Is RISC-V really a hope for China's chips to achieve autonomy, control, innovation and prosperity?

RISC-V正在成为硅谷、中国乃至全球IC设计圈的热门话题，有人将之比作"半导体行业的Linux"。对多年来一直寻求突破的中国芯片产业来说，RISC-V能否成为我们实现自主、可控、创新和繁荣的新希望？

作者：顾正书, Nov. 28, 2018 – 

在今年的乌镇世界互联网大会上， 图灵奖得主大卫· 帕特森( David Patterson)在主题演讲中专门以OURS Pygmy AI芯片为例，展示了 RISC-V的强大。这是一款基于64位 RISC-V指令集架构、具有可编程、低功耗和高能效的物联网终端AI 推理芯片，由Patterson教授的学生谭章熹创办的睿思芯科(OURS)开发，从芯片规划到成功流片仅用了7个月时间。

同时在乌镇宣布成立的中国开放指令生态(RISC-V)联盟(CRVA)由中科院计算所牵头，清华和北大等高校积极参与，倪光南院士担任理事长。

而于10月份成立的中国RISC-V产业联盟(CRVIC)则得到上海市经信委的大力支持，现已有50多家IC设计企业、高校和科研机构加盟。上海市政府还出台了专门针对RISC-V的扶持政策。

RISC-V是什么？为何会引起这么大的反响？其实RISC-V既不是一个重大技术突破，也不是一个颠覆传统的创新产品，更不是一颗国人期盼已久的"中国芯"，它只不过是一 个小小的计算机指令集架构(ISA)而已。"RISC-V指令集有望像开源软件生态中的Linux那样，成为计算机芯片与系统创新的基石。"RISC-V中国联盟秘书长包云岗如此评价RISC-V。中国RISC-V产业联盟理事长、芯原董事长戴伟民相信，RISC-V是中国IC 产业实现自主、可控、创新和繁荣的希望所在。

RISC-V大有来头

2017 ACM图灵奖得主是John Hennessy 和 David Patterson，以表彰他们在计算机体系结构方面的贡献。他们提出的精简指令集计算机(RISC)架构不但开创了一套系统、量化的计算机设计方法，而且对微处理器行业产生了深远的影响。现今每年生产的微处理器芯片超过160亿颗，其中99%都是采用RISC架构(Arm就是一种主流的RISC架构)。无论是智能手机、平板电脑、嵌入式计算机， 还是物联网设备，RISC微处理器几乎无处不在。

与以x86为代表的复杂指令集计算机(CISC)架构不同，RISC仅有一组很简单的通用指令，完成计算所需的晶体管数量自然也少得多。上世纪80年代，基于RISC架构，Hennessy带领的斯坦福研究小组开发出MIPS微处理器，而Patterson带领的UC-Berkeley团队先后推出了几代RISC微处理器(RISC-I、II、III和IV)。尽管当时他们的RISC架构不被业界看好，但Hennessy创立了MIPS公司，而伯克利的研究成果则被用于SUN微系统公司的SPARC微处理器，两个研究团队的成果都被成功商业化。

40多年来，计算机和微处理器行业发生了天翻地覆的变化，但其幕后的指令集架构(ISA)却没有多大变化。目前主流的ISA包括：INTEL/AMD PC CPU采用的x86架构、智能手机应用处理器采用的Arm架构、数字电视和机顶盒采用的MIPS架构， 以及汽车电子系统采用的POWER架构。

RISC-V是由UC-Berkeley团队在历代RISC架构基础上，总结多个ISA 优缺点而重新创建的一种新式ISA， 它采取"开源"的模式对全世界开放，希望成为一切计算设备都可以采用的指令集架构。专注于RISC-V处理器内核开发的芯来科技创始人胡振波认为，RISC-V最大的特点是"开放"，它的开放性允许它可以自由地被用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售基于RISC-V的芯片或软件，这种彻底的开放性在处理器领域还是第一次。

