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作者 | 朱星宇-新氦戰(zhàn)略部實習(xí)生
編輯 | Emily Cheng、Poppy Tan
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2019年12月23日，“2019國際芯片大會（Chips 2019）”在北京舉行，中國工程院院士倪光南展望了開源芯片的前景：“未來RISC-V很可能發(fā)展成為世界主流CPU架構(gòu)之一，從而在CPU領(lǐng)域形成英特爾（x86）、ARM、RISC-V三分天下的格局?！?/span>
（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）
CPU指令集和IP核簡介
計算機(jī)指令就是指揮機(jī)器工作的指示和命令，程序就是一系列按一定順序排列的指令，執(zhí)行程序的過程就是計算機(jī)的工作過程。而CPU指令集（ISA, Instruction Set Architecture）就是CPU中用來計算和控制計算機(jī)系統(tǒng)的一套指令的集合，每款CPU在設(shè)計時就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。而指令集的先進(jìn)與否，也關(guān)系到CPU的性能發(fā)揮，它也是CPU性能體現(xiàn)的一個重要標(biāo)志。
不同的操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件都是建立在對應(yīng)的底層處理器架構(gòu)之上。例如英特爾的 CPU 和微軟的 windows，ARM系列芯片和安卓系統(tǒng)及應(yīng)用，蘋果處理器與 IOS 系統(tǒng)及應(yīng)用。CPU 指令集主要分有兩大陣營，一是以 Intel 和 AMD 的復(fù)雜指令集（CISC）， 二是以 ARM、MIPS、PowerPC、RISC-V 為主的精簡指令集（RISC）。
（長城證券研究所）
IP核是知識產(chǎn)權(quán)核或知識產(chǎn)權(quán)模塊，在EDA技術(shù)開發(fā)中具有十分重要的地位。美國著名的Dataquest咨詢公司將半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的IP定義為“用于ASIC或FPGA中的預(yù)先設(shè)計好的電路功能模塊”。IP核主要分為軟核、固核和硬核。軟核是用Verilog / VHDL等硬件描述語言描述的功能塊，但是并不涉及用什么具體電路元件實現(xiàn)這些功能，因此用戶可以綜合出正確的門電路級設(shè)計網(wǎng)表，并可以進(jìn)行后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有很大的靈活性；固核的設(shè)計程度則是介于軟核和硬核之間，除了完成軟核所有的設(shè)計外，還完成了門級電路綜合和時序仿真等設(shè)計環(huán)節(jié)。一般以門級電路網(wǎng)表的形式提供給用戶；硬核是基于半導(dǎo)體工藝的物理設(shè)計，已有固定的拓?fù)洳季趾途唧w工藝，并已經(jīng)過工藝驗證，具有可保證的性能。其提供給用戶的形式是電路物理結(jié)構(gòu)掩模版圖和全套工藝文件，是可以拿來就用的全套技術(shù)。
現(xiàn)在主流處理器架構(gòu)是PC處理器x86和手機(jī)處理器 ARM，x86架構(gòu)被 Intel 和 AMD 壟斷，ARM 架構(gòu)被 ARM 公司壟斷。其他處理器設(shè)計公司想自主設(shè)計就要有授權(quán)。而ARM 的授權(quán)主要分為3種：
一是指令集架構(gòu)級別的授權(quán)，蘋果和華為就是指令集架構(gòu)授權(quán)（華為-ARMV8）；
二是 IP 核（軟核）授權(quán)，無法對指令集架構(gòu)修改，只能修改IP核；
三是 IP 核（硬核）授權(quán)，一切不能改動，包括工藝參數(shù)選擇，直接調(diào)用。
華為旗艦手機(jī)CPU芯片麒麟980、990均采用
ARM IP-Cortex-A76架構(gòu)定制
（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）
2019年5月16日，美國商務(wù)部工業(yè)與安全局(BIS)將華為列入“實體清單”，ARM公司也一度拒絕授權(quán)給華為ARM新的指令集和IP核，這將造成兩大影響：一是ARM發(fā)布下一代IP核（Cortex-A77）后，華為只能使用ARM V8架構(gòu)自主設(shè)計IP核跟進(jìn)或是采用原IP（Cortex-A76）進(jìn)一步開發(fā)，研發(fā)速度和資金投入是關(guān)鍵。而高通可以直接通過這個新IP核（Cortex-A77）定制新一代芯片高通驍龍865。二是當(dāng)ARM發(fā)布下一代指令集架構(gòu)（例如 ARMV9、V10）時，華為需要在ARMV8的基礎(chǔ)上自主開發(fā)出“ARMV9” 指令集架構(gòu)，技術(shù)難度比IP核大很多。同時華為自創(chuàng)的“ARMV9”生態(tài)系統(tǒng)需要和ARM系統(tǒng)兼容。（ARM中國在19年9月宣稱并不會中斷與華為合作，未來華為依舊可以得到授權(quán)）
