开源的ISA能否催化智能制造？
物联网是智能制造的核心，因为它为生产流程增添了一层准确性。当智能工厂中的所有机械不仅互联互联，还实时生成大量与工作流程相关的数据时，这就创造了运营效率（进而提升能源效率）的机会。
此外，工业物联网（IIoT）是推动其他工业4.0技术（如预测性维护、人工智能、大数据等）的前提。采用RISC-V这一开放指令集架构（ISA）有潜力打破工业4.0实践的进入壁垒。
高昂的成本依然是一个关键障碍
尽管带来了诸多好处，IIoT的实施仍面临挑战：高成本、平台异构和功耗限制了扩展性和普及。根据HiveMQ 2025年报告，28%的企业因预算不足或投资回报率（ROI）不确定而不愿意采用IIoT。
智能工厂中的物联网网络由现场传感器组成，检测制造环境的各种指标、执行器和处理节点上的低功耗设备，辅助远程监控和指令。因此，最初的大部分投资都集中在这些硬件组件上，同时还有软件和集成。前者的投资更高，因为行业规格通常要求严格，需要定制的物联网设备，这些设备不仅能提供分析和预测维护所需的独特数据，还能承受工厂的恶劣环境。因此，IIoT实现需要经济性和可定制性（还有后文讨论的功耗效率）。
如今，典型的物联网传感器包含一个传感器元件、一个模数转换器、一个微控制器/处理器、一个通信模块/接口和一个电源。即使是简单的物联网传感器设备，也有机会使其更易接近。
虽然传感器元件的成本远高于其他组件，但开发和授权微控制器/处理器用于定制传感器设备的成本可能会增加初期投资。因此，对整合工业物联网及工业4.0实践的犹豫依然存在。在这里，开源平台和开放标准显得很有吸引力。
拥抱开源是答案吗？
软件平台开源的影响有实证证据支持。根据Eclipse IoT 2024年报告，75%的行业受访者表示其在物联网项目中使用开源软件平台和工具，并承诺开放和协作创新。将类似的拥抱扩展到开源硬件解决方案，具有深远影响。
这里的重点将是探讨在智能制造应用中采用RISC-V（开放ISA）的好处。RISC-V是一个开放标准，与其软件等价标准类似，意味着部署者无需或几乎没有许可成本。这种免于许可成本的机制，可以使处理器/系统单芯片的半导体开发成本降低15%至40%。
此外，许可成本只是芯片结构成本的一部分。基于ISA的专有芯片/处理器的销售通常包含1%到2%的费用。在拥有大量IIoT节点的智能工厂中，这些特许权费可复利至可观的金额。RISC-V本身是免版税的，尽管大多数基于RISC-V的公司和芯片制造商都有与其处理器相关的订阅模式。
然而，RISC-V 是一个模块化指令集，且具有较多的自定义性;其价值在于能够根据每个物联网节点设备的独特需求定制指令集并添加扩展。尽管基于RISC-V处理器的集成涉及定制相关成本（如工程、原型制作和测试费用），但客户最终会获得规格精确的处理器。
RISC-V 使 IIoT 硬件定制更加便捷
每家工厂都有独特的需求和运营效率不足。虽然相当一部分工厂选择商业生产的节点设备，但工业4.0的实施通常涉及将传感器节点改装到传统机械中。此外，大型设施更受益于针对特定流程、环境和数据流量身定制的大规模定制物联网硬件。
定制IIoT硬件包括处理器定制。然而，专有指令集在扩展和外设方面是严格的。这可能阻碍工程师设计领域专用处理器，避免不必要的硬件开销。从零开始设计还可能增加实施工业4.0的工厂集成成本。RISC-V 开放性优势在于使用指令扩展和硬件外设的灵活性。
智能工厂中的传感器和处理节点常进行振动分析（高频振动监测，例如每秒54,000条记录），这对于预测设备故障、在边缘实现传感器融合或生成相关数据至关重要。但这些工作负载只涉及少数计算密集型内核：FIR/IIR滤波、FFT、MAC密集循环、卷积原语和基于阈值的检测。
以RISC-V为基础指令集，工程师可以通过选择性添加那些能加速上述工作负载的标准或自定义指令来设计专用指令集处理器（ASIP）。这里的额外优势是能效：通过消除冗余指令逻辑、闲置功能单元和通用核心典型的过高控制开销，域专用的 RISC-V ASIP 最大限度地减少了切换活动，同时降低动态功率和漏电功率。
IIoT战略还必须实现能源效率
RISC-V的模块化和灵活性使部分项目在类似工艺节点中相比Arm Cortex-M0实现了17%的功耗。对于紧耦合的数据-信号-处理器加速器来说，这些功耗降低意味着在高容量传感器节点部署具有显著优势，因为随着AI工作负载成为核心，处理节点的能效变得极为关键。
一个带有新指令扩展的定制RISC-V核心在多个基准模型中，相比Arm Cortex-A9软件基线实现了49.1%的能耗削减。RISC-V International（负责监督 RISC-V 开放标准的国际机构）是否批准了这些扩展，目前尚不明确。
与专有ISA核心相比，人工智能专用加速器如神经处理器单元更容易设计入RISC-V框架。此外，像Arm这样的指令单元常常将加速器（通常补充处理器性能和功能的外设）视为内存映射的I/O设备，这可能会带来延迟。
在RISC-V框架中，这些加速器与整数、浮点或向量流水线并列，是指令流的一部分。因此，它们可以直接访问核心的标量寄存器和矢量寄存器文件，而不必依赖内存映射的I/O或DMA传输。其结果是周期级延迟、确定性执行以及显著降低每次作的功耗——这正是RISC-V非常适合在边缘和工业工作负载中集成低延迟加速器的原因。
虽然人工智能、预测性维护和数字孪生在IIoT战略中看似次要或三级步骤，但正是这些能力使联网基础设施的经济价值变得切实。后者转化为可作的洞察，减少停机时间，优化资产利用，并为工厂带来更清晰、更可衡量的投资回报率。尽管如此，数据安全仍然是愿意采用IIoT解决方案的公司关注的重大问题。
安全性是IIoT采用的一大障碍
IIoT实施中一个持续关注的问题是网络安全。根据29.4%的HiveMQ调查受访者，他们认为数据隐私是IIoT的主要关注点，而数据质量则高于他们的担忧（48.9%）。传统的网络安全解决方案，如可信执行环境（TEE），不适合IIoT设备的实时低功耗约束。而Arm TrustZone，基于可信平台模块的安全和软件TEE实现，缺乏开源可扩展性。
然而，配备RISC-V框架的模块化支持自定义安全扩展。轻量级RISC-V安全架构结合了硬件的信任根、安全引导加载程序、微处理器和最小的TEE或类似组合，能够实现>92%的安全增强得分。幸运的是，安全问题在RISC-V支持者眼中，SiFive、NXP和Codasip等公司都有各自的平台和相关项目。
提升任何技术的可及性是多方面的，需要技术、社会和经济方面的考量。作为一个开源的ISA，RISC-V有潜力在所有这些方面打破工业4.0实践的进入壁垒。
然而，挑战依然存在。软件生态系统的空白，包括工具链成熟度有限、优化库较少以及主流作系统支持不完整，都可能使开发复杂化并推动采纳速度。互作性是RISC-V International成员持续解决的主要挑战之一。
此外，根植于根深蒂固的专有生态系统和现有代码库的采用惯性，意味着许多制造商即使成本和性能优势显著，也可能对大规模架构变革持谨慎态度。尽管如此，RISC-V是工业4.0的推动者。