RISC—V助力國產(chǎn)芯片加速崛起
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2019年7月，阿里巴巴旗下半導(dǎo)體公司“平頭哥”正式發(fā)布玄鐵910，并宣稱是“業(yè)內(nèi)最強(qiáng)RISC-V處理器之一”，號稱性能可比肩Arm v8架構(gòu)Cortex A7X系列，并且在今年3月， David Patterson在阿里平頭哥玄鐵RISC-V生態(tài)大會上也大膽預(yù)言：“3到5年后，RISC-V將無處不在！。但在過去，RISC-V的普及度較低，在中國的知名度就更低了，更多流行的是x86架構(gòu)和ARM架構(gòu)，所以人們不禁發(fā)出疑問，什么是RISC-V？它與x86和ARM的區(qū)別是什么？
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CPU需要調(diào)用對應(yīng)的指令來使用不同功能電路。而用來規(guī)定指令格式的東西就叫做指令集架構(gòu)，不同的架構(gòu)對同一功能的實現(xiàn)思路不同，按照指令集架構(gòu)的分類，可分為復(fù)雜指令集（CISC）及精簡指令集（RISC）。
復(fù)雜指令集計算機(jī)（Complex Instruction Set Computer，CISC）：每個指令可執(zhí)行若干低端操作，例如存儲器讀取、存儲、計算操作等，指令數(shù)目多且復(fù)雜，每條指令字長不相等。這些特性使得代碼編寫較為簡單，但是復(fù)雜的指令需要若干指令周期才可以實現(xiàn)。
精簡指令集計算機(jī)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）：對指令數(shù)目與尋址方式都做了精簡，只保留經(jīng)常使用的指令，因此實現(xiàn)更加容易，指令并行程度較好，編譯器效率較高。但是對于一些特殊操作，需要通過處理器額外的執(zhí)行時間來彌補(bǔ)。其特征包括統(tǒng)一指令編碼、泛用的寄存器，單純的尋址模式等，每條指令的執(zhí)行時間較短。
CISC盡可能將任務(wù)一次性做完，高效但費腦（性能高、功耗大），RISC則是將任務(wù)拆解，分次做完，雖然對個人能力要求不高（性能低、功耗小），所以效率更低。
全球前三大指令集架構(gòu)
全球前三大指令集架構(gòu)，一個是由英特爾為首的x86架構(gòu)，其應(yīng)用于絕大部分PC和服務(wù)器；而英國公司Arm的Arm架構(gòu)則用于全球99%以上的智能手機(jī)。對比前兩位“大哥”，RISC-V可以說是妥妥的“小弟”，雖說三者并成為“全球前三“指令集，但RISC-V與x86和ARM的市場份額差距實在太大了，甚至可以說難以望其項背。
這三種架構(gòu)，分別代表了三種經(jīng)營模式：
x86架構(gòu)由英特爾和AMD死死把控，其它公司想用？沒門?。?/p>
Arm架構(gòu)雖然由Arm公司所有，但授權(quán)開放，需要花錢購買其IP；
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外媒：英偉達(dá)正設(shè)計基于Arm架構(gòu)的PC芯片最早于2025年開售
RISC-V的優(yōu)勢就在于具有指令精簡、模塊化、可擴(kuò)展、開源、免費等優(yōu)點，其不屬于任何機(jī)構(gòu)或國家，開源免費，運營成本由基金會的會員出資，可創(chuàng)造出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的IP核或芯片，相對于目前主流的英特爾X86架構(gòu)及Arm等架構(gòu)，RISC-V的基礎(chǔ)指令集只有40多條，加上其他基本的模塊化擴(kuò)展指令總共幾十條指令，非常簡單。
RISC-V基金會當(dāng)時將總部從美國遷至瑞士，瑞士是中立國，遷址原因是“擔(dān)心可能出現(xiàn)的地緣政治破壞”，其免費開源的特點，意味著沒有人可以以“國家安全”為托詞，限制他人使用RISC-V。
RISC-V國際基金會CEO：RISC-V不受任何單一企業(yè)或國家的控制
