穩定性為ISA發展關鍵
RISC-V之目標是從其他處理器ISA錯誤中汲取教訓。關鍵是穩定性，包括指令集和內核，以及晶片設計人員、編譯器製造商、作業系統架構師和開發工具提供商等。這對於鼓勵工程師盡可能多在產業鏈中使用這種開源技術，使更強大處理器內核得到更多獲取和使用至關重要。特定應用開發人員可以使用最小記憶體和功耗來優化其固化的ISA代碼，但仍可擴展並與未來設備相容。這允許處理器內核開發人員應對指令集的各種不同實施方式，從簡單管線到具有多階和無序執行管線。這些會具有不同的延遲、尺寸大小和功耗，但彼此之間都具有底層相容性，以及生態圈中包含的工具。
在整個生態圈中提供這種穩定性是新指令集的關鍵。它的設計考慮了32位元、64位元和128位元位址空間，因此可以保持它們之間的相容性。該架構還專門設計具有可延伸性，以便為晶片製造商提供差異化和未來應用場景所需的客製化服務，但ISA的基礎仍然是絕對不受影響。
ISA開放性使軟體架構更有影響力
128位元ISA依然未確定，因為在嵌入式系統中，如此之大儲存容量幾乎沒有實際意義。但是，該體系架構將支援更大的位址空間這一事實凸顯了其前瞻性思維方式。這意味著為RISC-V編寫或移植到其上的軟體將永遠能夠在所有類似的RISC-V內核上運作，為軟體管理員提供了堅實的基礎，可以保護他們的軟體投資。由於ISA是開放的，因此可以開發多種硬體實施方案，因此軟體架構可以在最終硬體實施中變得更有影響力。
對於硬體設計人員之輸入會使RISC-V內核更加以軟體為中心，這導致出現了許多採用ISA的處理器內核，以及大量基於這些內核的系統單晶片(SoC)，Codasip、Syntacore、Hex Five和T-Head都開發相應的內核，而SiFive則推出了一系列32位元和64位元SoC。
SiFive由Yunsup Lee(RISC-V最初創建者之一)共同創立，作為SoC平台家族，於2017年推出首個RISC-V內核，並增加了對內核和晶片支援(圖1)。這些元件採用28nm製程，用於64位元多核Linux實施，或者採用180nm製程，適用於具有多種周邊設備的32位元低成本物聯網市場。
該公司的Freedom平台包括完整的軟體規格、用於開發作業系統的板級支援包(BSP)、開發板和基礎晶片等，允許客戶創建自己的晶片增強型設計和客製化產品。Freedom U500家族是一款完全支援Linux的嵌入式應用處理器，採用多核RISC-V CPU，運作速度為1.6GHz甚至更高，支援加速器和快取記憶體一致性，適於機器學習、儲存和網路等應用。它支援標準的高速周邊設備，包括PCIe 3.0、USB 3.0、Gb乙太網路和DDR3/DDR4。
Freedom E300家族為設計用於物聯網和可穿戴設備市場的嵌入式微控制器(圖2)。基於Freedom E310的HiFive1相容Arduino的RISC-V開發套件採用SiFive的E31 CPU Coreplex，是一款高性能32位元RV32IMAC內核，能夠以超過320MHz的頻率運作(圖3)。
SiFive還將RISC-V指令集用於據稱是世界上最小嵌入式處理器內核。S2內核IP家族是一個可配置內核，可以小到只具有13,500個邏輯閘(在RV32E 32位元版本狀況下)。S21 64位元嵌入式內核具有獨立指令和資料匯流排，以及兩組緊密整合的記憶體(TIM)，這使SoC能夠擁有一個始終開啟的低功耗32位元CPU，可與高階64位元CPU結合使用，當某些應用需要更高性能時(例如語音啟動智慧型設備)，該CPU可以開啟。這種開發配置有助於滿足機器學習和物聯網連接設備日益成長之需求，其中即時載荷已經產生了對邊緣處明顯增強的嵌入式智慧之巨大需求。
