芯片就可以再以良率换算总量，并以整体成本除之，就是单一芯片的成本。这类的固定成本会随著芯片产量的增加而逐步递减。

但使用了Arm架构，除了一开始的入门费用与授权费用外，还有一个固定比例的费用会产生，也就是版税的收取。

尤其在未来IoT应用概念下，芯片需求量极大，但因为相关终端都是走低价策略，因此芯片成本必须压到极低的程度，但芯片从设计到制造方面，很多成本都可以通过量的分摊来降低，但指令集授权或IP的版税却都是跟着芯片收取一定比重，芯片制造越多，所需负担的成本也越大，这也让未来IoT的发展蒙上阴影：在产品真正普及之前，就必须负担极高的成本风险。

对芯片设计业者而言，可以被后来的需求分摊的成本其实都是可以接受的，但随着芯片出货收取的固定比例版税就让芯片设计业者很不乐意了，诚然这种收费方式在软件IP或者其他类型的版权商品中见怪不怪，但是芯片本身就很难赚钱，尤其在中国市场，这种过去依靠补贴养起来的IC设计生态，业者的毛利率一般都要低于全球其他竞争者，版税成本一叠加上去，毛利率就更难看了，而这也是开源架构除了自有以外，另一个吸引中国IC设计产业界的重要因素。

MIPS和Power Architecture加入开放战局

MIPS过去也曾风靡一时，在包括超级计算或者是移动计算领域中占有一席之地，其采用的营利方式与Arm大同小异，也同样式通过授权费用与版税费用营利。

但随著Arm架构在移动计算的崛起，并逐步扩及到通信基础建设、MCU市场以及高级计算领域中，形成的生态越来越强大，MIPS过去在架构更新速度缓慢，跟不上市场需求的情况下，其生存空间也就越来越小，后来也落得出售的局面，甚至连许多核心专利都被Arm收入囊中。

目前MIPS在中国仍有不少采用的案例，在嵌入式领域主要有珠海炬力、北京君正和北京神州龙芯等。珠海炬力主要生产具有蓝牙及WIFI射频功能的多媒体SoC芯片，在消费类电子具有较大的市场份额。北京君正采用自主设计的xburst低功耗MIPS嵌入式处理器核，在电纸书、指纹锁以及智能硬件领域获得广泛应用。

神州龙芯采用自主设计的MIPS嵌入式处理器核，在IoT领域有广泛应用。在高性能桌面及服务器领域有龙芯中科技术有限公司，主要研发生产龙芯2号单核处理器系列以及龙芯3号多核处理器系列，产品应用于桌面办公、服务器、工业控制、网络安全以及物联网等。

但这些公司并不足以支撑MIPS架构的持续运转，为了有效扩大生态，MIPS也就效法RISC-V，对指令集进行了开源。

2018年6月，Wave Computing收购了MIPS公司，12月17日宣布MIPS将在2019年第一季度发布最新的core R6时开源，此举旨在加速MIPS指令集架构的普及。MIPS开放计划将允许参与者自由访问“最新版本的32位和64位MIPS ISA – 无需许可或使用费”，用户还将获得MIPS拥有的数百项专利。

对市场而言，这是一件早该做的事，部份采用MIPS架构的客户也表示，如果MIPS早几年这么做，现在就没有RISC-V的生存空间了。

毕竟MIPS发展历史悠久，在产业界也有许多成熟的设计与应用案例，生态成熟度远高于RISC-V，虽然放弃了核心授权或版税费用的收取，但一来可以通过开源社群让MIPS的架构设计更为强大，另一方面，也是目前仅剩不多，能让MIPS架构持续存活的最佳手段。

随后，由IBM主导的Power Architecture也同样宣布了开源，在不久前的OpenPOWER 峰会上，宣布开源 Power 芯片指令集架构。

但与MIPS和RISC-V高度重叠的状况不同，Power Architecture面向高性能计算领域，配合IBM在总线设计上的多种专利和生态，可以协助业者推动高性能计算的业务发展。不过IBM的开源同样是情势所逼，虽然Power Architecture拥有极为强大的性能，但是在高性能计算领域上，仍不断被以英特尔为主的X86架构侵蚀，截至目前为止，其市占仅剩约2%，若没有更激进的作为，那么走向边缘化，甚至被淘汰的命运，也是无可避免。

RISC-V缺乏高性能计算，而其在IoT领域的发展也才刚开始，MIPS和IBM的入局可以说搅乱了一池春水。但有选择对业界是好事，而这些开源架构在源码的管控方面也有不同的逻辑，RISC-V能让开源社群有最好的参与度与定制性，MIPS和Power Architecture则是拥有最成熟的指令集与各自擅长的应用环境，能够很快的打造出优秀产品，试误成本最低。