ISA对CPU和计算机产业有多大的影响？让我们简短地回顾一下：

● 大型机时代( 60 ~ 70年代)：IBM S/360，软件依附于硬件系统， 芯片在整个系统中价值占比很小；

● PC时代(80 ~ 90年代)：I NTEL x86 架 构 ， 软件(操作系统WINDOWS、MAC OS和Linux 及各自的应用软件) 独立于硬件。CPU是PC的大脑，而MCU 是嵌入式系统的大脑，微处理器是系统最有价值的部分；

● 互联网和移动时代(2000 ~ 2020年)：Arm架构，操作系统(Android和iOS)和APP独立于硬件，微处理器及内核IP(主要是Arm)成为硬件设备中最有价值的部分；

● AI + IoT时代(未来20~30年)：系统级芯片(SoC)将在整机系统中占据主导地位，ISA可以说是人工智能和万物互联的灵魂。RISC-V将与Arm/x86并存，形成百家争鸣的自由、开放和繁荣局面。

大道至简的RISC-V

微处理器芯片设计师在选择ISA时，通常从以下七个方面综合考虑：成本、性能、简洁性、架构和具体实现分离、增长空间、程序大小，以及易于编程/编译/链接。相对于传统的x86和Arm架构，RISC-V具有三个优势， 即精简、模块化和可扩展性。

RISC-V的基本指令集RV32I只有47条指令，而且是永远不再改变的。而x86和Arm的指令集则变得越来越复杂，x86指令集40年来已经从最初的80条指令增加到超过1400条，而Arm自诞生30年来也增加到1200条指令。x86和Arm都在以平均每个月增加2条新指令的速度增长;

架构师希望保持ISA的简洁性， 从而缩小处理器尺寸。RISC-V比Arm-32要简洁得多。以不带缓存的晶粒为例(见表2)，RISC-V晶粒的大小是0.14mm²，而Arm-32晶粒是0.27mm²。由于面积大一倍，Arm-32 Cortex A5的晶粒成本约是RISC-V Rocket的4倍。即使晶粒的大小只缩小10%，成本也将以1.2倍的比例缩小;

RISC-V的不同寻常之处在于其模块化。它的核心是一个名为RV32I 的基础ISA，运行一个完整的软件栈。RV32I是固定的，永远不会改变。这为编译器编写者、操作系统开发人员和汇编语言程序员提供了稳定的目标。模块化来源于可选的标准扩展，根据应用的需要，硬件可以包含或不包含这些扩展。这种模块化特性使得RISC-V具有袖珍化、低能耗的特点，这对嵌入式应用至关重要。

由胡振波先生开发开源的蜂鸟E203是国内第一个开源的RISC-V处理器内核，已被国内的教育教学领域和社区爱好者广泛用于学习和入门RISC-V。

RISC-V指令集支持扩展，但却有严格限制，给客户提供了专属的定制化空间，所以不会出现碎片化现象。台湾晶心科技(Andes Tech)是RISC-V基金会创始会员，也是CRVIC副理事长单位。据晶心科技总经理林志明介绍，晶心采用RISC-V作为其第五代架构AndeStar(V5)的基础指令集，基于V5架构的RISC-V处理器内核有32位和64位两种架构，包括AndesCore A25/AX25和 N25(F)/NX25(F)，相比于Cortex-A7或者Cortex-M7，性能都有不小的提升。

计算机架构的黄金时代：IoT+AI应用呼唤新的ISA

大卫·帕特森(David Patterson)在世界互联网大会断言："随着摩尔定律的终结，为了获得性能更快的计算机，唯一的方法就是改进计算机的设计或‘架构’—— 未来5~10年将出现计算机架构的黄金时代。"针对中国的市场需求和计算机工程人才培养，他认为"中国正在为物联网的发展而生产大量芯片，庞大的需求呼唤优秀的计算机架构师提供最好的产品。"

据Gartner预测，2017~2023年间，全球IoT设备年复合增长率约为20%，其中应用于IoT终端的嵌入式CPU需求增长高达32%，到2020年这一细分市场的规模将达到13亿美元。然而，物联网碎片化问题很严重，应用十分广泛，这就要求低功耗、低成本、小尺寸而又差异化的微处理器。

