突圍中的RISC-V......

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2022-03-17 08:20:34 3

近日，對半導體產業(yè)而言，最熱門的消息莫過于*屆RISC-V中國峰會（RISC-V World Conference China）將于2021年6月21日至27日在上海科技大學舉辦。預計現(xiàn)場參會人數(shù)超過1,000人次、線上參與人數(shù)超過10,000人次、參展廠家預計超過100家，屆時會成為國內迄今為止規(guī)模最大的以RISC-V為主題的峰會！有關RISC-V，我們需要了解：

一 RISC-V是什么

RISC-V是一個基于“精簡指令集（RISC）”原則的開源指令集架構，它并不是一種處理器或芯片，而是指令集規(guī)范。

指令集是軟件和硬件之間的接口，是一套標準規(guī)范，其以文檔的形式發(fā)布，并不具備實體。我們可以根據(jù)這套規(guī)范去設計處理器芯片和對應的軟件系統(tǒng)，并最終形成產品。

指令集可分為復雜指令集（CISC: Complex Instruction SetComputing）和精簡指令集（RISC: Reduced Instruction SetComputing RISC）。目前市場上主流的芯片架構主要有x86、ARM、RISC-V，其中x86是CISC系的，ARM、RISC-V均是RISC系。

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Source：網(wǎng)絡

二 RISC-V的誕生

2010年，一支來自加州大學伯克利分校的研究團隊需要設計一款中央處理器，但在對比了市面上的ARM、MIPS、SPARC和x86指令集架構之后，他們發(fā)現(xiàn)這些指令集不僅會涉及到專利問題，而且收費昂貴。若要解決這一問題，必須想出其他方法。最后，他們設計出了一套全新的指令集，即大名鼎鼎的RISC-V。它本意不是想成為一種令人印象深刻的新技術，它只是希望可以使整個行業(yè)處于同一頁面上，以簡化芯片制造推動發(fā)展。但是，在邁向全球芯片標準的過程中發(fā)生了一件有趣的事情：正如伯克利所做的努力一樣，RISC-V已經(jīng)開始在芯片設計方面產生一些技術突破。

三 RISC-V的優(yōu)勢

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Source：網(wǎng)絡

1.完全開源：這是其得以發(fā)展的主要原因，對指令集的使用，RISC-V基金會不會收取授權費，且容許企業(yè)添加自由指令集拓展；

2.架構簡單：RISC-V秉承簡單至上的設計美學，為了保持向后的兼容性，ARM和x86都保留了許多過時的定義，而RISC-V可以說是站在巨人的肩膀上，借助已經(jīng)成熟的技術優(yōu)勢，輕裝上陣；

3.易于移植：RISC-V提供了特權指令和用戶指令，可以很方便地將Linux和Unix移植到RISC-V平臺；

4.模塊化設計：開發(fā)者可以根據(jù)需要靈活地選擇不同組合，實現(xiàn)定制化需求；

5.具有完整的工具鏈：RISC-V社區(qū)提供了完整的工具鏈，并且RISC-V基金會會持續(xù)維護，避免工具鏈開發(fā)的繁重工作。

四 RISC-V社區(qū)生態(tài)的營造

伴隨著RISC-V指令集在技術上的成熟，加州大學伯克利分校在2015年成立RISC-V基金會，打造RISC-V生態(tài)系統(tǒng)。其會員數(shù)的年增長率超過 100%：谷歌、高通、IBM、英偉達、NXP、西部數(shù)據(jù)、Microsemi、中科院計算所、麻省理工學院、華盛頓大學、英國宇航系統(tǒng)公司、華為、特斯拉、三星、日立、希捷、阿里巴巴、聯(lián)發(fā)科……一個個知名企業(yè)與研究機構加入其中。匯聚了半導體設計公司、系統(tǒng)集成商、設備制造商、*企業(yè)、科研機構等等產業(yè)力量的RISC-V，在工具鏈搭建、應用化拓展上自然是喜報頻傳。比如，2019年，特斯拉已考慮在新款芯片中使用免費的RISC-V設計；英偉達也打算把RISC-V用于GPU內部的控制器；三星也披露將在多種芯片上采納SiFive公司的RISC-V內核，用于5G旗艦手機，RISC-V的生態(tài)鏈日漸成長和完善。

