芯片架构RISC-V

芯片架构RISC-V

1. RISC-V简单介绍

RISC, Reduced Instruction Set Computer, 精简指令集计算机

芯片的架构，芯片的两大主流架构X86 和 ARM

另一个经典指令集 RISC-V 是一款近几年来新兴的架构，

源自经典指令处理器RISC 它起源于 1980 年的加州大学伯克利分校。

RISC-V 就是 RISC 的第五个版本。

RISC-V 拥有开源、精简、可扩展的优势，近几年在全球市场迅速崛起，

阿里巴巴、华为、中科院计算所、中科院软件所、清华大学、浙江大学等学界以及企业在内的大量专家学者，都是推动 RISC-V 架构发展的重

要力量。

芯片专家戴伟云博士曾说过这样的话，

Intel X86 和 ARM 的 IP授权 虽然给中国带来了繁荣，但却是不自如和不可控的。

而 RISC-V 架构授权虽然不自主，但是可控且可以繁荣的。

希望中国的芯片可以借助 RISC-V 做到自主可控繁荣并且持续创新。

2. X-86和ARM

此前的芯片架构市场基本被 X86 和 ARM 两大流派所垄断。

X86 为 Intel 所掌控，只授权给昔日小兄弟 AMD 一家公司，其他厂商根本没有机会

Intel 和 Windows 系统达成 window 联盟，在个人电脑芯片领域所向披靡，

ARM则霸占了移动端, 高通、三星、华为等都是基于 ARM 架构开发。可以说 ARM 基本主导了当下 智能手机 和 移动终端 的芯片市场。

但这对我们中国企业来说是一个长期存在的痛点。

ARM 采用处理器内核授权方式。虽然你在市场上买不到按摩直接生产的成品 CPU

但无论是 骁龙855 还是 麒麟980 都用 ARM 的处理器内核 高通 和 海思 要先付给ARM一笔授权费，

然后生产每一片 CPU 还要另交份儿钱。

X-86 和 ARM 这两种芯片架构经历长时间商业化后，结构复杂，开发不易。

3. RISC-V的一些发展

但现在 RISC-V 这种新架构在物联网与 AI 市场上崭露头角，并且开始破局。

其中核心杀手锏是 开源 与 低成本。不同于收取高额授权费的 ARM 架构，

RISC-V 并不掌握在任何一家公司手里，这就让它迅速成为与X86 和ARM三分天下的后起之秀。

RISC-V 是基于多年来开发经验和成熟指令集的基础上设计出来的全新指令集。它开源免费，设计简洁易上手，而且运用场景广泛。

与X86 和 ARM 相比，三者各有千秋。未来的芯片架构市场将形成三足鼎立的格局。

除了开放性之外， RISC-V 也不受地缘政治的影响，可满足我国对芯片自主可控的需求。

特别是 2020 年 3 月， RISC-V基金会从美国迁移到瑞士，更名为 RISC-V International 更是极尽所能地保护它在全球开源许可下得以不受外界环

境的影响。

从 2018 年起，国内就有大量青睐 RISC-V 的企业相继出现，有的用不同架构做混合开发，有的专注于专用芯片，也有的致力于 RISC-V 处理器 IP 设计，

比如阿里巴巴平头哥的玄铁910, 紫光展锐的春腾芯片, 华米的"黄山1号" AI 芯片 都是采用 RISC-V 架构。

第三方数据显示，

目前中国 RISC-V 产业联盟的成员单位 已经有 130 家, 由中国工程院院士 倪光南 牵头的中国开放指令生态联盟，

也请吸纳的阿里、中芯国际、紫光展锐、北大、清华在内的众多成员，从产业应用前景来看，新的架构确实利好产业

4. 目前RISC-V主要应用方面

1,高性能可编译神经网络处理器架构,

2, MCU, Micro Controller Unit, 微控制单元

(又称单片微型计算机 或者 单片机, 是把 CPU的频率和规格做适当缩减, 并将 内存(memory), 计数器(Timer), USB, A/D转换, UART, PLC, DMA等周边接口, 甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上, 形成芯片级的计算机, 为不同的应用常喝做不同组合控制)

