深度：RISC-V指令集架构和生态

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一、指令集架构发展背景

外部环境：
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（1）贸易战背景下，自主可控势在必行；（2）政策驱动，集成电路产业迎来发展机遇；
（3）新一代信息技术加速渗透，新兴领域对芯片提出了更高的需求。

内部因素：

（1）从产业内部角度来看，主流指令集架构复杂，硬件实现难度大，授权费用高企，芯片企业成本居高不下。

RISC-V指令集架构技术特性：在于简洁、模块化、可扩展及开源，通过有限指令集的组合和扩展，构建适合任何领域的微处理器。

RISC-V产业生态逐步完善。

国际产业——多个RISC-V开源版本及商用IP诞生；


科技巨头和初创公司纷纷布局；

行业应用纷纷落地。

国内产业——华为、中兴等大企业，及部分中小型企业（如C-SKY）与创客群体加入RISC-V基金会；

国内首个开源的RISC-V处理器诞生——蜂鸟E200（面向极低功耗与极小面积的场景而设计）。

RISC-V满足个性化、定制化芯片新需求。

基于RISC-V的极简、模块化和可扩展特性，使得低功耗、小面积，同时具有个性化和差异化的定制芯片成为可能，碎片化场景（IOT、AI）应用大有可为。


二、我国RISC-V产业发展建议：

协同构建RISC-V技术应用推广的产业发展环境；

协同建立RISC-V测试评估体系；

建立健全各项保障体系，上升至国家战略高度。

三、RISC V内涵分析

RISC-V 是一种全新的、简单且开放免费的指令集架构，于 2010年主由美国加州大学伯克利分校的 Krste Asanovic 教授、 Andrew Waterman 和 Yunsup Lee 等开发人员发明，并且得到了计算机体系架构领域泰斗 David Patterso n 的大力支持；驱动因素

主流指令集架构极为复杂和冗繁；

专利和授权费用高企；

其他开源架构问题较多：


OpenRISC 是一种开源的处理器核，而非一种指令集架构，并且许可证为GPL 。


意味着所有的指令集改动后都必须开源（ RISC V 许可证为 BSD License 授权，可开源也可用于商用）；


SPARC 功耗面积代价过大，对 x86 替代性不强。目标：

成为一种完全开放的指令集，可以被任何学术机构或商业组织所自由使用。

成为一种真正适合硬件实现且稳定的标准指令集。

为了RISC V 架构的顺利推广， 2015 年成立了 RISC V 基金会。负责维护标准的 RISC V 指令集手册与架构文档，并推动 RISC V 架构的发展 。目前，基金会包括 108 家会员单位，其中白金会员 18 家，普通会员 90 家，并且会员数量在持续高速增长。

中国多家大中型企业级科研机构也加入了 RISC V 基金会，如中兴、华为、杭州中天、中科院计算所等 。


四、RISC-V技术特性

纵向比较（RISC V vs RISC从流水线、指令集整体性能、架构篇幅三个维度进行比较。

指令集经典的五级流水线包括：取指、译码、执行、访存和写回。

取指指令取指是指将指令从存储器中读取出来的过程；

译码 将从存储器中取出的指令进行翻译的过程；

执行 对指令进行真正运算的过程；

访存 存储器访问指令将数据从存储区中读出，或者写入存储器的过程；

写回 将指令执行的结果写回通用寄存器组的过程。

取指阶段：RISC V 通过对指令编码的规整、简化，提高取指速度。同时，在指令编码增加必要的要素、或通过对指令功能的明确定义，减少了取指时的判断时间，从而提高取指速度，降低损失 。

译码、执行阶段：RISC V 拥有规整和简洁的指令编码，提高了译码速度，降低了硬件设计负担。同时，依托可选的压缩指令子集，RISC V 提高了代码密度，执行阶段无需区分指令长度，提高了执行效率。

访存阶段：RISC V 通过对指令的简化和限制，虽然降低了部分性能，但也降低了访存部分硬件实现的难度。

RISC-V 的技术特性在于简洁、模块化、可扩展及开源，通过有限指令集的组合和扩展，构建适合任何领域的微处理器。


五、多个RISC V开源版本及商用 IP诞生

技术 RISC V 指令集架构极简、开源、模块化的技术特性，众 多商业公司及初创公司加入到 RISC V 架构的开发和设计竞争中，出现了多个 RISC V 开源版本和商用 IP 。