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Source: RISC-V基金會

2018年10月，中國RISC-V產業(yè)聯(lián)盟（CRVIC）在上海成立，同年11月，中國開放指令生態(tài)聯(lián)盟（China RISC-V Alliance，簡稱：CRVA）宣布成立。隨后的一年，華米黃山一號、阿里巴巴玄鐵910等基于RISC-V開發(fā)的處理器相繼發(fā)布，中國科技公司在對RISC-V的開發(fā)中漸漸找到各自的方式。

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五 RISC-V的前景

RISC-V最大的特點是“開放”，開放性允許它可以自由地被用于任何目的，允許任何人設計、制造和銷售基于RISC-V的芯片或軟件，這種開放性，在處理器領域是徹底的*次。當前時點，物聯(lián)網(wǎng)IoT的興起會為指令集架構在內的上游產業(yè)鏈提供新的成長土壤。

從市場空間層面看，2019年，全球物聯(lián)網(wǎng)總連接數(shù)達到120億，預計到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)總連接數(shù)將達到246億，年復合增速約為16%，預計全球物聯(lián)網(wǎng)收入從2019年的3,430億美元，增長到2025年的1.1萬億美元，復合增速約為27%。（數(shù)據(jù)來自全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會）

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Source: Scale Partners&光錐智能行業(yè)報告

相比之下，ARM芯片最近三年每年出貨量在200億顆以上，但增長速度放緩，RISC-V芯片在單價上預計會低于ARM及x86芯片，而數(shù)量則會遠超ARM芯片。

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Source: ScalePartners&光錐智能行業(yè)報告

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Source: ScalePartners&光錐智能行業(yè)報告

從技術特點層面看，相較于現(xiàn)有架構的通用性要求，物聯(lián)網(wǎng)更強調靈活性和多樣性，這與RISC-V開源、可模塊化、可擴展的特性高度契合，RISC-V能夠憑借其特性使得物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)揮出靈活、低功耗的特點進而降低成本，這也為物聯(lián)網(wǎng)的快速興起創(chuàng)造了有利條件。在IoT場景中，許多智能分析工作正在向邊緣轉移。根據(jù)特定的需求，使用RISC-V架構定制化IoT芯片更靈活，而且有針對性。現(xiàn)在RISC-V架構的設計，除了基礎的指令集保證系統(tǒng)軟件、開發(fā)環(huán)境的兼容性之外，它本身允許按照新的不同開發(fā)應用進行擴展，這樣可以保證IoT應用中的專用性需求。

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Source: ScalePartners&光錐智能行業(yè)報告

從產業(yè)鏈上下游的情況來看，我國廠商在芯片IP開發(fā)環(huán)節(jié)、芯片設計環(huán)節(jié)以及終端品牌和平臺環(huán)節(jié)均已有所布局。上下游主要廠商的布局情況反映了產業(yè)鏈從底層到終端構建RISC-V生態(tài)的發(fā)展思路，從物聯(lián)網(wǎng)、AI的興起和我國芯片設計的自主性需求方面來看，RISC-V具備廣闊的發(fā)展空間和成為全球主流架構之一的基礎。

近日，據(jù)彭博社披露，RISC-V初創(chuàng)公司SiFive收到英特爾20億美元的收購意向提議，但是否最終落實還不得而知。英特爾收購SiFive的動機是應對英偉達收購ARM的被動舉措。英偉達-ARM并購案已經(jīng)進入最后階段，只要中國政府監(jiān)管機構開綠燈，ARM最終歸入英偉達旗下應該是比較確定了。英爾特自然希望通過收購SiFive而扶持RISC-V與ARM和英偉達對抗。

