RISC-V發(fā)展研究報告

RISC-V發(fā)展研究報告一、開放：RISC-V的天然基因

RISC-V并不是一種處理器或芯片，也不是一種IP，而是一套指令集架構規(guī)范（Specification）。所謂指令集，是存儲在處理器（芯片）內(nèi)部指導它如何進行運算的一系列規(guī)范語言。它是軟件和硬件之間的接口，向下定義任何軟件程序員需要了解的硬件信息，向上指導應用系統(tǒng)的運轉，可以說指令集架構決定了一個處理器的“靈魂”。

PC時代，開放的是基于某個指令集架構制造的芯片產(chǎn)品（如Intel公司按照x86架構生產(chǎn)的各種CPU芯片）；移動互聯(lián)網(wǎng)時代，開放的是基于某個指令集架構微處理器內(nèi)核授權（如Arm公司按照Arm架構研發(fā)的各種內(nèi)核IP）；AIoT時代，直接開放的是指令集架構ISA（如RISC-V基金會定義的RISC-V指令集架構）——“開放”的主體在不斷變換，但“開放”的程度卻在越發(fā)加深，從芯片公司到IP公司再到標準組織，從產(chǎn)品銷售到授權再到架構共享，誰以開放的心態(tài)擁抱新時代，誰就能夠引領產(chǎn)業(yè)而獲取更大的發(fā)展空間。

源于加州大學伯克利分校（UC-Berkeley）的RISC-V指令集架構，從誕生之初，就一直擁有開放的基因。它吸取了幾十年來計算機發(fā)展過程中各種指令集架構的經(jīng)驗與教訓，從設計理念上摒棄歷史包袱，從技術性能上看相比其它計算機指令架構（ISA），顯示出了極簡、統(tǒng)一、模塊化、可擴展的屬性，具備了天然的后發(fā)優(yōu)勢。

RISC-V作為學術界和產(chǎn)業(yè)界合作的結晶，最有希望成為新時代的主導架構，其遵從BSD（BerkeleySoftwareDistributionlicense）協(xié)議，可以為任何組織機構和商業(yè)組織所使用，這意味著基于RISC-V指令集架構開發(fā)的內(nèi)核IP、相關芯片以及開發(fā)工具既可以免費開源，也可以專有收費，具體產(chǎn)品實現(xiàn)可以包括：自行開發(fā)版本、開源無質保免費版本、開源加服務費版本、商用閉源收費版本。因此，為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了更為開放的選擇。

據(jù)統(tǒng)計，RISC-V基金會如今已經(jīng)吸引了全球28個國家327多家會員加入，其中不乏IBM、NXP、西部數(shù)據(jù)英偉達、高通、三星、谷歌、華為、阿里、RedHat與特斯拉巨頭的身影。這個由其成員主導的非營利性機構，指導RISC-V未來的發(fā)展，并推動RISC-VISA更大范圍的應用。RISC-V基金會的成員可以訪問和參與RISC-VISA規(guī)范和相關的HW/SW生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)。伴隨著RISC-V應用生態(tài)的發(fā)展，RISC-V基金會注冊地從美國遷往中立國家瑞士，RISC-V指令集架構正逐漸成為一個產(chǎn)業(yè)界共同遵循的指令集的標準。其開放的特性，也讓RISC-V的使用并不會受到單一公司的綁定，因此也被認為是我國實現(xiàn)芯片自主的希望路徑之一。如今，在全球范圍內(nèi)，RISC-V賽道上也涌現(xiàn)出了一批具有代表性的技術企業(yè)，如RISC-V發(fā)明團隊創(chuàng)辦的美國SiFive公司，捷克的Codasip公司，中國臺灣的晶心科技，以及中國本土的平頭哥半導體、芯來科技等。

二、繁榮：從AIoT賽道起跑

1、RISC-V與AIoT

據(jù)Gartner預測，到2020年將有超過200億個AIoT設備聯(lián)網(wǎng)。臺灣工研院研究報告也指出，AIoT芯片市場預計到2025年將達390億美元，年復合成長率高達20%。AIoT的發(fā)展需要四大要素，即AI算法、IoT安全、處理器，以及服務平臺。其中，處理器是智能聯(lián)網(wǎng)設備的核心硬件基礎，大多數(shù)IoT設備都需要使用低功耗、支持無線連接的嵌入式處理器芯片，而AI相關應用也需要嵌入式處理器進行邊緣計算，才能建構完整的AIoT應用，面對高性能、低功耗、無線連接等方面的挑戰(zhàn)，基于RISC-V的微處理器內(nèi)核（包含DSP擴展及矢量擴展）加上AI運算協(xié)處理器IP，將成為細分市場AIoT應用的很好機會。RISC-V從AIoT賽道起跑，是由于該領域內(nèi)的絕對生態(tài)壁壘并不存在，嵌入式設備的軟硬件一體性和源代碼重編譯特性決定了其只存在生態(tài)相對壁壘。這種相對的生態(tài)壁壘隨著軟硬件廠商的共享繁榮的設計目標，以及差異化產(chǎn)品的旺盛需求，對新興的RISC-V架構具有天然的友好性。

