RISC—V助力國產芯片加速崛起
加入技術交流群
2019年7月，阿里巴巴旗下半導體公司“平頭哥”正式發(fā)布玄鐵910，并宣稱是“業(yè)內最強RISC-V處理器之一”，號稱性能可比肩Arm v8架構Cortex A7X系列，并且在今年3月， David Patterson在阿里平頭哥玄鐵RISC-V生態(tài)大會上也大膽預言：“3到5年后，RISC-V將無處不在！。但在過去，RISC-V的普及度較低，在中國的知名度就更低了，更多流行的是x86架構和ARM架構，所以人們不禁發(fā)出疑問，什么是RISC-V？它與x86和ARM的區(qū)別是什么？
Milk-V 推出 Meles SBC：配 2GHz 平頭哥 TH1520 四核 RISC-V 處理器能效提升超20%！5年8款CPU，平頭哥玄鐵RISC-V生態(tài)實現(xiàn)大跨步
CPU需要調用對應的指令來使用不同功能電路。而用來規(guī)定指令格式的東西就叫做指令集架構，不同的架構對同一功能的實現(xiàn)思路不同，按照指令集架構的分類，可分為復雜指令集（CISC）及精簡指令集（RISC）。
復雜指令集計算機（Complex Instruction Set Computer，CISC）：每個指令可執(zhí)行若干低端操作，例如存儲器讀取、存儲、計算操作等，指令數(shù)目多且復雜，每條指令字長不相等。這些特性使得代碼編寫較為簡單，但是復雜的指令需要若干指令周期才可以實現(xiàn)。
精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）：對指令數(shù)目與尋址方式都做了精簡，只保留經常使用的指令，因此實現(xiàn)更加容易，指令并行程度較好，編譯器效率較高。但是對于一些特殊操作，需要通過處理器額外的執(zhí)行時間來彌補。其特征包括統(tǒng)一指令編碼、泛用的寄存器，單純的尋址模式等，每條指令的執(zhí)行時間較短。
CISC盡可能將任務一次性做完，高效但費腦（性能高、功耗大），RISC則是將任務拆解，分次做完，雖然對個人能力要求不高（性能低、功耗小），所以效率更低。
全球前三大指令集架構
全球前三大指令集架構，一個是由英特爾為首的x86架構，其應用于絕大部分PC和服務器；而英國公司Arm的Arm架構則用于全球99%以上的智能手機。對比前兩位“大哥”，RISC-V可以說是妥妥的“小弟”，雖說三者并成為“全球前三“指令集，但RISC-V與x86和ARM的市場份額差距實在太大了，甚至可以說難以望其項背。
這三種架構，分別代表了三種經營模式：
x86架構由英特爾和AMD死死把控，其它公司想用？沒門?。?/p>
Arm架構雖然由Arm公司所有，但授權開放，需要花錢購買其IP；
英偉達正在開發(fā)基于Arm的PC芯片，挑戰(zhàn)英特爾
外媒：英偉達正設計基于Arm架構的PC芯片最早于2025年開售
RISC-V的優(yōu)勢就在于具有指令精簡、模塊化、可擴展、開源、免費等優(yōu)點，其不屬于任何機構或國家，開源免費，運營成本由基金會的會員出資，可創(chuàng)造出具有完全自主知識產權的IP核或芯片，相對于目前主流的英特爾X86架構及Arm等架構，RISC-V的基礎指令集只有40多條，加上其他基本的模塊化擴展指令總共幾十條指令，非常簡單。
RISC-V基金會當時將總部從美國遷至瑞士，瑞士是中立國，遷址原因是“擔心可能出現(xiàn)的地緣政治破壞”，其免費開源的特點，意味著沒有人可以以“國家安全”為托詞，限制他人使用RISC-V。
RISC-V國際基金會CEO：RISC-V不受任何單一企業(yè)或國家的控制
