RISC—V助力國產(chǎn)芯片加速崛起
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2019年7月，阿里巴巴旗下半導體公司“平頭哥”正式發(fā)布玄鐵910，并宣稱(chēng)是“業(yè)內最強RISC-V處理器之一”，號稱(chēng)性能可比肩Arm v8架構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(huì )上也大膽預言：“3到5年后，RISC-V將無(wú)處不在！。但在過(guò)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架構和ARM架構，所以人們不禁發(fā)出疑問(wèn)，什么是RISC-V？它與x86和ARM的區別是什么？
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CPU需要調用對應的指令來(lái)使用不同功能電路。而用來(lái)規定指令格式的東西就叫做指令集架構，不同的架構對同一功能的實(shí)現思路不同，按照指令集架構的分類(lèi)，可分為復雜指令集（CISC）及精簡(jiǎn)指令集（RISC）。
復雜指令集計算機（Complex Instruction Set Computer，CISC）：每個(gè)指令可執行若干低端操作，例如存儲器讀取、存儲、計算操作等，指令數目多且復雜，每條指令字長(cháng)不相等。這些特性使得代碼編寫(xiě)較為簡(jiǎn)單，但是復雜的指令需要若干指令周期才可以實(shí)現。
精簡(jiǎn)指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）：對指令數目與尋址方式都做了精簡(jiǎn)，只保留經(jīng)常使用的指令，因此實(shí)現更加容易，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(guò)處理器額外的執行時(shí)間來(lái)彌補。其特征包括統一指令編碼、泛用的寄存器，單純的尋址模式等，每條指令的執行時(shí)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(gè)人能力要求不高（性能低、功耗?。?，所以效率更低。
全球前三大指令集架構
全球前三大指令集架構，一個(gè)是由英特爾為首的x86架構，其應用于絕大部分PC和服務(wù)器；而英國公司Arm的Arm架構則用于全球99%以上的智能手機。對比前兩位“大哥”，RISC-V可以說(shuō)是妥妥的“小弟”，雖說(shuō)三者并成為“全球前三“指令集，但RISC-V與x86和ARM的市場(chǎng)份額差距實(shí)在太大了，甚至可以說(shuō)難以望其項背。
這三種架構，分別代表了三種經(jīng)營(yíng)模式：
x86架構由英特爾和AMD死死把控，其它公司想用？沒(méi)門(mén)??；
x86 CPU市場(chǎng)最新份額：Intel＝五個(gè)半AMD
Arm架構雖然由Arm公司所有，但授權開(kāi)放，需要花錢(qián)購買(mǎi)其IP；
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外媒：英偉達正設計基于Arm架構的PC芯片最早于2025年開(kāi)售
RISC-V的優(yōu)勢就在于具有指令精簡(jiǎn)、模塊化、可擴展、開(kāi)源、免費等優(yōu)點(diǎn)，其不屬于任何機構或國家，開(kāi)源免費，運營(yíng)成本由基金會(huì )的會(huì )員出資，可創(chuàng )造出具有完全自主知識產(chǎn)權的IP核或芯片，相對于目前主流的英特爾X86架構及Arm等架構，RISC-V的基礎指令集只有40多條，加上其他基本的模塊化擴展指令總共幾十條指令，非常簡(jiǎn)單。
RISC-V基金會(huì )當時(shí)將總部從美國遷至瑞士，瑞士是中立國，遷址原因是“擔心可能出現的地緣政治破壞”，其免費開(kāi)源的特點(diǎn)，意味著(zhù)沒(méi)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(huì )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(huì )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(huì )19個(gè)高級會(huì )員里，中國大陸芯片企業(yè)占據12個(gè)席位。到了如今，隨著(zhù)美國持續將芯片技術(shù)作為限制他國發(fā)展的“武器”的大背景之下，越來(lái)越多國家和廠(chǎng)商開(kāi)始越來(lái)越重視芯片的自主權，這也推動(dòng)了RISC-V生態(tài)加速發(fā)展，目前已經(jīng)呈現出與X86和Arm三足鼎立之勢，RISC-V技術(shù)成為中美技術(shù)戰爭新戰場(chǎng)，中美科技戰新戰場(chǎng)！RISC-V開(kāi)源芯片技術(shù)成焦點(diǎn)。
X86指令集及ARM架構
X86架構 (The X86 architecture) 是微處理器執行的計算機語(yǔ)言指令集，指一個(gè)Intel通用計算機系列的標準編號縮寫(xiě)，也標識一套通用的計算機指令集合。
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(chēng)是以數字來(lái)表示80x86，因此這些架構稱(chēng)之為x86。
X86架構圖
一些公司一直采用X86架構研發(fā)產(chǎn)品，例如巨頭英特爾，超微 (AMD)、威盛等企業(yè)。其中x86架構中英特爾和AMD是霸主地位。
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目前國內做的比較好的企業(yè)兆芯，早期，購買(mǎi)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，可以生產(chǎn)X86芯片后續自主研發(fā)X86處理器，并于后期開(kāi)發(fā)出兆芯開(kāi)先KX-6640MA處理器。
