RISC-V 全面解析：開放架構如何引爆下一波晶片革命？

指令集架構是什麼？為何 RISC-V 的「開放」如此重要？

從我們口袋裡的智慧手機、手腕上的穿戴裝置，到驅動雲端運算和人工智慧的龐大伺服器叢集，乃至於汽車、家電中的微小控制器，處理器晶片已成為現代社會不可或缺的基石；但您是否想過，這些形形色色的處理器是如何理解並執行我們下達的指令的呢；答案就在於它們的核心——指令集架構 (Instruction Set Architecture, ISA)；您可以將 ISA 想像成處理器能夠聽懂的「官方語言」或「操作手冊」；它定義了處理器可以執行哪些基本運算（如加法、乘法、資料搬移）、如何存取記憶體、以及程式設計師可以用來與硬體溝通的一套規則。

長久以來，主流的 ISA，例如個人電腦和伺服器中廣泛使用的 x86 架構（主要由 Intel 和 AMD 主導），以及在行動裝置領域佔據絕對優勢的 Arm 架構，都屬於專有 (Proprietary) 指令集；這意味著想要設計和製造基於這些 ISA 的晶片，通常需要支付高昂的授權費用，並且受到原廠在設計修改上的嚴格限制；這就像是您想開一家餐廳，但菜單必須完全遵循某個特定品牌的規定，甚至連廚房設計都不能隨意更動。

在這樣的背景下，RISC-V 的出現帶來了一股清流；它並非某家公司的產品，而是一個開放標準 (Open Standard) 的 ISA；RISC-V 的「開放」意味著任何人都可以自由地使用、研究、修改和擴展這套指令集，而無需支付任何授權費用；這就像是開源軟體運動（例如 Linux 作業系統）的精神延伸到了硬體設計領域；這種開放性打破了傳統 ISA 的封閉模式，為晶片設計帶來了前所未有的自由度、透明度和協作可能性，因而被視為可能引爆下一波晶片設計革命的關鍵力量。

本文將帶您深入 RISC-V 的世界，從解釋「指令集架構」的基本概念，到剖析 RISC-V 的獨特設計哲學、快速擴張的生態系統、面臨的挑戰，以及它對從嵌入式到高效能運算的深遠影響；無論您是好奇的科技探索者，還是專業的開發設計人員，都能在此找到清晰的脈絡與深刻的洞見。

RISC-V 的核心設計哲學：簡潔、模組化與可擴展

RISC-V 的設計深受經典的 RISC (Reduced Instruction Set Computer) 哲學影響，強調使用數量相對較少、格式簡單且執行週期固定的指令；這種簡潔性有助於降低處理器設計的複雜度，更容易實現高效能和低功耗；但 RISC-V 並非僅僅是另一個 RISC 指令集，其最核心的特色在於其模組化 (Modular) 和可擴展 (Extensible) 的設計理念。

RISC-V 並非一個龐大、固定不變的指令集，而是由一個非常小的基礎整數指令集 (Base Integer ISA) 和一系列可選的標準擴展 (Standard Extensions) 所組成；基礎指令集（如 RV32I 或 RV64I，分別代表 32 位元和 64 位元版本）包含了所有軟體運行所必需的最核心指令，足以構成一個完整的通用處理器；開發者可以根據應用需求，像堆疊積木一樣，選擇性地加入標準擴展來增強處理器的能力：

• M 擴展: 提供整數乘法和除法指令；

• A 擴展: 提供原子操作指令，用於多核心處理器或多執行緒環境下的同步；

• F 和 D 擴展: 分別提供單精度和雙精度浮點運算指令，對於科學計算、圖形處理等至關重要；

• C 擴展: 提供壓縮指令 (Compressed Instructions)，允許將常用的 32 位元指令壓縮成 16 位元，有助於減少程式碼大小，提高指令快取效率和效能；

• V 擴展: 提供向量處理 (Vector Processing) 指令，極大地加速了數據並行計算任務，是 AI/ML、HPC 和多媒體處理的利器；

• B 擴展: 提供位元操作 (Bit Manipulation) 指令，有助於優化加密、圖形、網路封包處理等特定演算法的效能。

除了這些由 RISC-V International 標準化的擴展之外，RISC-V 還允許使用者定義自己的客製化擴展 (Custom Extensions)；這使得晶片設計者可以針對特定應用場景（例如特定領域的 AI 演算法、特殊的安全功能或獨特的控制邏輯）添加專用的指令，打造出高度優化、具備差異化競爭力的處理器核心，這是傳統專有 ISA 難以企及的靈活性。