在RISC-V成立之初，基金會的中方成員只有阿里巴巴、華為和中科院計算所，到了2022年中，基金會19個高級會員里，中國大陸芯片企業(yè)占據(jù)12個席位。到了如今，隨著美國持續(xù)將芯片技術(shù)作為限制他國發(fā)展的“武器”的大背景之下，越來越多國家和廠商開始越來越重視芯片的自主權(quán)，這也推動了RISC-V生態(tài)加速發(fā)展，目前已經(jīng)呈現(xiàn)出與X86和Arm三足鼎立之勢，RISC-V技術(shù)成為中美技術(shù)戰(zhàn)爭新戰(zhàn)場，中美科技戰(zhàn)新戰(zhàn)場！RISC-V開源芯片技術(shù)成焦點。
X86指令集及ARM架構(gòu)
X86架構(gòu) (The X86 architecture) 是微處理器執(zhí)行的計算機(jī)語言指令集，指一個Intel通用計算機(jī)系列的標(biāo)準(zhǔn)編號縮寫，也標(biāo)識一套通用的計算機(jī)指令集合。
1978年Intel推出了8086處理器（16位微處理器），1985年Intel推出了80386（32位處理器）。由于Intel早期處理器名稱是以數(shù)字來表示80x86，因此這些架構(gòu)稱之為x86。
X86架構(gòu)圖
一些公司一直采用X86架構(gòu)研發(fā)產(chǎn)品，例如巨頭英特爾，超微 (AMD)、威盛等企業(yè)。其中x86架構(gòu)中英特爾和AMD是霸主地位。
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國產(chǎn) CPU 廠商得到了相應(yīng)指令集的架構(gòu)授權(quán)，發(fā)展成為6大主流廠商: 龍芯、飛騰、鰓鵬、海光、電威、兆芯
目前國內(nèi)做的比較好的企業(yè)兆芯，早期，購買了大量原屬于VIA的中央處理器等，花費了大量的知識費用，并獲得了X86指令集授權(quán)，可以生產(chǎn)X86芯片后續(xù)自主研發(fā)X86處理器，并于后期開發(fā)出兆芯開先KX-6640MA處理器。
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x86架構(gòu)設(shè)計目標(biāo)是提供強(qiáng)大的計算能力和廣泛的指令集，以應(yīng)對各種復(fù)雜的應(yīng)用場景，在PC及服務(wù)器端擁有天然的性能優(yōu)勢。
ARM架構(gòu)由ARM公司設(shè)計并廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)和其他低功耗設(shè)備。曾稱進(jìn)階精簡指令集機(jī)器 (AdvancedRISC Machine) 更早稱作Acorn RISC Machine，是一個32位精簡指令集 (RISC) 處理器架構(gòu)。還有基于ARM設(shè)計的派生產(chǎn)品，重要產(chǎn)品包括Marvell的XScale架構(gòu)和德州儀器（TI）的OMAP系列。ARM家族占比所有32位嵌入式處理器的75%，成為占全世界最多數(shù)的32位架構(gòu)。ARM架構(gòu)的主要優(yōu)勢是低功耗、高效率和易于實現(xiàn)，使其成為許多移動端設(shè)備的理想選擇。近年來大舉進(jìn)入桌面和服務(wù)器領(lǐng)域。
ARM作為簡單指令集，具有低功耗的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備領(lǐng)域。在當(dāng)前國內(nèi)市場中，許多廠商只擁有ARMv8指令集，并沒有ARM的新架構(gòu)和IP核，這導(dǎo)致它們在性能上與使用新架構(gòu)和IP核的國外廠商存在差距。
RISC-V架構(gòu)
當(dāng)需要同時兼顧數(shù)據(jù)傳輸速度與傳輸量時，x86與ARM的處理能力有限。RISC-V則表現(xiàn)出了較強(qiáng)的優(yōu)勢，它幾乎適應(yīng)所有實現(xiàn)技術(shù)，包括FPGA、 專用集成電路（ASIC）、 全定制芯片，甚至未來的設(shè)備技術(shù)。
2010年，加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊設(shè)計并推出了一套基于BSD協(xié)議許可的免費開放的指令集架構(gòu)RISC-V，其原型芯片也于2013年1月成功流片。RISC-V的最大特點就是簡單，雖然與ARM都是精簡指令集架構(gòu)，但RISC-V的架構(gòu)更加短小精悍，它要能適應(yīng)包括從最袖珍的嵌入式控制器，到最快的高性能計算機(jī)等各種規(guī)模的處理器。