在RISC-V成立之初，基金會的中方成員只有阿里巴巴、華為和中科院計算所，到了2022年中，基金會19個高級會員里，中國大陸芯片企業(yè)占據(jù)12個席位。到了如今，隨著美國持續(xù)將芯片技術作為限制他國發(fā)展的“武器”的大背景之下，越來越多國家和廠商開始越來越重視芯片的自主權，這也推動了RISC-V生態(tài)加速發(fā)展，目前已經呈現(xiàn)出與X86和Arm三足鼎立之勢，RISC-V技術成為中美技術戰(zhàn)爭新戰(zhàn)場，中美科技戰(zhàn)新戰(zhàn)場！RISC-V開源芯片技術成焦點。
X86指令集及ARM架構
X86架構 (The X86 architecture) 是微處理器執(zhí)行的計算機語言指令集，指一個Intel通用計算機系列的標準編號縮寫，也標識一套通用的計算機指令集合。
1978年Intel推出了8086處理器（16位微處理器），1985年Intel推出了80386（32位處理器）。由于Intel早期處理器名稱是以數(shù)字來表示80x86，因此這些架構稱之為x86。
X86架構圖
一些公司一直采用X86架構研發(fā)產品，例如巨頭英特爾，超微 (AMD)、威盛等企業(yè)。其中x86架構中英特爾和AMD是霸主地位。
英特爾X86架構霸權終將崩塌，ARM架構才是未來PC電腦市場的王者？
X86通用架構革新5G產業(yè)英特爾推出首款5G基站Soc凌動P5900
國產 CPU 廠商得到了相應指令集的架構授權，發(fā)展成為6大主流廠商: 龍芯、飛騰、鰓鵬、海光、電威、兆芯
目前國內做的比較好的企業(yè)兆芯，早期，購買了大量原屬于VIA的中央處理器等，花費了大量的知識費用，并獲得了X86指令集授權，可以生產X86芯片后續(xù)自主研發(fā)X86處理器，并于后期開發(fā)出兆芯開先KX-6640MA處理器。
國產化率超 85%：紫光 Unis L3891 筆記本發(fā)布，搭載兆芯開先 KX-6640MA 處理器
兆芯發(fā)布新一代 16nm 開勝 KH-40000 和開先 KX-6000G 系列處理器，跑分測試出爐
龍芯中科：x86 / Linux 二進制翻譯趨于穩(wěn)定，將為平臺帶來 ARM / Android 應用支持
龍芯 3A6000 國產桌面處理器發(fā)布：四核 2.5GHz，對標英特爾 10 代酷睿
國產UOS系統(tǒng)安裝要求曝光 X86/龍芯/飛騰/申威皆可
x86架構設計目標是提供強大的計算能力和廣泛的指令集，以應對各種復雜的應用場景，在PC及服務器端擁有天然的性能優(yōu)勢。
ARM架構由ARM公司設計并廣泛應用于移動設備、嵌入式系統(tǒng)和其他低功耗設備。曾稱進階精簡指令集機器 (AdvancedRISC Machine) 更早稱作Acorn RISC Machine，是一個32位精簡指令集 (RISC) 處理器架構。還有基于ARM設計的派生產品，重要產品包括Marvell的XScale架構和德州儀器（TI）的OMAP系列。ARM家族占比所有32位嵌入式處理器的75%，成為占全世界最多數(shù)的32位架構。ARM架構的主要優(yōu)勢是低功耗、高效率和易于實現(xiàn)，使其成為許多移動端設備的理想選擇。近年來大舉進入桌面和服務器領域。
ARM作為簡單指令集，具有低功耗的優(yōu)勢，廣泛應用于移動設備領域。在當前國內市場中，許多廠商只擁有ARMv8指令集，并沒有ARM的新架構和IP核，這導致它們在性能上與使用新架構和IP核的國外廠商存在差距。
RISC-V架構
當需要同時兼顧數(shù)據(jù)傳輸速度與傳輸量時，x86與ARM的處理能力有限。RISC-V則表現(xiàn)出了較強的優(yōu)勢，它幾乎適應所有實現(xiàn)技術，包括FPGA、 專用集成電路（ASIC）、 全定制芯片，甚至未來的設備技術。