RISC-V 生態系剖析：誰在參與？如何運作？

一個成功的 ISA 標準，離不開活躍且健康的生態系統支持；RISC-V 的生態系正在快速發展，涵蓋了從標準制定、核心 IP 提供、晶片設計、軟體工具鏈到作業系統支援的各個環節：

• RISC-V International: 這是一個非營利組織，負責維護 RISC-V ISA 規範的制定、標準化和推廣；它並不設計或銷售 RISC-V 核心，而是確保標準的穩定性、開放性和一致性，並提供相容性測試套件，確保不同廠商實現的 RISC-V 處理器能夠遵循相同的規範；其成員來自全球學術界和產業界，共同參與標準的發展。
  

• 核心 IP 提供商: 這是 RISC-V 生態中的關鍵角色；他們基於 RISC-V 規範設計出各種效能、功耗和功能特性的處理器核心 IP (矽智財)，授權給晶片設計公司使用；知名的廠商包括 SiFive (由 RISC-V 創始團隊創立)、Andes Technology (台灣的晶心科技)、Codasip、Esperanto Technologies 等；他們提供從低功耗微控制器核心到高效能應用處理器核心的多樣化選擇。
  

• 晶片設計公司 (SoC Vendors): 越來越多的半導體公司開始在其系統單晶片 (SoC) 設計中採用 RISC-V 核心；有些公司直接使用來自 IP 提供商的核心，有些則基於 RISC-V 的開放性自行設計或修改核心；應用範圍涵蓋了從微控制器 (MCU)、物聯網 (IoT) 晶片、固態硬碟 (SSD) 控制器、AI 加速器內的控制核心，到更複雜的領域；例如，高通 (Qualcomm) 已在其穿戴裝置平台採用 RISC-V 核心，Google 在其 Titan 安全晶片中使用了 RISC-V，Intel 也在其晶圓代工服務 (IFS) 中積極擁抱 RISC-V 生態，並在其部分產品中使用 RISC-V 作為管理引擎等。
  

• 軟體生態系統: 硬體若沒有軟體支持將寸步難行；RISC-V 的軟體生態也在同步發展中；主流的編譯器工具鏈，如 GCC 和 LLVM，已經提供了對 RISC-V 的完整支援；Linux 核心對 RISC-V 的支援日趨成熟，涵蓋了從 32 位元到 64 位元架構以及多種標準擴展；各種即時作業系統 (RTOS) 如 FreeRTOS、Zephyr 也廣泛支援 RISC-V；除錯器、模擬器、開發板等開發工具也日益豐富。

這個由標準組織、IP 供應商、晶片設計公司和軟體開發者共同組成的生態系統，正在協力推動 RISC-V 技術的成熟與普及。

RISC-V vs. Arm vs. x86：關鍵特性比較

為了更清楚地了解 RISC-V 的獨特性，我們可以將它與目前市場上最主要的兩個專有 ISA——Arm 和 x86 進行比較：

特性	RISC-V	Arm	x86
ISA 類型	RISC (精簡指令集)；模組化設計	RISC (精簡指令集)	CISC (複雜指令集)
授權模式	開放標準；免授權費	專有；需支付授權費 (架構授權/核心授權) 和版稅	專有；主要由 Intel/AMD 設計與製造，對外授權極少
客製化彈性	高；允許添加客製化指令擴展	中等；可配置部分特性，但指令集擴展受限	低；幾乎不允許使用者修改 ISA
生態系統成熟度	快速成長中；但在工具、軟體優化、驗證方面仍在追趕	非常成熟；尤其在行動和嵌入式領域	非常成熟；尤其在 PC 和伺服器領域
主要目標市場	IoT、嵌入式、儲存、AI 加速器控制、汽車、領域專用處理器；逐漸拓展至行動、PC 與伺服器	行動裝置 (手機/平板)、嵌入式、汽車、物聯網、部分 PC 與伺服器 (Neoverse)	PC、筆記型電腦、伺服器、高效能運算
主導廠商/組織	RISC-V International (標準組織)；多家 IP 供應商與晶片廠	Arm Holdings (IP 供應商)	Intel, AMD (主要設計與製造商)