芯原董事长戴伟民博士认为，物联网碎片化挑战和异构计算趋势是RISC-V的发展机遇。他在最近举行的ASPENCORE全球CEO峰会上接受EDN采访时，曾这样描述RISC-V 对物联网碎片化的影响："物联网是碎片化的，整个市场很大，但每一个细分市场并不是那么大。RISC-V具有模块化、可扩展的特点，因此可以为物联网应用的不同需求‘量体裁衣’。虽然目前RISC-V在物联网中的应用没有消费类热闹，但英伟达、谷歌、西部数据等领先企业都在积极布局，他们将会带动RISC-V产业生态的发展。此外，人工智能应用也推动了异构计算的发展，RISC-V的特性也非常切合异构计算的设计需求。"

就像基于x86架构的CPU无法满足移动智能设备的PPA(性能、功耗、面积)要求一样，Arm架构的CPU内核也难以满足物联网终端和边缘智能设备千变万化的需求。应运而生的RISC-V 及其生态链则有望解决物联网碎片化问题，并催生IoT和边缘计算设备的爆炸式增长。

另一方面，高性能计算和云服务对AI训练和深度学习提出了更高的要求，而现有的CPU或GPU都无法满足这样的要求。系统级芯片设计师必须在单个芯片上集成CPU、GPU、存储器及各种IP模块，这就需要实现异构集成的特定域架构(DSA)。

RISC-V的64位架构可以满足高性能AI运算需求。RISC-V受益于同时设计32位和64位架构，而较老的ISA必须依次设计它们。RV64I ISA几乎包含了所有RV32I指令。同步设计还意味着64位架构指令集不必被狭窄的32位操作码空间限制。RV64I有足够的空间用于可选的指令扩展，特别是RV64C，这使得其代码大小比其它任何64位ISA都要小。其实64位架构更能体现RISC-V设计上的优越性，毕竟64位ISA的设计比先行者们晚了20年，是在以前的64位ISA经验和教训基础上发展出来的。

RISC-V全球生态圈

秉承UC-Berkeley的自由、开放精神，RISC-V自2010年诞生伊始便下定了开源给全世界的决心。2015年成立的RISC-V基金会是一个非营利性的行业组织，其使命就是要"规范、保护和推广自由和开放的RISC-V指令集架构，推动RISC-V硬件和软件生态系统的发展，以赋能所有的计算设备。"

到目前为止，RISC-V基金会在全球范围已经有150多家会员，不但包括谷歌、三星、英伟达、IBM、华为、高通和西部数据等互联网和半导体巨头，还有阿里中天微、致象尔微电子、君正、芯原、晶心、芯来等IC 设计和服务公司，以及UC-伯克利、普林斯顿、清华和中科院计算所等高校和科研机构。

西部数据宣称其下一代存储计算芯片及产品将全部转向RISC-V架构，每年将出货高达10亿颗RISC-V芯片。英伟达也宣布将基于RISC-V 64位架构开发下一代Falcon微控制器，用于其未来的GPU系列芯片。RISC的两位奠基人退休后会聚谷歌，Hennessy出任谷歌母公司董事长，而Patterson则是"杰出工程师"。谷歌现已基于其TensorFlow框架开发出云端AI训练TPU，同时还有边缘端AI推理TPU。相信不久的将来也会推出基于RISC-V的TPU。

RISC-V生态链中的中型企业和初创公司也不甘示弱，台湾晶心科技不但基于RISC-V指令集开发出AndeStar V5结构，而且已经推出32位和64位的RISC-V CPU内核，此外还有可以媲美Arm开发工具的一套IDE。高云半导体已经在其FPGA中采用晶心的RISC-V内核。轰动一时的华米黄山一号AI芯片采用的是SiFive内核及开发平台，SiFive是由RISC-V 架构原始开发者创办的RISC-V芯片设计IP和服务公司，已经获得包括Intel Capital在内的多家风投资金。

归入阿里旗下的中天微已经推出基于RISC-V的第三代指令集架构处理器CK902，伏达半导体成为这一CPU架构授权合作伙伴。倡导芯片设计平台即服务(SiPaaS)的芯原正在研发采用RISC-V架构的数据流处理单元(DPU)，将为选用RISC-V架构的芯片开发商提供从芯片规划到流片的全程服务。