RISC-V的特點與市場
RISC-V是基于精簡指令集 (RISC)建立的開放指令集架構(gòu) (ISA)，由加州大學(xué)伯克利分校的 David A. Patterson 教授提出，具有完全開源、架構(gòu)簡單、易于移植、模塊化設(shè)計等優(yōu)點，由硅谷相關(guān)公司于 2015 年發(fā)起并成立的 RISC-V 基金會統(tǒng)一維護(hù)。
分析機(jī)構(gòu)Semico Research預(yù)測，到2025年，市場將總共消費(fèi)624億個RISC-V CPU內(nèi)核2018年至2025年復(fù)合增長率高達(dá)146%，涵蓋計算機(jī)、消費(fèi)者，通訊、運(yùn)輸和工業(yè)等細(xì)分市場，其中工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒊蔀樽畲蟮募?xì)分市場，擁有167億個內(nèi)核，占總體銷量的 26.76%。
雖然RICS-V本身是開源免費(fèi)的，但是用戶對RICS-V的架構(gòu)進(jìn)行使用和修改后可以進(jìn)行銷售。根據(jù)Tractica的預(yù)測，基于RISC-V的IP和軟件工具的全球收入將在2025年增加到11億美元，高于2018年的5200萬美元。
（Source: Semico Research Corp.）
在芯片架構(gòu)領(lǐng)域，ARM的壟斷地位越發(fā)明顯，缺乏競爭導(dǎo)致ARM IP授權(quán)越來越貴，許多ARM的客戶例如高通、Google等紛紛加入了開源架構(gòu)RlSC-V的陣營。RISC-V的這些特點其相繼吸引來 IBM、NXP、西部數(shù)據(jù)、英偉達(dá)、高通、三星、谷歌、華為、阿里、Red Hat 與特斯拉等 100 多家科技公司加入其陣營，行業(yè)也不斷在圍繞它構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)，對 ARM 等競爭對手造成了巨大的沖擊。2015年，RISC-V 基金會正式成立。截至19年8月12日，該基金會已吸引了全球28個國家327家會員加入。RISC-V基金會負(fù)責(zé)維護(hù)RSIC-V指令集標(biāo)準(zhǔn)手冊與架構(gòu)文檔，每年 RISC-V基金會都會舉辦各種專題討論會和全球活動。
RISC-V基金會成員
（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）
RISC-V的前生今世
1981年，美國加州大學(xué)伯克利分校的David Patterson教授提出了精簡指令集RISC的觀點，這與X86那類復(fù)雜指令集CISC是相對的，RISC主張精簡指令種類和格式，倡導(dǎo)硬件應(yīng)重點加速常用的指令，達(dá)到降低功耗、提高效率的目的。
2010年，同樣是在美國加州大學(xué)伯克利分校，Krste Asanovic教授正在為選擇何種指令集來開展他的一系列教育項目而煩惱。在比較過后，因為X86是封閉的，Arm架構(gòu)授權(quán)費(fèi)太貴，社區(qū)化運(yùn)營的OpenRISC要求所有的指令集改動后必須開源，限制條件頗多。最后Krste教授決定結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計需求，在RISC架構(gòu)的基礎(chǔ)上，拋掉不必要的歷史包袱，自己做個開源的CPU指令集架構(gòu)來使用。
2014年，Krste團(tuán)隊成功推出了一套基于BSD協(xié)議許可的免費(fèi)開放的指令集架構(gòu)RISC-V。
2015年，融合了產(chǎn)學(xué)研各界的RISC-V基金會正式成立。
2017年，印度政府表示將大力資助基于 RISC-V 的處理器項目，使 RISC-V 成為印度的事實國家指令集。
2018年7月，上海成為國內(nèi)第一個將 RISC-V 列入政府扶持對象的城市。
2018年10月17日，中國 RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（China RISC-V Industry Consortium，簡稱 CRVIC）在上海張江正式成立，芯原微電子擔(dān)任聯(lián)盟首任理事長單位，君正、晶心、芯來、致象爾微擔(dān)任副理事長單位，截止 2019 年底，聯(lián)盟已有 130 余家會員單位。