我們看到RISC-V目前應用的市場還主要聚焦于AIoT領域，這是由生態(tài)壁壘所決定的。RISC-V指令集架構的標準和技術本身并不局限于AIoT領域，只是定義了要遵循的一種模式而已。而具體的性能表現(xiàn)，則要落實到具體的微結構設計中，不管是低功耗的設計還是高性能的設計，都依賴于CPU微結構設計的水平。近期采用Arm架構的蘋果M1處理器超越x86架構的處理器芯片，就證明了RISC架構在PC及服務器領域的巨大潛力。

2、RISC-V與軟生態(tài)

無論PC還是智能手機，都需要密集的人機交互和通用應用軟件生態(tài)。而未來的AIoT應用將進入一種“無人”的物聯(lián)應用場景。要隨時隨地實現(xiàn)這樣的應用，單靠硬件是不行的。RISC-V硬件架構要想在AIoT賽道實現(xiàn)突破，還需要操作系統(tǒng)和軟件的配合才行。RISC-V基金會與Linux基金會達成合作協(xié)議，借助后者積累多年的開源生態(tài)建設經(jīng)驗和全球龐大的Linux開源社區(qū)，得到了Linux的軟件平臺支持，同時，各種針對或兼容RISC-V架構的Linux基礎工具和平臺也在加緊開發(fā)和測試中，開源的Linux與開放的RISC-V的軟硬結合必將發(fā)揮出無限潛能。從開發(fā)工具上看，基于Eclipse的IDE工具，有芯來科技的NucleiStudio、晶心科技的AndeSight和Codasip的CodasipStudio等，而國際上專業(yè)的開發(fā)工具企業(yè)SEGGER、IAR、Lauterbach也在最近一年為多家廠商的RISC-VMCU和FPGA提供了支持和更新。

3、RISC-V應用領域的拓展

RISC-V的市場也在持續(xù)擴張，Semico預計2025年全球市場的RISC-V核心數(shù)將達到624億，其中工業(yè)應用將占據(jù)167億顆核心。而根據(jù)Tractica預測，RISC-V的IP和軟件工具市場也將在2025年達到10.7億美元。從RISC-V基金會官網(wǎng)獲悉，目前全球范圍內(nèi)，RISC-V芯片（SoC、IP和FPGA）已經(jīng)推出84款，覆蓋了云端、移動、高性能運算和機器學習等31個產(chǎn)業(yè)，而越來越多的芯片企業(yè)和終端企業(yè)正在加速布局RISC-V產(chǎn)品。

RISC-V的生態(tài)已經(jīng)能很好的支撐垂直應用。在存儲控制市場希捷、西部數(shù)據(jù)這樣的頭部廠商都已將RISC-V內(nèi)核應用于自身的產(chǎn)品當中；在AI領域英偉達也公開了其在RISC-V方面的研究，指出了在深度神經(jīng)網(wǎng)絡中應用RISC-V指令集的可能性；三星也披露了將推出多款采用RISC-V內(nèi)核架構的芯片；另外，Google、三星和高通在內(nèi)的約80家公司將聯(lián)合為自動駕駛汽車等應用開發(fā)新的RISC-V芯片設計；GreenWaves推出了基于RISC-V的低功率AI物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應用處理器；晶晨半導體推出具有RISC-V安全內(nèi)核的SoC芯片；華米發(fā)布了用于生物識別可穿戴設備的新型AI芯片。

RISC-V在通用類的產(chǎn)品應用生態(tài)也在逐步打通，越來越完整的可選開發(fā)工具鏈將助力通用產(chǎn)品的大范圍面世。RISC-V的編譯、驗證和分析等流程都在逐步擴大軟件與硬件支持。兆易創(chuàng)新在2019年時就推出了RISC-V內(nèi)核的MCU產(chǎn)品、樂鑫在2020年發(fā)布了搭載RISC-V處理器的WiFi+藍牙模組、GreenWaves發(fā)布了其超低功耗GAP9音頻芯片、中科藍訊有多款RISC-V芯片、沁恒推出了三款RISC-VMCU、中微半導體正式發(fā)布首款集成RISC-V內(nèi)核的32位MCU，瑞薩電子也預計于2021年推出通用RISC-V芯片產(chǎn)品。