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x86架構設計目標是提供強大的計算能力和廣泛的指令集，以應對各種復雜的應用場(chǎng)景，在PC及服務(wù)器端擁有天然的性能優(yōu)勢。
ARM架構由ARM公司設計并廣泛應用于移動(dòng)設備、嵌入式系統和其他低功耗設備。曾稱(chēng)進(jìn)階精簡(jiǎn)指令集機器 (AdvancedRISC Machine) 更早稱(chēng)作Acorn RISC Machine，是一個(gè)32位精簡(jiǎn)指令集 (RISC) 處理器架構。還有基于A(yíng)RM設計的派生產(chǎn)品，重要產(chǎn)品包括Marvell的XScale架構和德州儀器（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的32位架構。ARM架構的主要優(yōu)勢是低功耗、高效率和易于實(shí)現，使其成為許多移動(dòng)端設備的理想選擇。近年來(lái)大舉進(jìn)入桌面和服務(wù)器領(lǐng)域。
ARM作為簡(jiǎn)單指令集，具有低功耗的優(yōu)勢，廣泛應用于移動(dòng)設備領(lǐng)域。在當前國內市場(chǎng)中，許多廠(chǎng)商只擁有ARMv8指令集，并沒(méi)有ARM的新架構和IP核，這導致它們在性能上與使用新架構和IP核的國外廠(chǎng)商存在差距。
RISC-V架構
當需要同時(shí)兼顧數據傳輸速度與傳輸量時(shí)，x86與ARM的處理能力有限。RISC-V則表現出了較強的優(yōu)勢，它幾乎適應所有實(shí)現技術(shù)，包括FPGA、 專(zhuān)用集成電路（ASIC）、 全定制芯片，甚至未來(lái)的設備技術(shù)。
2010年，加州大學(xué)伯克利分校的研究團隊設計并推出了一套基于BSD協(xié)議許可的免費開(kāi)放的指令集架構RISC-V，其原型芯片也于2013年1月成功流片。RISC-V的最大特點(diǎn)就是簡(jiǎn)單，雖然與ARM都是精簡(jiǎn)指令集架構，但RISC-V的架構更加短小精悍，它要能適應包括從最袖珍的嵌入式控制器，到最快的高性能計算機等各種規模的處理器。
RISC-V的優(yōu)勢在于模塊化與指令的數目少，計算機體系結構的傳統方法是增量ISA，新處理器不僅必須實(shí)現新的ISA擴展，還必須實(shí)現過(guò)去的所有擴展。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(guò)一套統一的架構來(lái)滿(mǎn)足各種不同的應用場(chǎng)景，這種模塊化是x86與ARM架構不具備的。且RISC-V架構基本的指令數目?jì)H有40多條，加上其他的模塊化擴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(gè)名為RV32I的基礎ISA，運行一個(gè)完整的軟件棧。RV32I是固定的，永遠不會(huì )改變。這為編譯器編寫(xiě)者，操作系統開(kāi)發(fā)人員和匯編語(yǔ)言程序員提供了穩定的目標。RISC-V還提供一些其他的標準擴展指令集，根據應用程序的需要，硬件可以可選的包含這些擴展。RISC-V編譯器得知當前硬件包含哪些擴展后，便可以生成當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師關(guān)注的指標，根據數據及推算，程序的執行時(shí)間取決于程序在該指令集編譯出的指令數量、平均每條指令的時(shí)鐘周期數及處理器的時(shí)鐘周期時(shí)長(cháng)，RISC-V架構處理器在這三個(gè)因素中的每一個(gè)都獲得了近10%的優(yōu)勢，它們加起來(lái)導致了近30%的性能優(yōu)勢。在傳統PC與服務(wù)器領(lǐng)域，x86適合處理大量數據，因此處于霸主地位。而在手機帶來(lái)的科技革命趨勢下，需要快速處理數據，ARM架構在手機處理器IP領(lǐng)域一統江湖。但隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨，RISC-V作為新興架構，以其精簡(jiǎn)的體量，或許在未來(lái)的IoT領(lǐng)域中能取得絕對的優(yōu)勢。但RISC-V的應用范圍目前主要局限在嵌入式領(lǐng)域，不太適合高性能場(chǎng)景。要替代ARM和x86，還需要面對許多挑戰。并且RISC-V生態(tài)系統相對割裂。要形成統一的標準生態(tài)系統，依然面臨許多困難。
盡管如此，目前國內外已有多家芯片企業(yè)投入大量資金研發(fā)RISC-V領(lǐng)域的應用。目前應用最廣泛的當屬I(mǎi)oT的安全問(wèn)題、手機市場(chǎng)、服務(wù)器市場(chǎng)及存儲市場(chǎng)。未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)大概會(huì )有300億個(gè)設備互聯(lián)互通，所以物聯(lián)網(wǎng)安全就成為了必須關(guān)注的問(wèn)題。而RISC-V的開(kāi)源特性允許廣泛的受眾檢查其體系結構，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(guò)提供“修復”核心而無(wú)需實(shí)際更改核心的機會(huì )來(lái)影響我們現有的網(wǎng)絡(luò )犯罪流行。并根據預測，大約兩年之后RISC-V就會(huì )進(jìn)軍手機市場(chǎng)，與高通、蘋(píng)果、三星、聯(lián)發(fā)科等ARM公司搶智能手機處理器市場(chǎng)，同時(shí)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(chǎng)一片空白，但RISC-V本身用來(lái)設計高性能芯片是沒(méi)有問(wèn)題的，學(xué)術(shù)界已經(jīng)有基于RISC-V架構的511核處理器（Celerity）。只是基于RISC-V的低門(mén)檻特點(diǎn)，進(jìn)入的企業(yè)體量較為小巧，沒(méi)有足夠的資金做長(cháng)期布局與研發(fā)。但根據預測，5年后RISC-V指令的處理器就有可能進(jìn)軍服務(wù)器市場(chǎng)，與AMD、英特爾這樣的x86處理器公司抗衡。
文章：
如何打造開(kāi)放繁榮的RISC-V嵌入系統生態(tài)?