诸如手机, PC外围, 遥控器, 汽车电子, 工业上的步进马达, 机器手臂的控制等, 都可见到MCU的身影

3, AIoT ,

单从 MCU 角度出发， RISC-V 在中国就能获得很多机会。

MCU 用于手机遥控器 PC 外围不及马达机械臂控制等，搭配有 RISC-V 的 MCU 将作用更宽广的使用范围和更快捷有效的处理。

在从 AIoT 的角度来看， rexfile 的开发正好赶上了国内新兴的 5G 和 互联网 产业。

在没有 RISC-V加持时，物联网的可操作范围和速度有限，而使用其他芯片架构则成本太高，开发困难。

RISC-V 能为物联网行业带来显著的灵活性和成本优势，同时也能推动 ego 计算系统的迅速发展。

一方面，国内拥有大量的 5G 物联网、车联网和芯片制造等应用场景，都需要 中立的开发资源 和 自主可控 的技术。

另一方面，新兴发展的 RISC-V 能提供中立、安全、公开透明的技术，但却缺少足够的合作案例，渴望更多的开发投入。

所以中国市场与 RISC-V 两者结合开发互补一定会成为 RISC-V 最有力的推动。

尽管有观点认为， RISC-V 因为足够小而经典，才能在存储和计算容量都比较低的物联网设备等市场上被重用。

但目前各大科技巨头都在快速布局 RISC-V 应用，包括谷歌、英伟达、高通等都在纷纷拥抱 RISC-V技术，

国内阿里平头哥更是在积极布局基于 RISC-V 发布玄铁 910 瞄准的就是物联网行业性能处在 ARM 的 A72 级别。

玄铁910 支持 16 核，单核性能达到 7.1 Coremark/MHz, 主频达到2.5GHz

过去很多人认为 RISC-V 架构只能局限在性能要求较低的 IoT 场景中。

今年初，阿里开发者社区发出了一段视频，显示玄铁 910 已经成功运行安卓系统部分基础功能，实现 RISC-V 架构对安卓的支持。

这意味着 可能将来我们的手机上也能用上 RISC-V 的芯片。

5. RISC-V的技术优势

当然 RISC-V 的优势绝不只是公开透明、中立这么简单，想要直接坐硬在科技市场上，并且带来产业增长，那打铁必须自身硬。

概括来说， RISC-V 具有以下几个方向的硬核技术优势。

5.1. 模块化

模块化用来计算处理事件的芯片，在不同运用场景中有不同的作用。

而模块化的出现，就可以避免芯片架构式杀鸡用牛刀或巧妇难为无米之炊的处境。

我们知道，商用X-86 和 ARM 为了做到向后兼容，不断的打补丁，导致架构变得越来越臃肿。

而 RISC-V基于更高的技术条件，吸取了大量先进的设计理念和经验，具备后发优势，也没有什么历史包袱，架构更加短小精悍

更值得一提的是，模块化是 RISC-V 与其他成熟商业架构最大的不同。

相比 ARM 架构中， A R M 三个高中低架构相互独立。

RISC-V架构方便用户通过搭积木的方式按照需求搭建自己的指令集和架构。

例如针对小面积, 低功耗嵌入式场景，用户可以选择 RV32IC组合的指令集，仅使用 Machine Mode(机器模式)

而高性能应用操作系统场景, 则可以选择比如 RV32IMFDC 的指令集使用 Machine Mode(机器模式) 与 User Mode(用户模式) 的两种模式。