三、自主：生態(tài)平臺賦能本土應用

1、RISC-V自主可控的機遇

開放的基因，繁榮的生態(tài)為自主的應用提供了前所未有的發(fā)展良機。長期以來，我國集成電路產(chǎn)業(yè)普遍注重應用層面SoC的開發(fā)，在底層技術上投入有限。雖然國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)得益于國內(nèi)市場的迅速膨脹而積累了大量的發(fā)展資金，但在核心技術鏈、關鍵供應鏈上仍然存在不少斷點，忽視底層技術特別是以處理器IP為代表的關鍵核心環(huán)節(jié)，將有可能成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的致命罩門。Arm公司對華為的技術斷供有可能對海思麒麟芯片未來的技術和服務升級形成巨大障礙，就是一次對產(chǎn)業(yè)敲響的警鐘。

RISC-V的出現(xiàn)，為中國處理器IP發(fā)展提供了一個千載難逢的機會。讓我們欣喜的是，在此領域也出現(xiàn)了深耕于開放指令架構標準中不同層次的國內(nèi)本土公司，在自主可控與共享繁榮中，找到了一條奮起直追的道路。本土RISC-V處理器IP廠商，在不同領域發(fā)力，保持我國的RISC-V處理器IP與世界先進廠商同步演進，完成“突破”與“并跑”，并依靠國內(nèi)市場強勁的創(chuàng)新需求向“引領”邁進。

2、RISC-V的中國力量

產(chǎn)業(yè)鏈自主可控生態(tài)的關鍵由三個因素組成：指令集的發(fā)展權、研發(fā)團隊的本土化以及微架構的自主開發(fā)。

RISC-V指令集架構的標準化為我們解決了指令集發(fā)展權的問題。而本土公司和團隊的自主開發(fā)為我們帶來真正的產(chǎn)業(yè)鏈供應安全。經(jīng)過幾十年的國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國在處理器領域人才培養(yǎng)上已經(jīng)初具規(guī)模，形成了一批能夠根據(jù)指令集架構標準進行微架構研發(fā)的團隊與軟生態(tài)研發(fā)團隊，基于開放架構的指令集標準，更是為優(yōu)秀的團隊提供了打造自主可控產(chǎn)品的良機，伴隨著國內(nèi)AIoT市場的蓬勃發(fā)展，為產(chǎn)業(yè)提供了從硬到軟各個層次自主可控生態(tài)打造的應用基礎。國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)以至ICT產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)，應抓住開放架構指令集生態(tài)打帶來的自主可控的處理器IP共性技術平臺建設良機，從應用需求入手，徹底解決處理器領域“穿馬甲”問題。

根據(jù)RISC-V具體產(chǎn)品的實現(xiàn)，我國的RISC-V參與者也存在開源吸收、國外引進、自主研發(fā)等不同形式。

國內(nèi)RISC-V內(nèi)核提供公司情況：從上可見，中國大陸地區(qū)的滿足本土團隊與自主研發(fā)的只有平頭哥半導體和芯來科技：

阿里巴巴旗下的平頭哥半導體，以及其處理器團隊的前身中天微團隊，作為出身于高校的本土化研究團隊，具備多年的內(nèi)核開發(fā)經(jīng)驗，其發(fā)布的RISC-V處理器玄鐵910針對云和邊緣服務器，更多的依靠阿里生態(tài)推動應用與芯片的聯(lián)動。

芯來科技的技術演進不同于國外引進或開源吸收模式，其技術團隊具備長期的一線巨頭企業(yè)處理器研發(fā)經(jīng)驗，在RISC-V架構產(chǎn)品的打造上從零開始，結構設計和源代碼實現(xiàn)完全由本土團隊完成，真正的國產(chǎn)自主可控，輸出了具有自主知識產(chǎn)權的核心產(chǎn)品。芯來科技目前擁有近100名員工，擁有3個研發(fā)中心。

3、RISC-V自主生態(tài)與應用結合

芯來科技作為本土RISC-V的領軍企業(yè)，啟動建設了基于RISC-V處理器內(nèi)核的開放創(chuàng)新全棧式SoC方案平臺建設，該平臺能縮減基于RISC-V架構的SoC設計周期，降低設計成本。以模塊化形式呈現(xiàn)的全棧式RISC-VSoC方案平臺則是芯來科技未來業(yè)務布局的一個重要方向。芯來SoC方案平臺包含了用戶在使用RISC-V處理器進行系統(tǒng)級設計流程中的共性需求模塊和通用解決方案。通過預制模板和流程，為用戶提供自有、第三方、客供等多種數(shù)模IP與CPU內(nèi)核IP的快速集成，并同步為用戶生成硬件層次適配以及配套軟件方案和開發(fā)操作工具。

芯來科技的RISC-V架構處理器有超過200個客戶的評估和使用，全國前10大集成電路設計企業(yè)中已有5家成為該公司合作伙伴。在不到三年的發(fā)展進程中，收獲了不同領域的大量典型客戶，協(xié)助客戶在汽車、工業(yè)控制、通信、智能家居、區(qū)塊鏈、航空航天、能源、金融、人工智能等領域輸出基于芯來內(nèi)核的產(chǎn)品。

基于處理器內(nèi)核