但小編覺得此次收購不見得會成型，原因在于：首先，SiFive，這家由加州大學伯克利教授及學生研究團隊創(chuàng)辦的，并基于開源指令集架構RISC-V的微處理器內核IP開發(fā)商，最近一次融資是在2020年8月，由SK海力士和沙特阿美領投6,000 萬美元，SiFive估值約為5億美元。截至目前為止，SiFive融資總額達到1.86億美元。即便業(yè)務和人員擴張很快，SiFive也不會為錢發(fā)愁，因為他們的主要開支在于研發(fā)和云服務平臺，不涉及重資本的半導體設備和制造；其次，從資本和運營層面考慮，SiFive也不應該過早地被大公司收購。英特爾資本和高通資本都是SiFive的早期戰(zhàn)略投資者（2018年獲得5,060萬美元C輪融資，大部分來自英特爾；2019年獲得6,540萬美元D輪融資由高通創(chuàng)投領投），扶持SiFive的背后邏輯應該也是防止ARM一家獨大，讓這些芯片巨頭有多個選擇。即便英偉達也是RISC-V的積極推動者，收購ARM后不知道是否還會一如既往地支持RISC-V。雖然有RISC-V基金會和中國眾多研究機構和廠商的支持，RISC-V這塊開源蛋糕要想做大，仍然需要SiFive做開路先鋒。如果SiFive并入英特爾，勢必減弱RISC-V的開放和拼搏精神，很多開源社區(qū)和生態(tài)發(fā)展的創(chuàng)新就會受到商業(yè)利益的牽制和阻礙。但是，英特爾出高價收購SiFive似乎釋放出一個積極的信號，至少說明全球芯片巨頭對RISC-V是很看重的。即便最終成為與ARM抗衡的武器之一，RISC-V的價值會凸顯和增大。像芯來科技、晶心科技和眾多積極推動RISC-V的科研機構組織，應該有更大的信心繼續(xù)持守開放的精神，為RISC-V生態(tài)建設增磚添瓦！

六 RISC-V在中國
01 產業(yè)融合度

中科院計算所、華為公司、阿里巴巴集團等在內的20多個國內企事業(yè)單位，都加入了RISC-V基金會。伯克利、清華兩所高校還在深圳成立了RIOS實驗室，以扶持RISC-V軟件生態(tài)。2018年7月，上海經(jīng)信委出臺了國內*支持RISC-V的政策。

有數(shù)據(jù)顯示，在中國有超過300家公司在關注或以RISC-V指令集進行開發(fā)。而發(fā)展至今，已經(jīng)有不少企業(yè)基于RISC-V構建了開源芯片關鍵技術，推出了相關產品。國內大量芯片公司崛起，很多公司都想在RISC-V新賽道上有一番作為，畢竟ARM內核早已是紅海，而RISC-V尚處于藍海。對此，小編也給大家整理了目前國內RISC-V的內核MCU廠商。

02 國際輿論的動向

在貿易戰(zhàn)期間，就RISC-V處理器是否涉及美國出口管制條例的討論引發(fā)了不小的爭論，但RISC-V基金會還是決定將總部搬到瑞士，這種態(tài)度顯然與其他美國科技企業(yè)拉開了差距。如果說早幾年還有人質疑這個2010年誕生于美國加州大學伯克利分校的RISC-V指令集是否受到美國的技術管制，那么RISC-V基金會的遷址舉措應該能更好的打消大家的顧慮。實際上，中國廠商在RISC-V基金會的參與也非常活躍，在該基金會最*別會員的13家企業(yè)當中，有11家來自中國，其中10家為中國大陸公司，1家來自中國臺灣。包括華為、平頭哥、ICT中國院軟件所、中興通訊、成為資本、賽昉科技、紫光展銳、希姆計算、晶芯科技等等。另外兩家分別是西部數(shù)據(jù)和SiFive。

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Source: RISC-V 基金會 Y2019成員

03 我國芯片發(fā)展現(xiàn)狀

RISC-V在我國備受青睞，與我國芯片研發(fā)受制于人的現(xiàn)狀不無關系。目前芯片國產化的難點在于工藝和制造，包括所需要的材料、設備等都被國外企業(yè)高度壟斷，國內廠商的追趕之路道阻且長。再加上尚未在行業(yè)中看到明顯的拐點，這一領域仍需要長期且有步驟的投入和積累。

基于開源的RISC-V，做出具有自主知識產權的芯片，培養(yǎng)相應的產業(yè)生態(tài)，對于中國半導體來說無疑是沙漠中的一股清泉。

在政治環(huán)境不明朗的情況下，全球90%以上的服務器芯片市場都建立在英特爾的x86架構上，而ARM已經(jīng)被日本軟銀收購，雖然可以買到IP授權，但缺少了設計CPU的核心能力，加之ARM局勢動蕩，一直被收購新聞困擾，授權基礎上的產業(yè)能否長期穩(wěn)固，也是一道未解之謎。而RISC-V指令集本身不是商品，自然也就更少爭議。

04 人工智能建設

比如智能音箱、智能家居等更需要邊緣計算能力支撐的AI硬件，對架構的靈活性要求也更高，需要不斷根據(jù)市場和技術的變化來進行調整。RISC-V就可以滿足不斷添加新指令的訴求，而對于ARM等架構來說就很難。同時，RISC-V的指令集如此小巧精悍，選擇RISC-V可以制造出比其他任何產品都小的芯片，還能將功耗降至最低。

