中国芯片将靠它弯道超车！RISC-V架构全解构_架构_指令集

本期的智能内参，我们推举西南证券的研究报告《布局RISC V，进军IoT》，从RISC V的技能特点、设计理念、历史沿革、优缺陷等多方面解析RISC V架构。

CPU（中心处理器），也被称为微处理器，相称于电子产品的大脑。
在通信领域当中，险些所有的主要信息都要由这个“大脑”所掌控，CPU芯片和操作系统是网信领域最根本的核心技能。
CPU紧张有两大指令集：繁芜指令集（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的架构一贯以来是x86与ARM的天下，而自2010年RISC-V出身往后 ，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，长于处理大数据，IP节制在英特尔和AMD手中 。

ARM：移动（手机）市场，处理快数据为主，目前也利用在便携条记本中，IP大部分节制在ARM公司。

RISC-V：当须要同时兼顾数据传输速率与传输量时，这两类主流架构的胜任能力有限。
RISC-V表现出了较强的上风。

▲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，是本日RISC架构的根本。
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、做事器的王者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协议容许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发展进程

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。
比较于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的上风 ：

1、模块化：RISC-V将不同的部分以模块化的办法组织在一起，并试图通过一套统一的架构来知足各种不同的运用处景，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统共只有几十条指令。

3、RISC-V全面开源，且具有全套开源免费的编译器、开拓工具和软件开拓环境（IDE），其开源的特性许可任何用户自由修正、扩展，从而能知足量身定制的需求，大大降落指令集修正的门槛。

同类产品中，ARM须要支付高昂的IP用度才可利用，乃至需支付“预支款”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

▲三类架构比拟

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，该基金会已吸引了环球28个国家327多家会员加入。
RISC-V基金会卖力掩护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谈论会和环球活动。

▲RISC-V基金会内部已有较为完善的生态圈

由于x86适宜处理大量数据，在传统PC与做事器领域处于霸主地位， 在手机带来的科技革命趋势下，须要快速处理数据，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作为主流架构一贯都霸占着很大的市场。
随着物联网时期的来临，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上风。

▲不同架构与数据、运用扩展办法

RISC-V的运用之一：IoT的“碎片化”需求， 由于IoT领域对AI芯片即哀求高打算能力，又须要低延迟， 以是，IoT芯片设计速率要快、本钱要低、能量身定制。
同时嵌入式市场具备少量多样的特点，在各细分运用处景并未形成真正壁垒，架构的选择五花八门。
以上缘故原由造诣了RISC-V绝佳的打破口。
RISC-V的开源能降落本钱，也能让用户自由修正，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领域的运用。

▲ IoT领域构造

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的开源特性许可广泛的受众检讨其体系构造，并在它们成为大范围的安全事宜之前纠正它们。
RISC-V可以通过供应“修复”核心而无需实际变动核心的机会来影响我们现有的网络犯罪盛行。

RISC-V的运用之二：手机市场 。
根据SiFive首席实行官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公司抢智好手机处理器市场，同时有可能威胁低功耗条记本处理器 。
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也作出了相应的改进策略。
2019年7月，Arm 推出新的授权模式“Flexible Access”：对付中低阶芯片的授权，未来客户不再须要缴纳“预支款”才能看到设计细节 。

RISC-V的运用之三：做事器市场 。
虽然目前RISC-V的高性能市场一片空缺，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，高性能等须要较长研发韶光的领域尚无人考试测验。

根据SiFive首席实行官Naveed Sherwani的预测，5年后RISC-V指令的处理器就有可能进军做事器市场，AMD、英特尔这样的x86处理器公司大概将要担心。

▲ 基于RISC-V架构的511核处理器（Celerity）

RISC-V的运用之四：存储市场 。
硬盘本身并不须要像SSD那样弘大的打算资源，但是由于新的磁记录技能，更繁芜的功能（例如，基于NAND Flash的

缓存，康健管理，QoS），它们的处理哀求也在增长增强等。
这对存储器中掌握芯片的打算能力哀求变高了。

硬盘本身并不须要像SSD那样弘大的打算资源，但是由于新的磁记录技能，更繁芜的功能（例如，基于NAND Flash的缓存，康健管理，QoS），它们的处理哀求也在增长增强等。
这对存储器中掌握芯片的打算能力哀求变高了。

虽然数据可以就近传输到附近的做事器汇总进行处理，这须要更为强大的做事器，但做事器本身对处理快数据的效率不高，因此硬盘不仅存储数据，还须要处理它。

目前RISC-V被认为最适宜运用在IoT市场。
由于IoT市场的情形更为灵巧，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、低本钱、灵巧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的架构进行利用和修正后可以进行发卖。
根据Tractica的预测，基于RISC-V的IP和软件工具的环球收入将在2025年增加到11亿美元，高于2018年的5200万美元。

但是， RISC-V最大的缺陷是目前尚短缺生态系统 。
CPU 架构的影响力紧张是依赖他成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，特殊是IoT碎片化的性子，没有一个统一的软件栈生态。

RISC-V基金会实在对此并不做任何定义，生态系统的搭建交予利用者来自行发挥。
并且生态系统并非一挥而就，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，开拓者真正随手可得，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。
在智好手机时期，由于MIPS选择消费电子时，Arm选择了手机市场，纵然ARM与MIPS的出身韶光相差些许，但更晚涌现的Arm成为了智好手机时期的标签。
MIPS和RISC-V两者的架构也相差不大。
因此，在2018年12月MIPS宣告开源之后，MIPS可能成为RISC-V在AI时期强有力的竞争者。
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、智好手表等市场已经非常成熟。
未来，政策、生态、软件等方面的成分是两个指令集在AI时期竞赛的主要考量。

▲MIPS架构与MIPS公司的发展进程

RISC-V是海内芯片自主可控一次弯道超车的机会 。
目前所有的通用x86架构处理器技能都节制在英特尔和AMD公司手中，ARM则也受到美国政策的限定。
同时信息安全也是近几年来一贯在强调的话题。
在政府、海关、金融、铁路、民航、医疗、军警等主要部门，保障其通信安全尤为主要。

但RISC-V的开源特性，使得海内企业可以连续利用。
同时由于其模块化的设计，可以直接应用模块，利用门槛不高。
并且对付新时期IoT等趋势的驱动下，RISC-V比拟别的架构存在较大的上风，海内企业提前布局，或可成为该行业巨子之一。
自2018年开始，在海内的半导体技能圈里，已经掀起了一场关于RISC—V的谈论热潮。

9月20日上午，中国RISC-V家当同盟(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当同盟首任理事长单位。

设立同盟为搭建家当互换平台，推动RISC-V 广泛运用；推动RISC-V 人才培养，建立高校培养操持；推动会员协同发展，建立长效互助机制；承接RISC-V 环球基金会活动，深化国际互助互换。

智东西认为，RISC-V的五大特点，精简、安全、开源、下贱市场和生态决定了RISC-V在物联网时期将会大放异彩，而且RISC-V指令集可能是最适宜中国国情的，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时期造诣了x86，移动互联网时期ARM是绝对的主流，即将到来的IoT时期，哪种指令集架构会成功？不少人看好RISC-V。
RISC-V这个环球开放的架构没有知识产权的限定，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的自主可控芯片的出身。