ARM vs RISC-V：架構、生態系統與部署策略

對嵌入式工程師、SoC 整合商和系統架構師來說，在 ARM 和 RISC-V 之間做出選擇是一個關鍵的決定。本指南將協助您評估每種架構的核心技術、商業和實際層面，為您的選擇提供參考。

目錄

• 簡介
• 指令集與微架構基礎
• 授權模式與商業考量
• 生態系統成熟度與軟體支援
• 驗證、合規性和互操作性
• 除錯、剖析與開發工具
• 效能與電源效率
• 安全性與功能安全
• 可擴充性、客製化和硬體加速器
• 成本、上市時間及供應鏈因素
• 實際應用與案例研究
• 未來路線圖與建議

簡介

在 ARM 和 RISC-V 之間做出選擇不再只是效能的問題。它會影響授權自由度、供應鏈策略、安全狀況以及您的創新能力。本指南旨在為您提供平衡的觀點。

• 為何重要:ARM 主導行動和嵌入式；RISC-V 提供開放性和客製化。
• 範圍:架構、生態系統就緒、安全性、可擴充性及部署實務。
• 觀眾:嵌入式設計師、硬體架構師和商業決策者。

到最後，您將會有一個清楚的框架來評估哪個生態系統符合您的專案目標。

指令集與微架構基礎

決策的核心在於每個平台的指令集架構 (ISA)。ARM 的 RISC 系統經過數十載的改進，而 RISC-V 則從模組化、可擴充的基礎開始。

• ARM:豐富的傳統功能，包括 Thumb-2（16 位元編碼）、NEON SIMD 擴充，以及用於可擴充向量工作負載的 SVE。
• RISC-V:簡潔的設計，具有小型的基本 ISA 和可選的擴充功能 (例如向量、位元操作、加密)。
• 管線與記憶體系統:ARM 核心通常具有精密的階外流水線和緊密整合的快取記憶體層級，而 RISC-V 實作的範圍則從簡單的微控制器到高階階階外設計。

如果您計畫建立高效能的 AI 加速器，RISC-V 的模組化允許客製化指令，但 ARM 成熟的核心可以透過最佳化的編譯器支援提供可預測的效能。

「對架構師來說，RISC-V 方法可能會讓他們覺得很自由，但卻需要更多的驗證工作，才能達到類似 ARM 的可靠性」。

授權模式與商業考量

除了技術因素之外，授權也會影響您的總持有成本和地緣政治風險。

• ARM 授權:通常需要架構授權 (用於設計自訂核心) 或核心授權 (用於整合預先建立的核心)。
• RISC-V:ISA 是開放原始碼且免權利金的，不過商業核心 (例如 SiFive) 通常會收取支援與 IP 費用。
• 出口管制:ARM IP 受司法管控；RISC-V 減少了廠商鎖定，但需要對專有實作的依賴性多加注意。

如果您的商業模式需要成本的可預測性和法律上的簡易性，ARM 既定的協議可能是一項優勢。對於以自由度為優先的創新者而言，RISC-V 則可提供更多的彈性。

生態系統成熟度與軟體支援

軟體支援是許多嵌入式團隊的決定因素。ARM 得益於數十載的生態系統發展，而 RISC-V 則在近年來拉近了許多差距。

• 編譯器:GCC 和 LLVM 對兩種 ISA 都有強大的支援，不過 ARM 一般較為成熟。
• 作業系統就緒:Linux、Zephyr 和 FreeRTOS 都支援 RISC-V，但 ARM 上的驅動程式涵蓋範圍較廣。
• 工具鏈:ARM 的商用工具鏈和中介軟體較為普遍。

對於時間緊迫的部署，我建議在承諾之前先驗證 RISC-V BSP 和中介軟體的成熟度。軟體移植可能會消耗大量資源。

"編譯器錯誤是早期 RISC-V 部署的隱藏成本；強大的品質保證是不可或缺的。

驗證、合規性和互操作性

確保 ISA 合規性對於可攜性和生態系統的信任至關重要。

• ARM:嚴格的合規性程式和經過驗證的正式驗證流程。
• RISC-V:開放式的合規套件，但由於可選的擴充套件，有可能造成支離破碎的風險。
• 互操作性:如果不小心管理，自訂擴充套件可能會破壞相容性。

