RISC-V是什麼？人人都能使用的開放指令集

生活中的例子

電子DIY常會用到一種附Wi-Fi的小型微控制器板。其中部分產品的CPU，是依照RISC-V這套指令集運作的。NVIDIA的GPU裡，也有遵循RISC-V的小型CPU。硬碟和SSD的製造商，也宣布了把控制用的CPU改成RISC-V的方針。

這些都是從產品外面看不到的地方。所以就算聽過這個名字，很多人可能也沒什麼概念。本文會先確認「指令集」是什麼，再來看RISC-V新在哪裡。

指令集是軟體與CPU之間的「約定」

CPU是一個一個執行「相加」「比較」「從記憶體讀取」這類簡單指令的零件。指令不是用文字寫的，而是用0和1的排列（機器碼）寫成。詳細說明請看「CPU是什麼？」。

有哪些指令，各用0和1的什麼排列來表示。這個約定稱為「指令集」，正式名稱是指令集架構（ISA）。指令集也規定了CPU內部小型存放位置的數量，以及指令的長度等。

重要的是，指令集只決定「做什麼」，不決定「用什麼電路來實現」。電路怎麼做，由做CPU的公司自由設計。因此只要遵循同一套指令集，不論是小型微控制器還是高效能CPU，都能執行同樣的機器碼程式。細節條件會在後面的章節說明。

三種代表性的指令集，以及「使用權」的差異

現在廣泛使用的指令集，代表是x86、Arm、RISC-V這3種。它們在技術上也有差異，但最大的差異是「誰能在什麼條件下做CPU」。

x86是從Intel在1978年發表的8086延續下來的指令集。許多Windows電腦和伺服器都使用它。做x86 CPU的，主要是Intel和AMD這2家公司。其他公司不能自由製造、販售x86的CPU。

Arm是英國Arm公司擁有的指令集。Arm公司把使用這套指令集的權利授權給其他公司，收取的費用是主要收入。根據Arm公司的年度報告，授權方式主要有2種。一種是授權Arm公司做好的CPU設計圖。另一種是只授權使用指令集，由對方自己設計CPU。無論哪一種，都要支付簽約的費用（授權費），以及每出貨1顆晶片的使用費（權利金）。

RISC-V的規格書公開，任何人都能免費閱讀。設計並販售遵循RISC-V的CPU，也不必向管理規格的組織支付授權費或權利金。像這樣公開讓任何人使用的規格，稱為「開放標準」。不過，「RISC-V」的名稱和標誌是管理組織的商標，用在產品上另有規定。

這張表大略整理了商業模式的差異。技術面的比較，整理在「ARM、RISC-V、x86的差異」的表格中。

RISC-V從哪裡來？

RISC-V在2010年5月，從加州大學柏克萊分校開始。它是Krste Asanović教授與研究生Yunsup Lee、Andrew Waterman所開始的研究的一部分。做研究和上課時，常常想自由修改CPU的內部，並公開結果。但是既有的指令集，不能自由修改，也不能散布修改後的版本。

名稱中的「RISC」是一種設計理念：限縮指令的種類，讓每個指令都單純、格式一致。單純的指令，電路比較好做，也比較容易快速執行。相反地，讓1個指令做很多工作的理念稱為CISC，x86屬於這一邊。差異整理在「RISC與CISC的差異」的表格中。

在RISC的指令集中，讀寫記憶體只用專用的指令來做。計算則在CPU內部的小型存放位置（暫存器）之間進行。這種方式稱為載入儲存架構，Arm和RISC-V都採用。每個指令的工作單純又一致，所以電路容易依序處理。

「V」是羅馬數字的5。柏克萊分校從1981年發表的RISC-I開始，延續了好幾代的RISC研究。根據規格書的說明，RISC-V相當於其中第5代的主要設計。

2014年，Asanović教授和David Patterson教授發表了「指令集應該是自由的」報告。2015年，培育規格的組織RISC-V Foundation成立，許多企業加入。這個組織在2020年3月於瑞士成為法人，改為現在的名稱RISC-V International。它是非營利組織，規格由會員討論決定。

在「小小的基本」上自選「擴充」

RISC-V的設計最顯眼的地方，是把指令集像零件一樣組合使用。作為基礎的是小型的「基本指令集」，只有整數計算、記憶體讀寫和分支。分支是指依條件選擇下一個要執行的指令。有處理32位元數字的RV32I，以及64位元的RV64I。依照規格書的算法，RV32I的指令只有40個。

在這個基本之上，只把需要的功能當作「擴充指令集」選擇加入。每種擴充都有一個英文字母的名稱。代表性的如下。

• M：整數的乘法、除法（不包含在基本指令集裡）
• A：讀寫時不會中途被打斷的指令。讓多個核心（執行指令的電路）處理同一份資料時也不會出錯
• F、D：含小數的數字計算。F是標準精度，D是它的2倍精度
• C：把常用的指令，寫成16位元的短格式，而不是一般的32位元
• V：對大量資料一次做相同的計算（向量擴充，2021年正式通過）