当然，国内更多的还是芯片设计公司，在考虑CPU内核时除了Arm没有太多选择。北京君正正因为当初跟Arm谈授权时没有达成一致，才选择MIPS架构。有了RISC-V，相信像君正这样的国内IC设计公司会更趋向于开源和低成本(甚至免费)的RISC-V架构。这无疑会对Arm造成一定的影响，但短期内还不会构成严重竞争威胁。相信一个自由和竞争的开放环境对整个IC设计产业是健康有益的。

RISC-V：中国IC设计产业实现自主、可控、创新和繁荣的契机？

在RISC-V的推广和采纳方面，美国、欧洲、俄罗斯和印度都已经走在前面， 而最应该积极拥抱这一开源架构的中国似乎慢了半拍。被日本软银收购后的Arm雄心勃勃，专门在中国成立合作公司，Arm中国公司最近还推出了"周易AI平台"，这对中国IC设计公司 和工程师还是很有吸引力的，虽然授权费用不菲。晶心科技总经理林志明对此则比较淡然，"整体来说，RISC-V架构比Arm来得新，对客户、工程师的亲合性比较高，同时也允许定制化，具备高弹性，这些都是明显胜过Arm的优势。至于劣势方面，Arm产品进入市场的时间早了30年，RISC-V在市场的进入时间点以及累积的产品成功数量上相对处于劣势。"

其实对于IC设计工程师来说， 在传统Intel x86及Arm的生态系以外，RISC-V提供了更多选择，相信会为行业带来正面影响。RISC-V才刚起步，将与x86和Arm长期并存，目前不存在竞争和取代问题。全球AI和物联网市场的快速发展，以及众多中国芯片和系统开发商的竞争与创新，再加上政府和民间资本的投入，将会推动RISC-V生态的发展。同时，RISC-V 的开放性也会释放中国企业、高校和民间IC设计的潜能，在AI和物联网市场催生百花齐放、自由和创新的繁荣局面。

芯原董事长戴伟民博士回顾中国几十年来的CPU产业发展，总结道： 采用自主开发指令集的芯片虽然自主、可控，但却没有市场的繁荣。而选择x86和Arm架构虽然市场繁荣， 但没有自主知识产权，不自主或不可控。RISC-V的出现为中国芯片产业实现自主、可控和繁荣带来了一线希望，但要真正实现壮大中国芯的愿景，就需要中国政府、企业、高校和行业组织携手合作，依靠创新来带动IC行业和市场的持续增长和繁荣。

戴伟民博士强调，中国RISC-V产业联盟的目标有三：

● 首先是加快完善国内R ISC - V 的"CPU内核-芯片-软件-整机-系统"生态链，以芯片流片量为主要衡量指标；

● 其次是联合企业和高校，共同培养RISC-V架构师和芯片设计人才。由芯来科技胡振波撰写出版的《手把手教你设计CPU—RISC-V 处理器篇》和《RISC-V架构与嵌入式开发快速入门》、以及RISC-V开源学习套件，由芯原赞助的成都电子科大和西安电子科大的集成电路设计大赛，这些努力都实实在在地推动着RISC-V 技术人才的培养；

● 第三，鼓励企业和个人为RISC-V生态贡献内核IP、扩展指令和开发工具等。多年来，国人已经习惯了"拿来主义"，在计算机和互联网领域，一般都是只"下载"而不"上传"。我们现在应 该改变心态，要有"有所取就有所贡献"的精神。要真正做到自主创新，不但要"取"，也要 "给"，这样才能维持一个开放、创新的健康生态。RISC-V为我们搭建了一个平台，希望我们维持好这个开源、共享、开放、共荣的生态环境。

RISC-V就像是一颗小石子，投入到表面平静但内里波涛酝酿的中国芯片产业这个大池塘，能够掀起多大的波浪还要看大家怎么协作和创新。无论你做什么，迟早都会直接或间接地受到RISC-V的影响。与其静观其变， 不如积极参与。