RISC-V的優(yōu)勢在于模塊化與指令的數(shù)目少，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法是增量ISA，新處理器不僅必須實現(xiàn)新的ISA擴(kuò)展，還必須實現(xiàn)過去的所有擴(kuò)展。RISC-V使用模塊化的ISA，其將不同的部分以模塊化的方式組織在一起，并通過一套統(tǒng)一的架構(gòu)來滿足各種不同的應(yīng)用場景，這種模塊化是x86與ARM架構(gòu)不具備的。且RISC-V架構(gòu)基本的指令數(shù)目僅有40多條，加上其他的模塊化擴(kuò)展指令也總共只有幾十條指令。
所謂模塊化ISA，RISC-V的核心是一個名為RV32I的基礎(chǔ)ISA，運行一個完整的軟件棧。RV32I是固定的，永遠(yuǎn)不會改變。這為編譯器編寫者，操作系統(tǒng)開發(fā)人員和匯編語言程序員提供了穩(wěn)定的目標(biāo)。RISC-V還提供一些其他的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展指令集，根據(jù)應(yīng)用程序的需要，硬件可以可選的包含這些擴(kuò)展。RISC-V編譯器得知當(dāng)前硬件包含哪些擴(kuò)展后，便可以生成當(dāng)前硬件條件下的最佳代碼。
很多情況下，處理器的性能都成為架構(gòu)師關(guān)注的指標(biāo)，根據(jù)數(shù)據(jù)及推算，程序的執(zhí)行時間取決于程序在該指令集編譯出的指令數(shù)量、平均每條指令的時鐘周期數(shù)及處理器的時鐘周期時長，RISC-V架構(gòu)處理器在這三個因素中的每一個都獲得了近10%的優(yōu)勢，它們加起來導(dǎo)致了近30%的性能優(yōu)勢。在傳統(tǒng)PC與服務(wù)器領(lǐng)域，x86適合處理大量數(shù)據(jù)，因此處于霸主地位。而在手機(jī)帶來的科技革命趨勢下，需要快速處理數(shù)據(jù)，ARM架構(gòu)在手機(jī)處理器IP領(lǐng)域一統(tǒng)江湖。但隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的來臨，RISC-V作為新興架構(gòu)，以其精簡的體量，或許在未來的IoT領(lǐng)域中能取得絕對的優(yōu)勢。但RISC-V的應(yīng)用范圍目前主要局限在嵌入式領(lǐng)域，不太適合高性能場景。要替代ARM和x86，還需要面對許多挑戰(zhàn)。并且RISC-V生態(tài)系統(tǒng)相對割裂。要形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)，依然面臨許多困難。
盡管如此，目前國內(nèi)外已有多家芯片企業(yè)投入大量資金研發(fā)RISC-V領(lǐng)域的應(yīng)用。目前應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬IoT的安全問題、手機(jī)市場、服務(wù)器市場及存儲市場。未來的物聯(lián)網(wǎng)大概會有300億個設(shè)備互聯(lián)互通，所以物聯(lián)網(wǎng)安全就成為了必須關(guān)注的問題。而RISC-V的開源特性允許廣泛的受眾檢查其體系結(jié)構(gòu)，并在它們成為大范圍的安全事件之前糾正它們。RISC-V可以通過提供“修復(fù)”核心而無需實際更改核心的機(jī)會來影響我們現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)犯罪流行。并根據(jù)預(yù)測，大約兩年之后RISC-V就會進(jìn)軍手機(jī)市場，與高通、蘋果、三星、聯(lián)發(fā)科等ARM公司搶智能手機(jī)處理器市場，同時有可能威脅低功耗筆記本處理器。雖然目前RISC-V的高性能市場一片空白，但RISC-V本身用來設(shè)計高性能芯片是沒有問題的，學(xué)術(shù)界已經(jīng)有基于RISC-V架構(gòu)的511核處理器（Celerity）。只是基于RISC-V的低門檻特點，進(jìn)入的企業(yè)體量較為小巧，沒有足夠的資金做長期布局與研發(fā)。但根據(jù)預(yù)測，5年后RISC-V指令的處理器就有可能進(jìn)軍服務(wù)器市場，與AMD、英特爾這樣的x86處理器公司抗衡。
文章：