2018年11月8日，中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟（China RISC-V Alliance，簡稱 CRVA）成立，由中國工程院院士、中科院計算技術(shù)研究所研究員倪光南任理事長，阿里（中天微）、百度、北京大學(xué)、長虹集團(tuán)、清華大學(xué)、騰訊、中芯國際、紫光展銳等為副理事長單位，旨在以 RISC-V 指令集為抓手，聯(lián)合學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)界推動開源開放指令芯片及生態(tài)的健康發(fā)展。
2020年1月13日，中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟2019年會暨武漢產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新論壇在武漢順利召開。武漢RISC-V產(chǎn)學(xué)研基地、RISC-V聯(lián)盟武漢分中心、湖北省RISC-V產(chǎn)學(xué)研基地在本次大會上揭牌成立。會上，中國工程院院士、中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟理事長倪光南表示“未來RISC-V很可能發(fā)展成為世界主流CPU架構(gòu)之一，從而CPU領(lǐng)域形成Intel、Arm、RISC-V三分天下的格局?！?/p>
2020年3月20日，RISC－V基金會首席執(zhí)行官Calista Redmond正式宣布，RISC－V基金會總部正式遷移到瑞士。此前RISC－V基金會總部位于美國，而RISC－V基金會遷移至瑞士就是為了避免受到美國芯片霸權(quán)主義的影響，確保美國以外的大學(xué)、政府和公司可以應(yīng)用并開發(fā)其開源技術(shù)。
RISC-V的應(yīng)用場景
隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的來臨，IoT芯片設(shè)計速度要快、成本要低、能量身定制。同時嵌入式市場具備少量多樣的特點，在各細(xì)分應(yīng)用場景并未形成真正壁壘，架構(gòu)的選擇五花八門。因此，這是RISC-V絕佳的突破口。RISC-V的開源能降低成本，也能讓用戶自由修改，可定制化。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在IoT領(lǐng)域的應(yīng)用。后摩爾時代，基于領(lǐng)域的架構(gòu)設(shè)計(DSA, Domain Specific Architecture)的設(shè)計理念逐漸成為共識和趨勢；芯片需求海量化的同時，逐漸呈現(xiàn)出APP化的趨勢，需要滿足三個方面的特性：1.有效解決具體實際場景的問題；2.更快的市場響應(yīng)速度；3.特性差異化和成本優(yōu)勢；使用RISC-V開放架構(gòu)的處理器內(nèi)核能夠很好地滿足AIoT芯片差異化和成本優(yōu)勢的要求。
在 RISC-V 的壓力之下，ARM 也在調(diào)整業(yè)務(wù)模式。2019年7月，ARM 推出了 Flexible Access 業(yè)務(wù)模式。無需讓合作伙伴在使用該技術(shù)之前預(yù)先支付許可費(fèi)用，只需在產(chǎn)品準(zhǔn)備好生產(chǎn)并開始發(fā)貨時，向 ARM 支付許可費(fèi)用和專利費(fèi)用；在 2019 年的 ARM 技術(shù)大會上，ARM 宣布將在部分 ARMv8 Cortex-M 系列 CPU 內(nèi)核中引入自定義指令功能，即客戶能夠編寫自己的定制指令來加速其特定用例、嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序?！凹尤胱远x指令功能”、“下調(diào) IP 授權(quán)費(fèi)”就是ARM應(yīng)對 RISC-V 采取的舉措。
在可見的未來，ARM 可能依然會占據(jù)中高端市場，但 RISC-V會在一些碎片化的市場領(lǐng)域，比如高校教育培訓(xùn)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域占據(jù)比較大的份額。這是因為像物聯(lián)網(wǎng)這樣嚴(yán)重碎片化的應(yīng)用場景，對客制化的需求非常大。而由于 RISC-V 天生的開放特性，使得其很適合于這種需要軟硬件客制化的應(yīng)用場景。
除了物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，RISC-V還將在以下領(lǐng)域大顯身手。
物聯(lián)網(wǎng)安全：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。
手機(jī)市場：2019年12月12日年度RISC-V峰會上，三星披露了將SiFive RISC-V內(nèi)核用于即將推出的各種應(yīng)用芯片。其中之一是即將推出的5G RF前端模塊進(jìn)行的毫米波（mmWave）射頻處理器，它將用于2020年三星旗艦5G智能手機(jī)。三星表示RISC-V內(nèi)核還將用于AI圖像傳感器，安全管理，AI計算和控制?！靖鶕?jù)SiFive CEO Naveed Sherwani的預(yù)測，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?！?/p>