RISC-V的開源特性已經為Kendryte、efabless和low RISC等新創公司開闢了SoC設計，但更多主流晶片提供商也在使用該技術。Microsemi(現為Microchip一部分)已經為SiFive生產了一些開發板，而NXP則擁有自己的RISC-V晶片。Andes Technology和Greenwave也開發了基於ISA的多種IC。Faraday Technology已將ISA用於ASIC平台，目標是下一代邊緣人工智慧(AI)和物聯網SoC的設計和批量生產。其彙集了RISC-V內核IP整合和SoC設計驗證，以及全功能參考設計套件，其中包括即時作業系統(RTOS)和周邊設備驅動程式，所有這些都採用55nm制程，適用於電池供電的邊緣設備。這突顯了硬體製造商可以在標準ISA基礎上實現差異化。Faraday Technology在其平台中整合有動態電壓和頻率調節(DVFS)、功率模式切換和快速系統喚醒等功能，也可以安全地整合軟體庫和驅動程式，以確保晶片在實現特定的介面、感測和電源管理功能時能夠無縫工作。
RISC-V ISA可與各種工具共同使用
RISC-V ISA的另一個優勢是它能夠與各種工具一起使用。Microsemi在其FPGA產品中使用了ISA，其中包括Express Logic的ThreadX、華為LiteOS和Micrium µC/OS-II等多種嵌入式作業系統。主機板包括RTG4開發套件和PolarFire評估套件等，其中還包括Microsemi和Olimex的除錯硬體鑰匙(Debug Dongle)，第一級bootloader和多個軟體周邊設備。GitHub可以提供驅動程式、韌體和項目示例。受益於這種穩定性的另一家工具公司是UltraSoC，它開發可嵌入SoC的硬體來偵測活動，可用於更有效地除錯晶片，甚至可以在現場用於偵測。UltraSoC一直在與Andes合作，將偵測硬體整合到高階AndesCore處理器IP中，並整合到Esperanto Technologies的AI「片上超級電腦(Supercomputer-on-a-chip)」，這種片上超級電腦採用數千個RISC-V內核。Esperanto工程團隊由RISC先驅Dave Ditzel領導，他幫助開發了SPARC RISC處理器。2018年9月，Esperanto針對10級高性能內核使用RV64GC 64位元ISA完成了一個名為ET-Maxion的RTL，預計2019年下半年提供樣品，2020年中前後實現量產。這其中還包括一個名為ET-Minion的更小、更高能效64位元內核。它使用帶有多執行緒指令的有序流水線架構，並添加了一個向量浮點模組，支援圖形擴展和Google的Tensor AI指令，都透過領先的7nm製程。所有這些都是採用基於RISC-V ISA的單個工具鏈構建，其中也包括測試和驗證工具，所有內核可以組合在一個片上超級電腦，具備16個Maxions和4,096個Minions，在Maxion內核上運作Linux和其他高級軟體，同時將AI密集型載荷委託給Minions。由於在所有設備上使用相同ISA，所有這一切變得更加容易，而突顯了RISC-V技術的價值。
RISC-V高性能系統仍存挑戰
雖然在RISC-V的開發和應用方面已經取得了相當大進展，但前面還存在許多障礙。普林斯頓大學的研究人員發現，RISC-V開源處理器內核還存在一些缺陷，他們認為非常重要。研究人員發現了100多個錯誤，其中涉及儲存順序錯誤和RISC-V處理器架構變體中記憶體檢索，如果不加以修正，可能會導致RISC-V晶片上運作軟體出現問題。RISC-V基金會表示，這些錯誤不會影響大多數RISC-V版本，但對於更高性能的系統可能存在一些問題。
透過一個遍及32位元、64位元甚至128位元(當它們出現時)位址空間的通用固化ISA，無論是研究項目，物聯網節點，還是一個片上超級電腦，內核開發人員可以專注於特定處理器實施。所有這些都使用相同編譯器，相同開發工具和相同除錯工具，以大幅減少碎片化工作，並使公司繼續推動提升性能基準，而不是擔心用於多內核的多個軟體產品之維護，而且，所有這些都是開放式，任何改進都可回饋到整個行業。RISC-V的不斷擴展能夠實現更好差異化和功能優化，尤其是在安全性方面，而不會影響工具生態圈穩定性。透過這種方式，在軟體需求驅動下，RISC-V能夠使硬體開發人員專注於創新，進而滿足最終用戶在成本、功耗、安全性和性能等方面需求。