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根據RISC-V國際基金會(huì )數據，2022年會(huì )員數量同比增長(cháng)超過(guò) 26%，累計在 70 個(gè)國家/地區擁有超過(guò) 3180 名會(huì )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，全球有數萬(wàn)名工程師致力于 RISC-V 計劃，基于RISC-V架構的處理器出貨量已超過(guò)了100億顆，RISC-V用12年時(shí)間走完了傳統指令集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架構并存，在未來(lái)可能會(huì )造成資源分散、低水平重復，這種狀況不加以改進(jìn)，我國將缺乏在全球市場(chǎng)上與X86和ARM兩家競爭的自主CPU架構，從而在主流CPU方面仍然可能受制于人。因此有專(zhuān)家指出：“新型的開(kāi)源精簡(jiǎn)指令的架構“RISC-V”架構，為我國掌握芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展主動(dòng)權提供了機遇”?？梢哉f(shuō)也是一種彎道超車(chē)的機會(huì )。
中美科技戰新戰場(chǎng)！RISC-V開(kāi)源芯片技術(shù)成焦點(diǎn)
當前國內外已經(jīng)有非常多的RISC-V核心RTL代碼，很多是開(kāi)源的。比如，Rocket Core、Boom Core、LowRISC SoC等均提供源代碼。如果用于商用，國內外也有許多商業(yè)公司提供穩定的RISC-V IP核心。例如國外的SiFive公司、Microsemi公司、國內的阿里平頭哥、芯來(lái)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(gè)基于RISC-V開(kāi)源架構內核的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(kāi)發(fā)套件、設計方案等完整工具鏈支持并持續打造RISC-V開(kāi)發(fā)生態(tài)。
兆易創(chuàng )新發(fā)布GD32V系列RISC-V內核32位通用MCU新品
兆易創(chuàng )新全系列車(chē)規級存儲產(chǎn)品累計出貨1億顆
在今年9月1-3日召開(kāi)的泰達論壇上，中國工程院院士倪光南也對自己觀(guān)點(diǎn)進(jìn)行了闡述：我國抓住新一代信息技術(shù)發(fā)展機遇，面向未來(lái)主流CPU市場(chǎng)，聚焦開(kāi)源RISC-V架構發(fā)展中國芯片產(chǎn)業(yè)，通過(guò)充分發(fā)揮我國舉國體制和超大規模市場(chǎng)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RISC-V產(chǎn)業(yè)鏈、供應鏈的自主可控能力，加大對RISC-V開(kāi)源社區的貢獻，最終使世界主流CPU市場(chǎng)形成X86、ARM和RISC-V三分天下的格局。
反觀(guān)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發(fā)展戰略，又推動(dòng)全球科技創(chuàng )新。歷史上一直是X86和ARM兩種架構壟斷CPU市場(chǎng)的紅利，整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)一直處于高壟斷態(tài)勢，開(kāi)源RISC-V的出現打破了壟斷，為全球芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強大的推動(dòng)力，相關(guān)生態(tài)環(huán)境也正在迅速發(fā)展完善。第二，中國超大規模市場(chǎng)是培育未來(lái)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(shí)，要注重未來(lái)主流CPU的發(fā)展趨勢。我們期待能有更多企業(yè)聚焦開(kāi)源RISC-V架構，大力推進(jìn)RISC-V生態(tài)建設，最終使RISC-V架構能夠在世界CPU市場(chǎng)與X86和ARM三足鼎立。
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