这种模块化的架构设计是 X86 和 ARM 所不具备的。

通俗来说， RISC-V 就像是我的世界一样，开发者可以自由利用不同元素的方块组合成不同功能的东西。

5.2. 极少的指令数量

在 RISC-V 的网站上，不用注册就可以下载架构文档，随时翻阅指令集。

而 RISC-V 的指令集最多也就近百条。极简的指令集除了便于开发，也有利于 RISC-V 教育生态的繁荣。

RISC-V 简洁开源的技术优势，能更方便快捷的转化为学习工具，或者搭建教学平台，营造学习社区，培养更多的 AI 和芯片人才，甚至拉动就业。

要知道，在高校的 AI 教学实训中，由于高成本、复杂性强等原因，很难使用到商用的 ARM 或者 X86，但使用 RISC-V 却基本没有门槛。

如今南京大学计算机组成课程中已经在使用 RISC-V

5.3. 减少功耗

由于模块化的特点，RISC-V 可以根据需求找到最贴合的寄存器使用数量以及其他需求，从而减小能耗。

今天， AI 技术正在越来越广泛地应用于各行各业，万物智联时代即将到来。典型的场景如车载 AI 智能家居等都更需要一个能降低能耗，有效处理大数据的芯片架构。

5.4. 敏捷开发

在芯片开发中， RISC-V 的模块化和简洁指令集以及开源共享 IP 模块可以及时调整开发方向，实现敏捷开发，大量减少成本和开发周期

比如 RISC-V 支持芯片设计公司在核心架构之上添加额外功能，这使得企业可以根据自己的目标来定制芯片。

相比之下， ARM 指令集不支持这样的修改。

也正因为如此，成千上万的开发者正在开发 RISC-V 开源标准的各个部分，互帮互助，完善工具链，包括添加与人工智能和信息安全相关的新功能。

从这个角度来说， RISC-V 就如同 TCP/IP, SQL, OpenGL 这些标准一样，它们是开放共享的。

全世界任何一家公司，任何一所大学，任何个人都可以基于这些开放标准来设计自己的编译器、网络交换机、数据库等，而不需要得到谁的授权，更不需要为此而付费。

关于 RISC-V 更多的性能优势, 可以看

中国开放指令集生态联盟的报告

RISC-V《开放指令集与开源芯片发展报告》http://crva.ict.ac.cn/documents/OpenISA-OpenSourceChip-Report.pdf

今年 6 月，在第一届 RISC-V 中国峰会现场，

倪光南院士强调，

我们要抓住 RISC-V 架构的历史机遇，从最底层的逻辑实现突破和自研。

他认为，如果全盘利用国外大企业锻造的技术利刃，那么这种利刃终有一天会变成悬在国内市场头上的达摩克利斯之剑。

利用公开资源，自主开发，因材施教、因地制宜不同的产业，结合自己独创的技术和模块儿，才能发展出符合我国自身产业结构的技术，由下自上突破国外的技术封锁链。

说白了，当前主流的两个 CPU 体系 X-86 和 ARM 技术专利都在欧美

RISC-V 提供了 在这两种架构之外的一个可控不选择，而且它作为开源项目还处于起步阶段，是国内处理器突破的一个很重要的机遇。

尤其是在中美科技站 和 ARM将要被 英伟达 收购的背景下 弥足珍贵。

毕竟要是有一天，当别人把X-86 和 ARM 给禁掉 的时候，我们还可以把 RISC-V这个食材做成一鱼多吃。

6. RISC-V的意义

RISC-V 给中国产业带来的最大机遇是一个与全球一致的起跑线。

全球知名资讯机构 Semico

在 RISC-V 市场分析新兴市场报告中预计到 2025 年， RISC-V CPU 市场消费量将达到 624 亿个 RISC-V 内核，

在 2018 至 2025 年间的年均复合增长率将高达百分之一百四十六点。

另一家市场调研机构 Tractica

则预测， RISC-V 的 IP 和软件工具市场将在 2025 年达到 10. 7 亿美元，

而中国将拥有全球最大的市场空间X-86 还是 um 这是一道曾经每个芯片设计者都要做的选择题。或许在不久的未来，随着一种叫 RISC-V 架构的出现，它将成为历史。

参考文献

[1] https://www.bilibili.com/video/BV1Bg411T7Xd

[2] RISC-V《开放指令集与开源芯片发展报告》http://crva.ict.ac.cn/documents/OpenISA-OpenSourceChip-Report.pdf

[3] MCU. https://baike.baidu.com/item/MCU/62773