开源的免费并不是真的免费

虽然开源架构少了授权金与版权费用，并且大幅降低定制的成本，但是开源，以及部份的免费，并不代表相关的成本在芯片的设计中就可以被忽略。

目前芯片设计业者的确可以直接拿RISC-V或类似的开源指令集直接开发CPU核，不需要支出相关授权费用，然而开发CPU核并不是简单的工作，指令集只是庞大CPU板块中的一小部份，如何设计搭配的计算单元，如何优化指令的执行，如何配置缓存和总线，如何有效率的与外界沟通，如何设计HLS或RTL代码，最后怎么Layout芯片布局，这些都要有相对应的工具与专业知识才有办法进行，一般而言，真的需要定制自己的CPU内核的客户，多半也不会在意授权费用，反而架构授权者能否提供足够丰富的技术支持与谘询才是关键。

采用开源指令集设计自己的架构，基本上就是要从头到尾自己来，没有客服人员会提供建议。

举例来说，Arm也提供了指令集授权服务，采用者虽是如苹果或高通、华为等在芯片设计方面拥有一流经验的业者，但这些业者还是非常依赖来自Arm的技术支持，毕竟很多指令集架构定义，或者是配套计算单元的设计都有一定的技术规范需要依循，如果就是一般中等规模以下的芯片设计业者，想要搞定自己的CPU核，那么光是测试、开发、软件匹配等工作，花费的成本最终可能远高于直接采用非开源架构。

当然，为了这类型的客户，RISC-V也有像SiFive、晶心之类的业者提供打包设计好的整套IP，提供客户可以直接引用的架构，而无须从头打造轮子。

虽然客户仍需要一次性支付授权费用，但没有版税费用，且还可以得到一系列的设计支持服务，避免瞎子摸象，走错了路。

MIPS或Power Architecture则是双线并进，既提供免费的指令集授权，也放弃了版税收入，但提供包装好的第一方IP设计服务。目前这两个架构开源时间仍短，还没有如RISC-V般有第三方IP可以直接采用，但假以时日仍可预期会有相关服务业者产生。

指令集免费，但服务并不是，尤其在高深的芯片设计领域，基本上不可能完全靠自己，也因此，虽然免费，但不是真的免费，就是这些开源架构的最佳写照。

Arm真的会受到威胁？

RISC-V的推动，以及MIPS、Power Architecture等架构的先后走向开源，可以说从低端IoT，主流终端核心、通信领域，再到高性能计算领域，全方位对Arm架构进行包围，Arm自从称霸市场后，从未像此时般在市场遭受庞大的威胁。而去年因为RISC-V的崛起，也已经明显影响到Arm的营收了，那么Arm是否可能在这些威胁下一蹶不振？有何策略可以扭转干坤？

完善的设计服务以及业界最强大的生态环境可以说是Arm的最大武器，即便是目前开源指令集中最具优势的RISC-V，也难以在这些点和Arm相抗衡。Arm目前的问题还是在于收费模式的问题，为了维持庞大的服务团队，没有办法像MIPS或Power Architecture一样说开源就开源，直接放弃来自指令集授权或版税方面的收入。

当然，Arm也已经有做了一定的调整和改变，比如说过去，Arm要求客户选择一种特定的芯片设计方案，并预先支付许可费，这可能要花费一次性的数百万美元才能使用，之后在芯片投产后按芯片数量再收取授权费。

但对于芯片公司来说，准备好送到芯片代工工厂的最终设计方案可能需要数年时间才能完善，这使得Arm的客户在芯片实际开始交付之前很久就支付了大笔预付款，对营运成本造成极大压力，小型企业根本无法负担。

为此，Arm宣布了一项新收费模式，芯片制造商可以较低的一次性费用获得约该公司四分之三的技术和芯片设计方案组合。后续，只有当芯片准备好生产并开始发货时，才需要向Arm支付许可证费用和专利费。

根据新的收费计划，芯片厂商如果使用Arm的一种设计方案投产芯片，需要每年支付7.5万美元的费用，如果每年支付20万美元，则可以获得不限数量的芯片设计方案。在芯片开始生产时才需要支付授权费和专利费。

这对于期望能够快速市场化的芯片制造商而言具有相当大的吸引力，而且对Arm而言，并没有大幅改变既有的盈利模式，只是优先度进行了调整。配合生态优势与服务优势，仍可和RISC-V等开源架构互相抗衡。