RISC-V 的優勢與潛力：為何吸引眾多玩家投入？

RISC-V 之所以能在短時間內吸引全球眾多企業、研究機構和開發者的目光，主要歸功於其獨特的優勢：

• 無需授權費用: 這是最直接的吸引力；免除高昂的 ISA 授權費和後續的版稅，顯著降低了晶片設計的門檻和成本，尤其對於新創公司、學術研究單位以及成本敏感的應用領域（如 IoT）極具吸引力；
  

• 設計自由與高度客製化: 開放的特性允許設計者根據特定需求自由選擇標準擴展，甚至添加專用指令，打造出功耗、效能、面積 (PPA) 最優化的處理器，實現差異化競爭；這對於需要特定領域加速 (Domain-Specific Acceleration, DSA) 的應用（如 AI、網路處理）尤為重要；
  

• 避免供應商鎖定 (Vendor Lock-in): 使用專有 ISA 往往意味著深度綁定單一供應商的技術路線和商業模式；RISC-V 的開放性提供了更多的選擇，設計者可以在不同的 IP 供應商之間切換，甚至自行開發核心，掌握更大的自主權；
  

• 透明性帶來的潛在安全優勢: 開放的指令集意味著其設計細節可以被公開審查；雖然開放性本身不直接等於安全，但更多的眼睛檢視有助於發現潛在的漏洞和後門，促進更安全的硬體設計（當然，具體的安全實現仍取決於設計者）；
  

• 促進創新與競爭: 開放標準降低了創新門檻，鼓勵更多參與者進入市場，激發新的設計理念和應用模式，有助於打破現有市場格局，促進良性競爭；
  

• 地緣政治考量與技術主權: 在當前複雜的國際形勢下，一些國家和地區將發展基於 RISC-V 的自主晶片產業視為擺脫對外國技術依賴、實現技術主權的重要途徑。

這些優勢使得 RISC-V 不僅僅是一個技術選項，更被賦予了推動產業變革的期待。

現實挑戰與爭議：RISC-V 邁向主流的必經之路

儘管 RISC-V 充滿潛力，但要真正挑戰 Arm 和 x86 的市場地位，仍需克服一些現實的挑戰與伴隨而來的爭議：

• 生態系統成熟度差距: 相較於 Arm 和 x86 數十年積累的龐大且成熟的生態系統，RISC-V 在軟體工具鏈的穩定性、效能優化、作業系統支援的廣度與深度、以及開發除錯工具的完善程度等方面，仍有相當的差距需要彌補；雖然進展迅速，但成熟度仍是許多商業應用導入時的主要考量；
  

• 碎片化 (Fragmentation) 風險: RISC-V 的最大優勢——客製化彈性，同時也可能帶來碎片化的隱憂；過多的客製化擴展如果缺乏標準化管理和良好的軟體支援，可能導致軟體難以在不同的 RISC-V 處理器之間移植，增加開發和維護成本，削弱 RISC-V 作為一個統一標準的價值；RISC-V International 正努力透過標準化流程和相容性測試來緩解此問題；
  

• 效能優化挑戰: 雖然 RISC-V 指令集本身設計優良，但要達到與高度優化的 Arm 或 x86 核心相媲美的效能功耗比，仍需要大量的工程投入，包括微架構設計的創新、編譯器的持續優化以及與製程技術的緊密結合；目前頂尖的 RISC-V 核心在某些領域已展現出強勁的競爭力，但在通用高效能計算方面仍需時間證明；
  

• 驗證與相容性複雜度: 確保一個 RISC-V 核心完全符合標準規範，並且與生態系統中的其他軟硬體元件能夠正確互動，是一項複雜且耗時的驗證工作；隨著標準擴展和客製化指令的增加，驗證的難度也隨之提升；
  

• 缺乏單一強勢主導者: 與 Arm Holdings 或 Intel 不同，RISC-V 缺乏一個單一的商業實體來強力推動標準的統一、解決生態系統中的重大問題或投入巨資進行前沿研發和市場推廣；雖然 RISC-V International 扮演著協調角色，但生態的發展更依賴於眾多參與者的共同努力和市場的自然選擇。
  

這些挑戰是 RISC-V 發展過程中必須面對和解決的問題；克服這些障礙的程度，將決定 RISC-V 未來能夠達到的高度。

RISC-V 的應用版圖：從微控制器到超級電腦？

得益於其靈活性和低成本優勢，RISC-V 已經在多個領域找到了立足點，並持續向更廣泛的應用拓展：

• 當前主要陣地:

  • 物聯網 (IoT) 與嵌入式控制器: 這是 RISC-V 最早取得商業成功的領域；對於成本和功耗極其敏感的微控制器應用，RISC-V 的免授權費和設計彈性優勢明顯；從智慧家電、穿戴裝置到工業控制，都可以看到 RISC-V 的身影；

  • 儲存控制器: 固態硬碟 (SSD) 和硬碟 (HDD) 中的控制器，需要處理數據流和執行管理任務，RISC-V 因其可客製化和低功耗特性而被廣泛採用；

  • AI/ML 加速器中的控制核心: 許多 AI 晶片設計中，會使用一個或多個 RISC-V 核心作為主控制器或協處理器，負責任務調度、數據管理等，而將主要的張量運算交給專用加速單元；RISC-V 的向量擴展 (V extension) 也使其可以直接參與部分 AI 計算任務；
    

• 新興與成長領域:

  • 汽車電子: 從座艙娛樂系統的輔助核心、感測器融合到更關鍵的駕駛輔助系統 (ADAS) 甚至自動駕駛域控制器，汽車領域對處理器的需求多樣且要求嚴格（功能安全、可靠性），RISC-V 的開放性和可客製化為汽車晶片設計提供了新的選擇；

  • 穿戴式裝置: 高通等廠商已將 RISC-V 用於穿戴裝置的低功耗處理核心；

  • 資料中心基礎設施: 雖然尚未大規模取代 x86 或 Arm 伺服器 CPU，但 RISC-V 已被用於資料中心基礎設施處理器 (IPU/DPU)、平台管理控制器 (BMC)、以及特定負載的客製化加速器中；
    

• 探索與實驗領域:

  • 高效能運算 (HPC): 歐洲處理器計畫 (European Processor Initiative, EPI) 等專案正在探索使用 RISC-V 結合其他加速器來構建下一代超級電腦；RISC-V 的向量擴展被認為是關鍵；

  • 個人電腦與通用計算: 雖然目前市場上尚無能與主流 x86/Arm PC 處理器正面競爭的 RISC-V 晶片，但已有廠商和社群在開發面向桌面或筆記型電腦的 RISC-V 平台，未來發展值得關注。

RISC-V 的應用版圖正在從低功耗、低成本的嵌入式領域，逐步向效能要求更高、生態更複雜的領域滲透。

未來展望：RISC-V 將如何塑造運算世界的樣貌？

RISC-V 的崛起，代表著一股由開放、協作、客製化驅動的硬體設計新浪潮；展望未來，RISC-V 可能從以下幾個方面持續塑造運算世界的樣貌：

• 生態系統持續擴張與成熟: 隨著更多廠商的投入和開源社群的貢獻，RISC-V 的軟硬體生態系統將日趨完善，工具鏈更穩定，效能優化更佳，逐漸縮小與成熟 ISA 的差距；
  

• 標準化與碎片化的平衡: RISC-V International 將繼續在推動關鍵功能標準化（如向量、位元操作、安全相關擴展）與保持客製化彈性之間尋求平衡，以維持生態的統一性與活力；針對特定領域（如汽車功能安全）的 Profile 標準化將是重點；
  

• 在特定領域取得突破: RISC-V 有望在 IoT、嵌入式、汽車、領域專用加速器等領域佔據重要市場份額；在資料中心、行動裝置等領域，則可能先從輔助核心、特定功能處理器等角色切入，逐步擴大影響力；
  

• 對現有市場格局的影響: RISC-V 的普及將對 Arm 和 x86 構成長期的競爭壓力，可能迫使現有巨頭調整其授權模式或更加開放；市場競爭的加劇最終將使終端用戶受益；
  

• 推動硬體設計民主化: RISC-V 降低了晶片設計的門檻，使得更多中小型企業、新創公司甚至個人開發者能夠參與到硬體創新中來，類似於開源軟體對軟體產業的變革；
  

• 與 Chiplet 等趨勢結合: 在小晶片 (Chiplet) 異質整合的趨勢下，RISC-V 的開放性和靈活性使其成為構建客製化 Chiplet 的理想選擇之一。

RISC-V 的發展之路並非一片坦途，挑戰與機遇並存；但其所代表的開放精神和技術潛力，已經在全球範圍內點燃了創新的火花；它不僅僅是一個新的指令集標準，更可能是一個改變未來數十年運算產業格局的關鍵變數；持續關注 RISC-V 的發展，就是關注運算世界的下一個重要篇章。

您認為 RISC-V 在哪個應用領域最有潛力率先取得重大突破？或是您覺得 RISC-V 面臨的最大挑戰是什麼？