因此，未來我們很可能見到更多使用RISC-V的定制硬件，它們可能出現(xiàn)在你的硬盤、顯卡或汽車里，甚至在某一天它們成為家用電腦的主架構。中國工程院院士倪光南此前曾預測，未來RISC-V很可能發(fā)展成為*主流CPU之一，從而形成CPU領域x86、ARM、RISC-V三分天下的格局。

七 RISC-V對中國半導體產業(yè)的劃時代意義
從長遠看，RISC-V對中國半導體產業(yè)的意義主要體現(xiàn)在以下：

通過RISC-V架構擺脫國外的壟斷，實現(xiàn)處理器內核的國產自主。這種處理器內核不是閉門造車做出來的，而是擁有全*認可的主流架構和主流生態(tài)。
通過RISC-V可以極大地加強我國處理器IP話語權。IP產業(yè)處于行業(yè)最上游，遠離其它產業(yè)，并沒有得到產業(yè)和*的重視。RISC-V給了中國IP產業(yè)機會，雖然目前我國在RISC-V上仍然落后，但相對于其它IP技術，落后并不太遠。
RISC-V可以推動創(chuàng)新和差異化。由于RISC-V的開放、簡潔、可擴展以及低成本，可以給終端應用市場帶來巨大創(chuàng)新。
RISC-V可以明顯降低芯片研發(fā)成本。RISC-V的產業(yè)鏈日趨完善，從處理器內核到硬件設計、操作系統(tǒng)、開發(fā)工具、基準測試以及解決方案，全產業(yè)鏈具備完整性，使得行業(yè)可以均攤一切成本。
RISC-V的逐漸普及在一定程度上促進了行業(yè)本土化的發(fā)展，創(chuàng)造了更多行業(yè)機會，為產業(yè)界和學術界積累大量CPU人才。

由于RISC-V有望成為*主流，所以中國企業(yè)必須順勢前行！RISC-V與我國半導體產業(yè)如何更好地走向未來，這對中國產業(yè)發(fā)展的意義十分重大，因此，我們必須認真思考以下問題：

01 RISC-V生態(tài)尚不完整
目前RISC-V主要應用在相對中低端的產品上，而在高性能服務器CPU、GPU上，沒有出現(xiàn)應用范圍廣的案例。產生這種現(xiàn)實狀況的原因是基于RISC-V芯片的相應軟件、工具鏈還有待完善。開放原始碼不是拿來就能用的，指令集開源并不意味著CPU核心也同時授權，這對芯片公司提出了很大的設計和研發(fā)要求。 02 RISC-V的碎片化問題

每一種架構的產業(yè)能用性，都需要百花齊放的產業(yè)鏈創(chuàng)新來支撐。而RISC-V賦予各個廠家設計硬件自由度的同時，也會出現(xiàn)像安卓系統(tǒng)一樣由于設備多樣、向下兼容而出現(xiàn)標準不一、開發(fā)生態(tài)破碎的問題。這樣很可能產生，實際應用時不同芯片廠商的RISC-V架構處理器無法適配同一軟件的情況。簡單舉例說明，如果A公司用了一個芯片改進，B公司做了另外一邊的改進，兩邊的改進都不拿出來，設想在這個市場上大家的改進都不拿出來，不交流，不形成共識，那有可能將來RISC-V會出現(xiàn)ABC版本，市場上彼此不兼容，這就是一個碎片化的情景。

而一個強有力的主導廠商，以垂直生態(tài)的方式孵化開發(fā)者，以標準化來規(guī)范大多數(shù)程式碼，同時為不干擾核心的應用擴展留出空間，建立相關應用市場等基礎平臺，或許能夠更快驅動產業(yè)形成RISC-V創(chuàng)新生態(tài)。

03 RISC-V的安全問題

RISC-V核心應用場景IoT的安全問題也必須開始交付完整的產業(yè)解決方案。

眾所皆知，SoC芯片的安全機制是由以下幾方面共同為系統(tǒng)安全保駕護航的：

硬件強制隔離程序；
資料和存儲，建立可信任執(zhí)行環(huán)境；
*證書和秘鑰作為信任根；
安全啟動以及一系列工具等。

RISC-V的系統(tǒng)指令、特權指令里沒有安全指令，采用軟件定義域MultiZone，以硬件強化的方式來保障穩(wěn)定運行。這種情況下，RISC-V想要借助AIoT和5G浪潮蓬勃生長，與ARM和x86競爭，就必須在安全性上更勝一籌，才能得到芯片廠商與普通用戶的信任。