主要呈现以下特点：

基于 RISC V 开源或商用的 Core ，与 ARM 架构相比，具有更高的性能，更低的功耗和更小的面积，支持多种配置接口，可扩展性强，安全系数更高。

多数开源处理器仅提供了处理器核的实现，没有提供配套的 SoC 。

六、科技巨头和初创公司纷纷布局

众多科技巨头和初创公司加入到RISC V 的竞争中，以摆脱 ARM 、X86 架构在移动端和 PC 端的垄断地位。

纵观全球RISC V 商业公司，有如下特点：

1、 从地区分布来看，多数公司集中在美国、欧洲和亚洲，其中以美国为主。

2、 从 原处理器架构来看，众多原依托于 ARM 架构的大型科技公司加入到 RISC V 竞争中，主要是由于 ARM 高昂的授权费和版税。另外，Intel 宣布投资 SiFive ，积极布局 RISC V 。

3、 从应用领域来看， RISC V 多数应用集中在新兴领域，如物联网、人工智能。

a)基于 Intel 、 ARM 分别在服务器、 PC 及移动领域的霸主地位，软件生态难以撼动；

b)RISC V 极简、可扩展、模块化的特性，适用于物联网、人工智能领域对芯片低功耗、个性化和定制化的需求。

4、从技术层面来看，行业内已大范围开始使用 基于 RISC V 架构的嵌入式控制内核，逐渐进入设备的顶层芯片，验证了 RISC V 架构的安全性和稳定性。如 NVIDIA 、 Google 、 CEVA 和 Codasip 。

5、产业生态逐步完善：伴随 RISC V 架构的商业化推进，出现了众多提供 RISC V 跟踪解决方案 IP 核的公司（如 UltraSoc ），提供嵌入式分析功能，大幅度减少芯片开发成本，提升盈利能力。

6、 从地区分布来看，依然集中在美国；从商业模式来看，以基于 RISC V架构开发芯片为主，仅 SiFive 一家公司开发 IP 核；应用领域方面，依然集中在物联 网、人工智能领域。

七、RISC-V行业应用纷纷落地

随着RISC V 生态的逐步 完善，众多行业应用纷纷落地。

Ashling Systems 与 Imperas Software 合作为 RISC V 软件开发提供集成工具及解决方案；

CEVA 宣布其 RivieraWaves 蓝牙和 Wi Fi IP 平台现可提供可选的集成开源 RISC V MCU

GreenWaves Technologies 推出基于 RISC V 的 GAP8 物联网应用处理器；

Trinamic 授权 Codasip 的 Bk3 RISC V 处理器用于下一代运动控制应用；

Imperas Software 的基于 RISC V 的 RV64GC 高 性能可扩展平台套件，可快速运行 Linux 。


八、RISC-V满足个性化、定制化芯片新需求

目前主流指令集架构芯片的应用领域及市场地位：

嵌入式领域，ARM 独占鳌头。综合 Gartner 、 IDC 等研究机构的数据， ARM 估计 2017 年大约有 340 亿台设备使用了该公司授权的指令集芯片，芯片总量高达 410 亿枚。全球超过 90% 的智能手机和平板电脑都采用了 ARM 授权的指令集架构。

PC领域， Intel 和 AMD 等公司采 用的 x86 架构占据了绝对主导地位。

基于RISC V 极简、开源、模块化及可扩展的技术特性，对芯片产业产业了众多影响：

1、 基于 RISC V 的极简、模块化和可扩展特性，使得低功耗、小面积，同时具有个性化 和差异化的定制芯片成为可能，碎片化场景（ IOT 、AI ）应用大有可为 。

2、 开源导致参与主体较多，初期呈现百家争鸣态势。基于 RISC V的芯片会形态众多，良莠不齐现象严重，设计和工艺技术强的厂商受益（手稿：设计涉及 RTL 编码、 layout 、半导体制程、封装等一系列技术，同时测试标准也不一样） 。

3、 可扩展性导致基于 RISC V 的芯片功能丰富度提高 。

4、 开源的 RTL 代码以及无预测性内存访问导致芯片安全系数提高 。

5、 基于原主流架构的芯片生态格局一时难以撼动，新兴领域会有一席之地。尤其在物联网领域，对 ARM 架构 的芯片具有一定的替代作用。

我国芯片产业发展薄弱，主要知识产权受制于人由来已久。

面对中美贸易摩擦，我国发展自主可控势在必行，发展自主知识产权，建立我国自有指令集架构标准，构建芯片产业生态，壮大我国半导体、集成电路产业。

目前，我国芯片产业主要呈现以下特点：

1、 90%靠进口：据 International Business Strategies Inc. 估计，中国使用的总价值 1900 亿美元的芯片中，近 90% 是来自进口或在华外企生产。

2、 CPU指令集群雄割据：集齐了全球大部分有一定影响力的指令集，包括 ARM、 MIPS 、 PowerPC 、 SPARC 、 RISC V 、 X86 等指令集。代表厂商：龙芯、君正、华为海思、展讯。面临的主要问题：缺乏自主知识产权、缺乏统一的指令集标准。

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