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根據(jù)RISC-V國際基金會數(shù)據(jù)，2022年會員數(shù)量同比增長超過 26%，累計在 70 個國家/地區(qū)擁有超過 3180 名會員單位，包括高通、英特爾、谷歌、阿里平頭哥、華為、紫光展銳等眾多頭部芯片企業(yè)。截至2022年底，全球有數(shù)萬名工程師致力于 RISC-V 計劃，基于RISC-V架構(gòu)的處理器出貨量已超過了100億顆，RISC-V用12年時間走完了傳統(tǒng)指令集30年的發(fā)展歷程。
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在中國，目前的形勢是多種國產(chǎn)CPU架構(gòu)并存，在未來可能會造成資源分散、低水平重復(fù)，這種狀況不加以改進(jìn)，我國將缺乏在全球市場上與X86和ARM兩家競爭的自主CPU架構(gòu)，從而在主流CPU方面仍然可能受制于人。因此有專家指出：“新型的開源精簡指令的架構(gòu)“RISC-V”架構(gòu)，為我國掌握芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展主動權(quán)提供了機(jī)遇”。可以說也是一種彎道超車的機(jī)會。
中美科技戰(zhàn)新戰(zhàn)場！RISC-V開源芯片技術(shù)成焦點
當(dāng)前國內(nèi)外已經(jīng)有非常多的RISC-V核心RTL代碼，很多是開源的。比如，Rocket Core、Boom Core、LowRISC SoC等均提供源代碼。如果用于商用，國內(nèi)外也有許多商業(yè)公司提供穩(wěn)定的RISC-V IP核心。例如國外的SiFive公司、Microsemi公司、國內(nèi)的阿里平頭哥、芯來科技及兆易創(chuàng)新等。2019年8月22日，兆易創(chuàng)新正式發(fā)布了全球首個基于RISC-V開源架構(gòu)內(nèi)核的32位通用MCU產(chǎn)品---GD32VF103系列。兆易創(chuàng)新是首次將RISC-V引入通用微控制器領(lǐng)域，并提供了從芯片到程序代碼庫、開發(fā)套件、設(shè)計方案等完整工具鏈支持并持續(xù)打造RISC-V開發(fā)生態(tài)。
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在今年9月1-3日召開的泰達(dá)論壇上，中國工程院院士倪光南也對自己觀點進(jìn)行了闡述：我國抓住新一代信息技術(shù)發(fā)展機(jī)遇，面向未來主流CPU市場，聚焦開源RISC-V架構(gòu)發(fā)展中國芯片產(chǎn)業(yè)，通過充分發(fā)揮我國舉國體制和超大規(guī)模市場優(yōu)勢和人才優(yōu)勢，大力發(fā)展壯大RISC-V產(chǎn)業(yè)生態(tài)，增強(qiáng)RISC-V產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈的自主可控能力，加大對RISC-V開源社區(qū)的貢獻(xiàn)，最終使世界主流CPU市場形成X86、ARM和RISC-V三分天下的格局。
反觀目前形勢，我國發(fā)展RISC-V具有獨特優(yōu)勢。首先是符合國家科技自立自強(qiáng)發(fā)展戰(zhàn)略，又推動全球科技創(chuàng)新。歷史上一直是X86和ARM兩種架構(gòu)壟斷CPU市場的紅利，整個芯片產(chǎn)業(yè)一直處于高壟斷態(tài)勢，開源RISC-V的出現(xiàn)打破了壟斷，為全球芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)大的推動力，相關(guān)生態(tài)環(huán)境也正在迅速發(fā)展完善。第二，中國超大規(guī)模市場是培育未來新一代信息技術(shù)的沃土。此外，中國是世界最大工程師培育搖籃，人才優(yōu)勢為技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新提供了必要條件。
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今天我們面臨百年未有之大變局。中國在發(fā)展CPU產(chǎn)業(yè)時，要注重未來主流CPU的發(fā)展趨勢。我們期待能有更多企業(yè)聚焦開源RISC-V架構(gòu)，大力推進(jìn)RISC-V生態(tài)建設(shè)，最終使RISC-V架構(gòu)能夠在世界CPU市場與X86和ARM三足鼎立。
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