【產業研究報告】年成長率高達40%的崛起產業，由淺入深一起認識RISC-V指令集
資料來源: 鉅亨網/晶心科IC示意圖
前言:
你可否曾經想過，日常生活中我們看到的電腦、手機等科技產品都是如何達到這麼複雜的運算呢?彈指之間就能把我們的動作化為產出，這之中又是靠著怎麼樣的運算呢?就彷彿有顆大腦在之中運行一般。事實上不管是手機或是電腦，他們的"大腦"都有著不同的架構在，如果這時告訴你，現在有一個正在快速成長的新架構，以年成長率(CAGR)高達40%的驚人速度準備衝擊產業，是否很難想像呢?這次就來聊聊最新的崛起產業-- RISC-V。
目錄:
手機和電腦的架構不一樣?淺談中央處理器
指令集大解密！從複雜到精簡的演化:
x86、ARM和RISC-V為指令集架構三巨頭
IP原來是這個意思！日常生活都可見
RISC-V勢不可擋！Meta、Intel虎視眈眈
台灣也有RISC-V大廠！晶心科大啖商機
手機和電腦的架構不一樣?淺談中央處理器:
在認識指令集架構之前必須先來介紹中央處理器(Central Processing Unit)，也就是大家耳熟能詳的CPU，是電腦最重要的組件之一，打個比方，CPU之於電腦就像大腦之於人類一樣，主要工作是執行和處理所有的電腦指令和運算。因此，就如同大腦有分昆蟲的大腦、人類的大腦、大象的大腦一樣，CPU也有相當廣泛的應用範疇，無論是桌上型電腦、筆記型電腦、智慧型手機、平板，或是伺服器、條碼掃描器，甚至車輛和家用電器，都與CPU形影不離。
一般來說CPU的處理流程為1.取得指令 2.解碼 3.執行 4.儲存，這也叫做所謂的「指令週期」，日常生活中使用的電腦或是手機，都是在一遍又一遍的指令週期下完成任務，因此一台CPU往往需要處理數量龐大的指令，而這些指令的集合稱為指令集(Instruction Set)，指令集的架構就稱為指令集架構(ISA)，正因為用途範圍太廣，如同PCB能夠因不同環境條件分為車用、通訊等(延伸閱讀:【產業研究報告】車用PCB玄機揭密：台灣強勢崛起，這4檔最看好！)，CPU也因為應用在電腦和手機等不同地方衍生出了不同的指令集架構，像是應用在電腦上的x86、應用在手機上的ARM等。
指令集大解密！從複雜到精簡的演化:
CPU的指令集大致分為2種，複雜指令集(Complex Instruction Set Computer,簡稱CISC)和精簡指令集(Reduced Instruction Sset Computer, 簡稱RISC)。起初的處理器都是CISC架構，隨著時間演進，有越來越多的指令集加入。由於當時編譯器的技術並不純熟，程式都會直接以機器碼或是組合語言寫成，是一件龐大且麻煩的工程，為了減少程式設計師的設計時間，逐漸開發出單一指令、複雜操作的程式碼，也就是說，設計師只需寫下簡單的指令，再交由CPU去執行，便可完成複雜的任務。然而在整個指令集中，只有約20％的指令會被頻繁使用到，約佔整個程式的80％；剩餘80％的指令，只佔整個程式的20％。於是1979年美國加州大學柏克萊分校的David Patterson教授主張硬體應該專心加速常用的指令，再用這些常用的指令去進一步組合成較為複雜的指令，於是便衍生出精簡指令集，也就是RISC的概念。
而RISC就簡單許多了，由於叫做精簡指令集，顧名思義，RISC簡化了處理器的架構，指令長度是固定的，CPU更容易做解碼、更直觀的去想，成本和耗電量自然就比CISC低了不少，這麼一來兩者便有了用途上的分歧：CISC適合做高性能、高耗電的CPU，像是電腦，最廣為人知的例子便是intel和AMD所推出的x86；而RISC適合用在較低效能、省電的CPU上，像是手機，最有名的例子就是一直以來炒得火熱的ARM，以及我們今天的主題RISC-V。
如果覺得上述內容有點抽象的話，不妨想像一下擺在家中的裝飾，CISC就像組好的模型，有許多細節做工在於平常不易注意到的如模型的小組件、接合處，但多數時候一眼望過去只會看到部分的作工；而RISC就有點像樂高一樣，集中在平常觀賞時會注意到的外觀，細節就不如模型來的精緻。
值得一提的是，CISC和RISC是後來衍申出的相對概念，並不是從一開始就有CISC、RISC這2種指令。
x86、ARM和RISC-V為指令集架構三巨頭
接著進一步來談談CISC和RISC兩大指令集下的主要架構，最廣為人知的莫過於x86、ARM以及RISC-V：
- x86
x86其實是指過去Intel處理器的通稱，Intel以前的處理器大多以86為其產品編號的末兩碼──8086、80286、386、486等，是屬於CISC架構，指令數繁多，並且不授權給其他家公司製作，現在較為知名的採用者為intel和AMD，應用範圍主要在桌上型電腦和筆電。
- ARM
ARM 架構全名為進階精簡指令集機器(Advanced RISC Machine)，屬於RISC架構，幾乎市面上所有手機的處理器都是採用ARM架構，不過ARM架構的智慧財產權(IP)在安謀控股（ARM Holdings），但需要使用這個架構的公司非常多，因此如果想使用ARM架構就必須向安謀控股支付授權金換取使用的權利。
- RISC-V
V 代表羅馬數字 5，因此，RISC-V 就是第 5 代精簡指令集，被視作是ARM的最佳替代方案，用意在減少電腦運算指令，讓晶片設計更為簡化。而RISC-V之所以能夠崛起，主要還是因為他的免費授權概念，人人都可以設計RISC-V，進而應用在許多地方，小到微控制器(MCU)，大至超級電腦，都能看到RISC-V的身影，並且相較於x86和ARM的壟斷市場，RISC-V幾乎是沒有進入門檻。