2010年，加州大學伯克利分校的研究團隊設計并推出了一套基于BSD協(xié)議許可的免費開放的指令集架構RISC-V，其原型芯片也于2013年1月成功流片。RISC-V的最大特點就是簡單，雖然與ARM都是精簡指令集架構，但RISC-V的架構更加短小精悍，它要能適應包括從最袖珍的嵌入式控制器，到最快的高性能計算機等各種規(guī)模的處理器。
RISC-V的優(yōu)勢在于模塊化與指令的數(shù)目少，計算機體系結構的傳統(tǒng)方法是增量ISA，新處理器不僅必須實現(xiàn)新的ISA擴展，還必須實現(xiàn)過去的所有擴展。RISC-V使用模塊化的ISA，其將不同的部分以模塊化的方式組織在一起，并通過一套統(tǒng)一的架構來滿足各種不同的應用場景，這種模塊化是x86與ARM架構不具備的。且RISC-V架構基本的指令數(shù)目僅有40多條，加上其他的模塊化擴展指令也總共只有幾十條指令。
所謂模塊化ISA，RISC-V的核心是一個名為RV32I的基礎ISA，運行一個完整的軟件棧。RV32I是固定的，永遠不會改變。這為編譯器編寫者，操作系統(tǒng)開發(fā)人員和匯編語言程序員提供了穩(wěn)定的目標。RISC-V還提供一些其他的標準擴展指令集，根據(jù)應用程序的需要，硬件可以可選的包含這些擴展。RISC-V編譯器得知當前硬件包含哪些擴展后，便可以生成當前硬件條件下的最佳代碼。
很多情況下，處理器的性能都成為架構師關注的指標，根據(jù)數(shù)據(jù)及推算，程序的執(zhí)行時間取決于程序在該指令集編譯出的指令數(shù)量、平均每條指令的時鐘周期數(shù)及處理器的時鐘周期時長，RISC-V架構處理器在這三個因素中的每一個都獲得了近10%的優(yōu)勢，它們加起來導致了近30%的性能優(yōu)勢。在傳統(tǒng)PC與服務器領域，x86適合處理大量數(shù)據(jù)，因此處于霸主地位。而在手機帶來的科技革命趨勢下，需要快速處理數(shù)據(jù)，ARM架構在手機處理器IP領域一統(tǒng)江湖。但隨著物聯(lián)網時代的來臨，RISC-V作為新興架構，以其精簡的體量，或許在未來的IoT領域中能取得絕對的優(yōu)勢。但RISC-V的應用范圍目前主要局限在嵌入式領域，不太適合高性能場景。要替代ARM和x86，還需要面對許多挑戰(zhàn)。并且RISC-V生態(tài)系統(tǒng)相對割裂。要形成統(tǒng)一的標準生態(tài)系統(tǒng)，依然面臨許多困難。
盡管如此，目前國內外已有多家芯片企業(yè)投入大量資金研發(fā)RISC-V領域的應用。目前應用最廣泛的當屬IoT的安全問題、手機市場、服務器市場及存儲市場。未來的物聯(lián)網大概會有300億個設備互聯(lián)互通，所以物聯(lián)網安全就成為了必須關注的問題。而RISC-V的開源特性允許廣泛的受眾檢查其體系結構，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”核心而無需實際更改核心的機會來影響我們現(xiàn)有的網絡犯罪流行。并根據(jù)預測，大約兩年之后RISC-V就會進軍手機市場，與高通、蘋果、三星、聯(lián)發(fā)科等ARM公司搶智能手機處理器市場，同時有可能威脅低功耗筆記本處理器。雖然目前RISC-V的高性能市場一片空白，但RISC-V本身用來設計高性能芯片是沒有問題的，學術界已經有基于RISC-V架構的511核處理器（Celerity）。只是基于RISC-V的低門檻特點，進入的企業(yè)體量較為小巧，沒有足夠的資金做長期布局與研發(fā)。但根據(jù)預測，5年后RISC-V指令的處理器就有可能進軍服務器市場，與AMD、英特爾這樣的x86處理器公司抗衡。
文章：
如何打造開放繁榮的RISC-V嵌入系統(tǒng)生態(tài)?