對於嵌入式安全系統，我建議堅持使用標準擴充，並投資於符合性驗證工具，例如 Imperas 或 OneSpin。

除錯、剖析與開發工具

您的開發經驗取決於工具支援。

• ARM:豐富的 JTAG 探針生態系統 (Segger、Lauterbach)、強大的追蹤功能 (ETM、PTM)。
• RISC-V:增加對 OpenOCD、SiFive Insight 和 Trace32 的支援。
• 儀器:ARM 核心提供成熟的效能計數器和剖析工具。

如果您的期限很緊，ARM 工具可以加快開發速度；RISC-V 工具鏈的改進速度很快，但可能需要額外的驗證時間。

「開發人員的經驗經常被忽視；投資於經過驗證的工具鏈可以省去數月的挫折」。

效能與電源效率

評估核心績效和效率至關重要。

• ARM:高端 Cortex-A 核心提供出色的 DMIPS/Watt；Cortex-M 在超低功耗領域表現卓越。
• RISC-V:實作方式各有不同；有些可媲美 ARM M 級效率，有些則仍未成熟。
• 熱縮放:較小的節點會擴大功率密度，因此需要小心的散熱管理。

根據我的經驗，ARM 在高階核心的效率上仍有優勢，但 RISC-V 正在快速縮小差距。

安全性與功能安全

安全功能和認證可以是沒有商量餘地的。

• ARM:TrustZone、安全開機、加密加速和廣泛的安全認證。
• RISC-V:早期的努力如 MultiZone Security 和 CHERI 很有希望，但不太成熟。
• 功能安全:ARM 有更多 ISO 26262 和 IEC 61508 預先認證的 IP。

在設計汽車或醫療系統時，ARM 成熟的安全產品組合仍是較安全的選擇。

可擴充性、客製化和硬體加速器

如果您的專案需要專門的工作負載，這兩個生態系統都能提供擴充性。

• ARM:適用於向量工作負載的 SVE、DSP 擴充，以及選購的加密加速器。
• RISC-V:自訂指令和擴充，以嵌入 AI 或 DSP 加速。
• 互連標準:ARM AMBA vs. RISC-V TileLink 和 AXI 互操作性。

如果您需要為專屬演算法量身打造 ISA，RISC-V 尤其具有吸引力。

成本、上市時間及供應鏈因素

成本和供應鏈的適應力往往起決定性作用。

• ARM:前期授權較高，但有成熟的生態系統和較快的上市時間。
• RISC-V:授權成本較低，但整合工作和生態系統分割風險較高。
• 供應鏈:RISC-V 在敏感領域提供更多的區域自治權。

如果速度是您的優先考量，ARM 的參考設計可以讓您減少幾個月的排程。

實際應用與案例研究

ARM 仍在行動和汽車領域佔有主導地位，而 RISC-V 則在 IoT 和 AI 加速器領域獲得青睞。

• ARM:部署於全球數十億部裝置，包括 Qualcomm Snapdragon 和 NXP i.MX。
• RISC-V:SiFive 核心、阿里巴巴的玄鐵和 Western Digital 控制器。
• 區域倡議:中國、印度和歐洲在 RISC-V 主權上投入巨資。

評估目標市場的供應商路線圖和社群動力至關重要。

未來路線圖與建議

ARM 和 RISC-V 都有雄心勃勃的發展藍圖。

• ARM:ARMv9 引入了 Confidential Compute、增強的 SVE 和改進的 AI 加速。
• RISC-V:向量、Hypervisor 和安全飛地擴充快速成熟。
• 選擇提示:使路線圖的成熟度與您的產品生命週期和風險承受能力相匹配。

在您做決定時，請仔細衡量平台的穩定性、供應鏈因素以及長期的靈活性。如需其他資源，請考慮瀏覽 迷你 ITX 主機板.