中国芯片将靠它弯道超车！RISC-V架构全解构

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RISC-V（发音为“risk-five”）是一个基于精简指令集（RISC）原则的开源指令集架构（ISA），简易解释为开源软件运动相对应的一种“开源硬件”。该项目2010年始于加州大学伯克利分校，但许多贡献者是该大学以外的志愿者和行业工作者。与大多数指令集相比，RISC-V指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件而不必支付给任何公司专利费。虽然这不是第一个开源指令集，但它具有重要意义，因为其设计使其适用于现代计算设备。设计者考虑到了这些用途中的性能与功率效率。该指令集还具有众多支持的软件，这解决了新指令集通常的弱点。

本期的智能内参，我们推荐西南证券的研究报告《布局RISC V，进军IoT》，从RISC V的技术特点、设计理念、历史沿革、优缺点等多方面解析RISC V架构。

一、什么是RISC V？

CPU（中央处理器），也被称为微处理器，相当于电子产品的大脑。在通信领域当中，几乎所有的重要信息都要由这个“大脑”所掌控，CPU芯片和操作系统是网信领域最基础的核心技术。 CPU主要有两大指令集：复杂指令集（Complex Intruction Set Computer，CISC）架构——x86，精简指令集（Reduced Intruction Set Computer，RISC）架构——ARM、MIPS和RISC-V 。而 RISC-V正是一种基于“精简指令集（RISC）”原则的开源指令集架构。

▲CPU主流架构

CPU的架构一直以来是x86与ARM的天下，而自2010年RISC-V诞生以后 ，隐约在CPU架构呈现出三足鼎立的趋势：

X86：传统PC市场的主流，善于处理大数据，IP掌握在英特尔和AMD手中 。

ARM：移动（手机）市场，处理快数据为主，目前也使用在便携笔记本中，IP大部分掌握在ARM公司。

RISC-V：当需要同时兼顾数据传输速度与传输量时，这两类主流架构的胜任能力有限。RISC-V表现出了较强的优势。

▲CPU架构三足鼎立趋势

1981年，在David Patterson的带领下，加州大学伯克利分校的一个研究团队起草了RISC-1，是今天RISC架构的基础。随后在1983年发布了RISC-II原型芯片，1984年和1988年发布了RISC-III和RISC-IV。 RISC的设计理念也催生了一系列新架构，如MIPS、服务器的王者IBM PowerPC以及现在统治嵌入式市场的ARM。2010年，加州大学伯克利分校的研究团队设计并推出了一套基于BSD协议许可的免费开放的指令集架构RISC-V，其原型芯片也于2013年1月成功流片。

▲RISC发展历程

RISC-V最大的特性就在于“精简”。虽然与ARM同属于精简指令集架构，但因RISC-V是近年来才推出，没有背负向后兼容的历史包袱，架构短小精悍。相比于x86和ARM动辄几百数千页，RISC-V的规范文档仅有145页，且“特权架构文档”的篇幅也仅为91页。

RISC-V的优势 ：

1、模块化：RISC-V将不同的部分以模块化的方式组织在一起，并试图通过一套统一的架构来满足各种不同的应用场景，这种模块化是x86与ARM架构所不具备的。

2、指令数目少：受益于短小精悍的架构以及模块化的特性，RISC-V架构的指令数目非常的简洁。基本的RISC-V指令数目仅有40多条，加上其他的模块化扩展指令也总共只有几十条指令。

3、RISC-V全面开源，且具有全套开源免费的编译器、开发工具和软件开发环境（IDE），其开源的特性允许任何用户自由修改、扩展，从而能满足量身定制的需求，大大降低指令集修改的门槛。

同类产品中，ARM需要支付高昂的IP费用才可使用，甚至需支付“预付款”才可看到细节。

▲RISC-V的模块化指令集

▲各指令集架构的代码密度比较

▲三类架构对比

2015年，RISC-V 基金会正式成立，吸引了包括英伟达、NXP、三星、Microsemi在内等企业的加入。迄今为止，该基金会已吸引了全球28个国家327多家会员加入。 RISC-V基金会负责维护RSIC-V指令集标准手册与架构文档，每年RISC-V基金会都会举办各种专题讨论会和全球活动。