RISC-V技術成為中美技術戰(zhàn)爭新戰(zhàn)場
新 Linux 驅動補丁提交：RISC-V 平臺將兼容 Radeon RX 7900 XTX 等 AMD 顯卡
根據(jù)RISC-V國際基金會數(shù)據(jù)，2022年會員數(shù)量同比增長超過 26%，累計在 70 個國家/地區(qū)擁有超過 3180 名會員單位，包括高通、英特爾、谷歌、阿里平頭哥、華為、紫光展銳等眾多頭部芯片企業(yè)。截至2022年底，全球有數(shù)萬名工程師致力于 RISC-V 計劃，基于RISC-V架構的處理器出貨量已超過了100億顆，RISC-V用12年時間走完了傳統(tǒng)指令集30年的發(fā)展歷程。
蘋果與Arm達成長期協(xié)議，加強合作的同時不忘布局RISC-V
在中國，目前的形勢是多種國產CPU架構并存，在未來可能會造成資源分散、低水平重復，這種狀況不加以改進，我國將缺乏在全球市場上與X86和ARM兩家競爭的自主CPU架構，從而在主流CPU方面仍然可能受制于人。因此有專家指出：“新型的開源精簡指令的架構“RISC-V”架構，為我國掌握芯片產業(yè)發(fā)展主動權提供了機遇”?？梢哉f也是一種彎道超車的機會。
中美科技戰(zhàn)新戰(zhàn)場！RISC-V開源芯片技術成焦點
當前國內外已經有非常多的RISC-V核心RTL代碼，很多是開源的。比如，Rocket Core、Boom Core、LowRISC SoC等均提供源代碼。如果用于商用，國內外也有許多商業(yè)公司提供穩(wěn)定的RISC-V IP核心。例如國外的SiFive公司、Microsemi公司、國內的阿里平頭哥、芯來科技及兆易創(chuàng)新等。2019年8月22日，兆易創(chuàng)新正式發(fā)布了全球首個基于RISC-V開源架構內核的32位通用MCU產品---GD32VF103系列。兆易創(chuàng)新是首次將RISC-V引入通用微控制器領域，并提供了從芯片到程序代碼庫、開發(fā)套件、設計方案等完整工具鏈支持并持續(xù)打造RISC-V開發(fā)生態(tài)。
兆易創(chuàng)新發(fā)布GD32V系列RISC-V內核32位通用MCU新品
兆易創(chuàng)新全系列車規(guī)級存儲產品累計出貨1億顆
在今年9月1-3日召開的泰達論壇上，中國工程院院士倪光南也對自己觀點進行了闡述：我國抓住新一代信息技術發(fā)展機遇，面向未來主流CPU市場，聚焦開源RISC-V架構發(fā)展中國芯片產業(yè)，通過充分發(fā)揮我國舉國體制和超大規(guī)模市場優(yōu)勢和人才優(yōu)勢，大力發(fā)展壯大RISC-V產業(yè)生態(tài)，增強RISC-V產業(yè)鏈、供應鏈的自主可控能力，加大對RISC-V開源社區(qū)的貢獻，最終使世界主流CPU市場形成X86、ARM和RISC-V三分天下的格局。
反觀目前形勢，我國發(fā)展RISC-V具有獨特優(yōu)勢。首先是符合國家科技自立自強發(fā)展戰(zhàn)略，又推動全球科技創(chuàng)新。歷史上一直是X86和ARM兩種架構壟斷CPU市場的紅利，整個芯片產業(yè)一直處于高壟斷態(tài)勢，開源RISC-V的出現(xiàn)打破了壟斷，為全球芯片產業(yè)發(fā)展提供強大的推動力，相關生態(tài)環(huán)境也正在迅速發(fā)展完善。第二，中國超大規(guī)模市場是培育未來新一代信息技術的沃土。此外，中國是世界最大工程師培育搖籃，人才優(yōu)勢為技術發(fā)展創(chuàng)新提供了必要條件。
國產 RISC-V 終端 Sipeed Lichee Console4A 上架，1699 元起
隼瞻科技“三位一體” RISC-V 解決方案,推動DSA技術走向商用成熟市場
新思科技重磅發(fā)布全新RISC-V處理器系列,進一步擴大ARC處理器IP組合
山東大學-算能RISC-V研究院正式揭牌，助推集成電路產業(yè)新發(fā)展！
睿思芯科融入開源社區(qū)，助推RISC-V生態(tài)系統(tǒng)蓬勃發(fā)展
今天我們面臨百年未有之大變局。中國在發(fā)展CPU產業(yè)時，要注重未來主流CPU的發(fā)展趨勢。我們期待能有更多企業(yè)聚焦開源RISC-V架構，大力推進RISC-V生態(tài)建設，最終使RISC-V架構能夠在世界CPU市場與X86和ARM三足鼎立。
評論