IP原來是這個意思！日常生活都可見
講到這裡大家恐怕也會好奇"授權"這個概念，這又會牽扯到智慧財產權(Intellectual Property,IP)的領域了，這邊舉個例子來方便大家知道ARM和RISC-V的主要差別，
回到前一段所打的比方，假設精簡指令集是樂高玩具好了，今天若是想組一座樂高，而樂高又可以進一步分為有設計圖、專利的盒裝主題性樂高，以及可以自由拼接的散裝樂高，ARM就像是前者，有著一張張不同的設計圖，如果組成特定主題，那麼就必須付錢買那些設計圖、取得授權才有辦法組裝，RISC-V則是自由拼接的樂高，人人都可以製作和設計，具有相對自由、可控、開源等概念。
當然IP領域並不是只有指令集才能應用，事實上IP是一個非常廣大的概念，例如我們常常看到服飾品牌推出的"XX電影、XX動漫"聯名衣服、便利商店推出的聯名馬克杯等，也都是需要支付權利金才能製作營利的。
RISC-V勢不可擋！Meta、Intel虎視眈眈
誠如前述，RISC-V憑藉著開源、設計彈性等優勢，可以廣泛用於各項領域，例如高通公司已經著手運用RISC-V到自家產品上，並且聯手博世（Bosch）、英飛凌、恩智浦、Nordic等企業宣布於德國成立合資公司，加速RISC-V架構產品商業化；而國際龍頭企業如Meta、英特爾、Tenstorrent和Ventana也都正在開發基於RISC-V的人工智慧(AI)和高效能運算解決方案。
談及RISC-V的成長，自從2014年8月推出以來，已經取得了非常多的進步。近日在 RISC-V 論壇上，RISC-V International 執行長 Calista Redmond 表示，未來幾年RISC-V的採用將以40%的年複合成長率(CAGR)成長。因此，到2030年，指令集架構將在160億顆系統單晶片中使用，這比迄今為止約10億顆呈現大幅增加的態勢。
就像前面提到的，在現今的全球晶片市場中，x86與ARM指令集架構各霸一方，其中x86在電腦及伺服器市場霸榜多年。至於ARM，則是隨著行動網路的崛起，成為當下行動裝置最主流的處理器架構，市佔率幾乎接近100%。然而RISC-V近期層出不窮的商業案例正備受企業追捧，有機會成為建構運算生態的一種新選擇。
台灣也有RISC-V大廠！晶心科大啖商機
既然RISC-V有著這麼龐大的商機，台廠自然不會放過，目前台灣最為知名的RISC-V概念股為晶心科(6533)，趕緊來了解這間公司。
晶心科成立於2005年，主要提供CPU處理器以及相關客制化服務，靠著不同應用領域客戶採用RISC-V，如今已躍居安謀、ARC、 MIPS、SiFive之外，全球第5大嵌入式處理器矽智財供應商。晶心科2023年前三季的營業比重分別為矽智財(IP)授權收入57%、權利金收入24%、矽智財維護服務收入19%，而RISC-V在全部營收中貢獻了高達71%的比重，並且截至2023的前三季RISC-V營收寧增已達16.5%，在授權金佔比更是由2018的44%提升到現在的約90%，目標市場鎖定人工智慧(AI)/高效能運算(HPC)、AR/VR、5G、網路通訊、車用等。作為RISC-V國際聯盟的首席會員，旗下產品完整涵蓋相關軟硬體發展平台及工具鏈，後續隨新產品推出，在客戶開發階段將收取權利金，進入量產後將有穩定的權利金挹注，在RISC-V市場需求持續增加下，晶心科接單動能將有希望可以延續回溫。
IP、IC設計和晶圓代工一次看
談到晶心科的收入模式，就來聊聊上、中下游的關聯性以及商業模式，進一步了解這間公司的產業鏈是怎麼運作的吧。晶心科在產業鏈中扮演上游的角色，主要為設計指令集架構，並將指令集的設計圖賣給IC設計公司，如聯發科(2454)、聯陽(3014)，以及IC設計服務公司，如智原(3035)、創意(3443)等或是終端客戶(如蘋果、特斯拉、Google等)的IC設計部門來進一步設計晶片，根據不同需求來製作晶片設計圖。可以看的出來，整段過程十分強調「客製化」的概念，以授權金、出售設計圖為主要收入來源。好比今天某服飾商要販售"多拉A夢"的聯名衣服，就必須先經過"多拉A夢"的官方授權，取得授權的服飾設計業再進一步透過多拉A夢這個IP去設計不同版型的衣服、外套等，接著再由成衣製造業去取得不同衣服的設計圖進一步製造。而晶心科扮演的就像是例子中"多拉A夢"的角色一般，透過授權來獲利。
晶心科的競爭對手--元老級的SiFive
而國際間RISC-V的知名大廠還有SiFive，SiFive是由RISC-V發明人於2015年所創立的公司，同時，SiFive 也是 RISC-V 國際聯盟創始會員之一，其主要產品為基於 RISC-V 架構的處理器核心 IP。前十大半導體業者中，已有八家採用SiFive的RISC-V核心技術，並達成核心出貨量超過數十億顆的實績。不過在中美貿易戰、華為事件的影響之後，大陸廠商在RISC-V市場中只會選擇晶心科，根據研調機構Semico Research預測，在2025年中國大陸將擁有全球最大的市場空間，這對於晶心科而言無非是一個巨大的優勢。
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