▲RISC-V基金会内部已有较为完善的生态圈

二、RISC-V优缺点

因为x86适合处理大量数据，在传统PC与服务器领域处于霸主地位， 在手机带来的科技革命趋势下，需要快速处理数据，ARM架构在手机处理器IP领域一统江湖。 在半导体的历史上，X86、ARM作为主流架构一直都占有着很大的市场。随着物联网时代的来临，而RISC-V作为新兴架构，以其精简的体量，或许在未来的IoT领域中能取得绝对的优势。

▲不同架构与数据、应用扩展方式

RISC-V的应用之一：IoT的“碎片化”需求， 因为IoT领域对AI芯片即要求高计算能力，又需要低延迟， 所以，IoT芯片设计速度要快、成本要低、能量身定制。同时嵌入式市场具备少量多样的特点，在各细分应用场景并未形成真正壁垒，架构的选择五花八门。 以上原因成就了RISC-V绝佳的突破口。RISC-V的开源能降低成本，也能让用户自由修改，可定制化，RISC-V生态与敏捷设计同源。目前，国内外已有多家芯片企业投入大量资金研发RISC-V在IoT领域的应用。

▲ IoT领域结构

未来的物联网大概会有300亿个设备被链接起来，那么物联网安全并不是奢侈品，而是必需品。而RISC-V的开源特性允许广泛的受众检查其体系结构，并在它们成为大范围的安全事件之前纠正它们。 RISC-V可以通过提供“修复”核心而无需实际更改核心的机会来影响我们现有的网络犯罪流行。

RISC-V的应用之二：手机市场 。 根据SiFive首席执行官Naveed Sherwani的预测，两年之后RISC-V就会进军手机市场，与高通、苹果、三星、联发科等ARM公司抢智能手机处理器市场，同时有可能威胁低功耗笔记本处理器 。 目前ARM公司的营收数据略有下滑，2017与2018年，ARM的设计IP市占率分别下滑1.6%及1.5%。因此，ARM也作出了相应的改善策略。2019年7月，Arm 推出新的授权模式“Flexible Access”：对于中低阶芯片的授权，未来客户不再需要缴纳“预付款”才能看到设计细节 。

RISC-V的应用之三：服务器市场 。 虽然目前RISC-V的高性能市场一片空白，但RISC-V本身用来设计高性能芯片是没有问题的，学术界已经有基于RISC-V架构的511核处理器（Celerity）。只是基于RISC-V的低门槛特点，进入的企业体量较为小巧，没有足够的资金做长期布局与研发，高性能等需要较长研发时间的领域尚无人尝试。

根据SiFive首席执行官Naveed Sherwani的预测，5年后RISC-V指令的处理器就有可能进军服务器市场，AMD、英特尔这样的x86处理器公司也许将要担心。

▲ 基于RISC-V架构的511核处理器（Celerity）

RISC-V的应用之四：存储市场 。 硬盘本身并不需要像SSD那样庞大的计算资源，但是由于新的磁记录技术，更复杂的功能（例如，基于NAND Flash的

缓存，健康管理，QoS），它们的处理要求也在增长增强等。这对存储器中控制芯片的计算能力要求变高了。

硬盘本身并不需要像SSD那样庞大的计算资源，但是由于新的磁记录技术，更复杂的功能（例如，基于NAND Flash的缓存，健康管理，QoS），它们的处理要求也在增长增强等。这对存储器中控制芯片的计算能力要求变高了。

虽然数据可以就近传输到附近的服务器汇总进行处理，这需要更为强大的服务器，但服务器本身对处理快数据的效率不高，因此硬盘不仅存储数据，还需要处理它。

目前RISC-V被认为最适合应用在IoT市场。因为IoT市场的情况更为灵活，是一个“碎片化”的市场，客户需求相对多样化，目前尚无任一架构统一市场，而RISC-V具有低功耗、低成本、灵活可扩展及安全可靠的特性。