像C這樣把指令寫短的形式，稱為壓縮指令。根據規格書，一般可以把50～60%的指令換成短格式。結果程式的大小可以縮小25～30%。在記憶容量小的微控制器上，這個差距的效果很大。

CPU有哪些擴充，看名稱就知道。例如後面會介紹的Espressif ESP32-C3，是「RV32IMC」。意思是在32位元的基本之上，加了M（乘法、除法）和C（短指令）。此外，規格中也預留了空間，讓各公司放入自己的專屬指令。可以加入AI計算等，專門針對特定工作的指令。

用在哪裡？

RISC-V最先普及的地方，是在產品內負責固定工作的小型CPU。這類CPU從外面看不到，而且1台機器裡往往有好幾個。由於數量多，不必按顆支付使用費的好處就特別明顯。

• 儲存裝置的控制：Western Digital在2017年宣布，要把產品控制用的核心逐步改成RISC-V。當時，該公司每年使用的核心超過10億個。2018年12月，又宣布公開自家設計、用於SSD等產品的RISC-V核心「SweRV」。
• 微控制器：Espressif在2020年11月發表了微控制器ESP32-C3。這是具備Wi-Fi和藍牙通訊功能的產品。CPU是32位元的RISC-V，最高以160 MHz運作。
• GPU內部的控制：GPU內部有負責整體控制的小型CPU。NVIDIA從2010年代中期起，把它從自家專屬的方式改成RISC-V。根據2024年RISC-V會議上的演講，1顆晶片裡大約有10～40個RISC-V核心。

現在許多晶片，都是把CPU和計算、通訊等電路整合在一起的SoC（系統單晶片）。在這類晶片中，RISC-V已經以「配角」CPU的身分被大量使用。

另一方面，作為電腦和手機的「主角」CPU，RISC-V才剛起步。2025年2月，筆記型電腦Framework Laptop 13用的RISC-V主機板開始販售。不過廠商自己也說明，它是「給開發者用的，不是給一般使用者用的」。

指令集公開，CPU的設計圖不一定公開

這裡先把2個容易混淆的東西分開。指令集是「做什麼」的約定，CPU的設計圖則是「用什麼電路實現」。在「CPU是什麼？」一文中，把執行指令的一整套電路稱為「核心」。業界也把這套電路的設計圖稱為「核心」。RISC-V公開的是指令集，核心的設計圖則屬於做它的公司。

實際上，RISC-V的核心大多是不公開的產品。例如SiFive，是開創RISC-V的柏克萊分校3人在2015年成立的公司。它把自家核心的設計圖，收費授權給其他公司。做法和Arm相似，但不必支付指令集本身的使用費。根據報導，NVIDIA GPU裡的核心，也是該公司自己設計的。

另一方面，也有連設計圖都公開的核心。例如由英國非營利組織lowRISC接手開發的Ibex，以及由OpenHW組織管理的CVA6。和軟體世界的「開放原始碼」一樣，任何人都能閱讀、使用、改良其內容。也就是說，「RISC-V晶片」中，既有內部不公開的，也有公開的。

最大的課題，是軟體的累積

就算有CPU，沒有對應這套指令集的軟體也派不上用場。需要作業系統、編譯器、常用的程式零件集（函式庫）和應用程式。x86和Arm累積了數十年的軟體，以及讓軟體跑得更快的調校。這些軟體和工具，加上支撐它們的人和公司，整體稱為「生態系」。

RISC-V用的軟體，也逐漸齊全。例如，Debian是以Linux為基礎的代表性作業系統發行版之一。Debian在2025年8月的版本中，首次把64位元的RISC-V列為正式支援的對象。不過，電腦和手機上許多人使用的應用程式，還沒有全部到位。

可以自由選擇擴充，在軟體方面也會變成弱點。因為每顆CPU擁有的擴充不同，就很難做出「任何RISC-V CPU都能執行的軟體」。因此RISC-V International依用途，規定了「至少要有這些」的擴充組合。2024年10月，正式通過了名為「RVA23」的組合。對象是執行完整作業系統的64位元CPU。

常見的誤解

從數字來看

40個這個數字，表示指令集的「基本」有多小。x86花了數十年不斷增加指令，雖然依算法而定，但指令的種類遠比這多。RISC-V原本是為了大學的研究和教學而做的。因為基本很小，也很適合當作學生從零開始設計CPU的教材。

進一步學習

• 用表格看差異：ARM、RISC-V、x86的差異、RISC與CISC的差異
• 下一步的用語：壓縮指令、載入儲存架構、原子指令（A擴充的指令）、IEEE 754（F、D擴充所遵循的小數表示方式）
• RISC-V常用在微控制器上，了解它的原理：「微控制器是什麼？」
• 程式變成特定指令集機器碼的過程：「編譯器是什麼？」
• 自己設計晶片、把製造交給其他公司的分工模式：「晶圓代工是什麼？」