服務(wù)器市場：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)，高性能等需要較長研發(fā)時間的領(lǐng)域尚無人嘗試。【根據(jù)SiFive首席執(zhí)行官Naveed Sherwani的預(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。】
存儲市場：硬盤本身并不需要像SSD那樣龐大的計算資源，但是由于新的磁記錄技術(shù)，更復(fù)雜的功能（例如，基于NAND Flash的緩存，健康管理，QoS），它們的處理要求也在增長增強(qiáng)，因此對存儲器中控制芯片的計算能力要求變高了。需要實時處理和低延遲的數(shù)據(jù)量正在增長，因此硬盤不僅存儲數(shù)據(jù)，還需要處理數(shù)據(jù)?！疚鞑繑?shù)據(jù)發(fā)布了兩款新的SweRV核心產(chǎn)品SweRV Core EH2、SweRV Core EL2，都屬于微控制器專用CPU。西數(shù)表示，EH1、EH2、EL2核心都會在近期出現(xiàn)在大量產(chǎn)品中，而這些核心都會繼續(xù)對外開放，以壯大RISC-V的生態(tài)?！?/p>
RISC-V的難點與展望
RISC-V 目前最大的短板在于基于這一架構(gòu)的生態(tài)發(fā)展還處于初級階段。所謂 RISC-V 的生態(tài)包括開放架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、硬件生態(tài)、工具鏈軟件生態(tài)、應(yīng)用軟件生態(tài)等內(nèi)容。其中，硬件生態(tài)包括開源內(nèi)核 IP、開源 SoC、商業(yè) IP 等；工具鏈軟件生態(tài)包括編譯器、匯編器、鏈接器、調(diào)試器等開源工具鏈和商業(yè)工具鏈；應(yīng)用軟件生態(tài)就是操作系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境、應(yīng)用軟件等。
在這張 RISC-V 生態(tài)“拼圖”上，除了最核心的開放架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，其余都需要從業(yè)者去完善。雖然正在完善這張“拼圖”的玩家尚有一些，如賽昉（SiFive）中國、芯來科技、平頭哥、臺灣晶心科技（Andes）等，但整體而言生態(tài)發(fā)展還在起步階段。
生態(tài)最重要的作用就是能讓用戶“快速上手”，比如參考設(shè)計等，即向智能門鎖、手表、手環(huán)、電機(jī)控制、平衡車控制等特定市場打造的軟硬件方案。當(dāng)公司向客戶推廣的時候，客戶第一時間就會問有沒有參考方案。對于客戶來說有了參考方案，只需要略微修改就可以定制出自己的方案?！睕]有參考設(shè)計，合作很難深入談下去，但目前而言，拿出參考方案并不容易。
好消息是 RISC-V 的生態(tài)已在逐漸完善。使用 RISC-V 架構(gòu)設(shè)計芯片的企業(yè)越來越多，從硬件 IP 到軟件工具鏈，再到操作系統(tǒng)以及開發(fā)環(huán)境，都為設(shè)計企業(yè)帶來了更多的選擇，既有免費(fèi)的開源版本，也有穩(wěn)定高效的商業(yè)版本。并且由于軟硬部分都是基于同一套體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，所以國內(nèi)外很多公司和組織的技術(shù)演進(jìn)、合作創(chuàng)新都在不斷促進(jìn)生態(tài)的完善。
目前所有的通用x86架構(gòu)處理器技術(shù)都掌握在英特爾和AMD公司手中，ARM則也受到美國政策的限制。同時信息安全也是近幾年來一直在強(qiáng)調(diào)的話題。在政府、海關(guān)、金融、鐵路、民航、醫(yī)療、軍警等重要部門，保障其通信安全尤為重要。RISC-V的開源特性，使得國內(nèi)企業(yè)可以繼續(xù)使用。同時因為其模塊化的設(shè)計，可以直接應(yīng)用模塊，使用門檻不高。并且對于新時代IoT等趨勢的驅(qū)動下，RISC-V 作為新興架構(gòu)，擁有在 IoT 等新興領(lǐng)域深耕的客觀條件。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。隨著人工智能、5G、邊緣計算、區(qū)塊鏈等技術(shù)的發(fā)展和成熟，將對傳統(tǒng)計算需求形成巨大挑戰(zhàn)，并創(chuàng)造出新的計算技術(shù)需求，國內(nèi) CPU 企業(yè)如能在此期間不斷拓展產(chǎn)品譜系，將大有可為。
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