RISC-V基金會已成立了RISC-V安全常務委員會，圍繞基于RISC-V指令集的物聯(lián)網(wǎng)設備、嵌入式系統(tǒng)和機器學習等討論安全改進方案。

結合我國的特殊國情和*當前的格局，在如今國產替代的浪潮中，以及“安可”聯(lián)盟的驅動下，通用處理器和專用處理器的研發(fā)得到了極大的推動和重視，各大指令集(ISA)的國產代表廠商已紛紛推出自己的“安可”產品，例如采用x86的兆芯；采用ARM的飛騰、海思……唯獨缺少能代表RISC-V指令集的CPU產品。誰要是能以*款高性能RISC-V處理器入局“安可”聯(lián)盟，必定會在中國市場上掀起波瀾。

04 傳統(tǒng)商業(yè)模式革新

傳統(tǒng)硬件的商業(yè)模式一直是銷售產品，由于芯片的流片成本居高不下，導致芯片企業(yè)面臨重大的資本考驗。因為芯片作為知識和技術訣竅沉淀與固化的載體，所以代碼是其核心競爭力。

由于開放又活躍的指令集生態(tài)是推動芯片研發(fā)創(chuàng)新的必要條件，RISC-V的開源掀起了開源硬件的發(fā)展。目前，RISC-V指令集的商業(yè)模式是以IP核授權和定制化芯片為主。隨著應用領域的日趨細化，垂直領域的芯片定制化被認為是未來的趨勢。在指令定制上，RISC-V是引領者。但其實，定制芯片對RISC-V來說，它既是優(yōu)勢也是挑戰(zhàn)。

定制芯片的關鍵點在于參數(shù)的適配性及RISC-V IP、第三方IP和EDA工具之間的互相配合，對應用的理解越深刻，定制也就越到位。

指令定制在RISC-V是原生的，用戶只需要在RISC-V基礎核上進行參數(shù)的設置，再選擇適合的模塊即可，而ARM則需要額外添加補丁來實現(xiàn)。指令定制需要算法、代碼庫、編譯器等配套工具的支持，同時，芯片開發(fā)除了指令集架構之外，還需要同時關注芯片的接口外設、安全性、可靠性、成本等一系列問題，這對定制化來說也是客觀存在的挑戰(zhàn)。

05 將AloT作為RISC-V的切入點

事實上，RISC-V架構可以應用到所有運算設備中，5G通信設備、服務器、超算等應用都可以采用，而且在技術和生態(tài)方面也不存在問題。尤其是在當前的智能移動時代，AIoT是RISC-V一個很好的切入點，未來市場將會非常龐大，基于RISC-V的微處理器內核加上AI運算協(xié)處理器IP，會在AIoT各個細分領域覓得良機。

Source：網(wǎng)絡

分析機構Semico Research在名為《RISC-V市場分析：新興市場》的報告中指出，預計到2025年，市場將總共消費624億個RISC-V CPU內核。RISC-V CPU內核從2018年至2025年之間的平均復合年增長率將高達146.2％。其中，5G手機、通訊、工業(yè)等細分市場，將為布局RISC-V的廠商帶來新機。

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Source: Semico ResearchCorp

RISC-V在中國市場走紅也證明了，中國半導體企業(yè)已經(jīng)發(fā)展到了一個新的臺階，擁有了向更高產業(yè)天花板沖擊的自信與潛力！但，盡管有經(jīng)濟、科技、*推動帶來的諸多信心，當下我們依然要意識到RISC-V的生態(tài)是一個長期構建的過程，需要Foundry（在集成電路領域是指專門負責生產、制造芯片的廠家）的培養(yǎng)、系統(tǒng)的支持，以及細分賽道的量產多輪推動，這既是挑戰(zhàn)，也可以成為機會！

在這個重要的時間節(jié)點，在RISC-V國際基金會的大力支持下，RISC-V中國峰會的舉辦，為中國產業(yè)界和學術界提供交流合作的機會；為*推動RISC-V在中國及全球的發(fā)展；為推廣RISC-V產業(yè)領域創(chuàng)新技術產品；為推動RISC-V的科研及教學都具有重要的歷史意義！天時地利人和，RISC-V在中國找到了發(fā)展的沃土和契機！

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