虽然RICS-V本身是开源免费的，但是用户对RICS-V的架构进行使用和修改后可以进行销售。根据Tractica的预测，基于RISC-V的IP和软件工具的全球收入将在2025年增加到11亿美元，高于2018年的5200万美元。

但是， RISC-V最大的缺点是目前尚缺少生态系统 。 CPU 架构的影响力主要是依赖他生长的一整套生态系统，比如基于x86的Windows，基于ARM的Android。RISC-V现在最缺的是生态系统，特别是IoT碎片化的性质，没有一个统一的软件栈生态。

RISC-V基金会其实对此并不做任何定义，生态系统的搭建交予使用者来自行发挥。并且生态系统并非一蹴而就，根据RISC-V基金会亚太区副秘书长郭雄飞所言，唯有RISC-V MCU大规模量产，开发者真正随手可得，相应的软件生态才能大规模爆发。

▲三大架构与生态系统

而且，在AI芯片赛道上，RISC-V有个最强的竞争者 MIPS 。 ARM、MIPS和RISC-V皆属于精简指令集（RISC）架构。在智能手机时代，由于MIPS选择消费电子时，Arm选择了手机市场，即使ARM与MIPS的诞生时间相差些许，但更晚出现的Arm成为了智能手机时代的标签。 MIPS和RISC-V两者的架构也相差不大。因此，在2018年12月MIPS宣布开源之后，MIPS可能成为RISC-V在AI时代强有力的竞争者。并且基于MIPS指令集的芯片已经有100亿颗的出货，这意味着MIPS处理器在机顶盒、录音笔、智能手表等市场已经非常成熟。未来，政策、生态、软件等方面的因素是两个指令集在AI时代竞赛的重要考量。

▲MIPS架构与MIPS公司的发展历程

RISC-V是国内芯片自主可控一次弯道超车的机会 。目前所有的通用x86架构处理器技术都掌握在英特尔和AMD公司手中，ARM则也受到美国政策的限制。同时信息安全也是近几年来一直在强调的话题。在政府、海关、金融、铁路、民航、医疗、军警等重要部门，保障其通信安全尤为重要。

但RISC-V的开源特性，使得国内企业可以继续使用。同时因为其模块化的设计，可以直接应用模块，使用门槛不高。并且对于新时代IoT等趋势的驱动下，RISC-V对比其余架构存在较大的优势，国内企业提前布局，或可成为该行业巨头之一。自2018年开始，在国内的半导体技术圈里，已经掀起了一场关于RISC—V的讨论热潮。

9月20日上午，中国RISC-V产业联盟(China RISC-V Industry Consortium，CRVIC)成立大会在张江的上海集成电路行业协会会议室成功召开。吸引芯原控股、芯来科技、上海赛昉科技、杭州中天微、北京君正、兆易创新、紫光展锐等多家单位加入，芯原控股有限公司担任联盟首任理事长单位。

设立联盟为搭建产业交流平台，推动RISC-V 广泛应用；推动RISC-V 人才培养，建立高校培养计划；推动会员协同发展，建立长效合作机制；承接RISC-V 全球基金会活动，深化国际合作交流。

智东西认为，RISC-V的五大特点，精简、安全、开源、下游市场和生态决定了RISC-V在物联网时代将会大放异彩，而且RISC-V指令集可能是最适合中国国情的，它的方针与我国秉持的开放共享、互利共赢的发展理念完美贴合。PC时代成就了x86，移动互联网时代ARM是绝对的主流，即将到来的IoT时代，哪种指令集架构会成功？不少人看好RISC-V。RISC-V这个全球开放的架构没有知识产权的限制，对中国而言是一个很好的机会，随着RISC-V在中国越来越火爆，相信不远的未来我们就能看到基于RISC-V的自主可控芯片的诞生。