深度：RISC-V技術(shù)和指令集架構(gòu)

指令集架構(gòu)發(fā)展背景，外部環(huán)境：（1）貿(mào)易戰(zhàn)背景下，自主可控勢(shì)在必行；（2）政策驅(qū)動(dòng)，集成電路產(chǎn)業(yè)迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇；（3）新一代信息技術(shù)加速滲透，新興領(lǐng)域?qū)π酒岢隽烁叩男枨?。?nèi)部因素：（4）從產(chǎn)業(yè)內(nèi)部角度來(lái)看，主流指令集架構(gòu)復(fù)雜，硬件實(shí)現(xiàn)難度大，授權(quán)費(fèi)用高企，芯片企業(yè)成本居高不下。

RISC-V指令集架構(gòu)技術(shù)特性：在于簡(jiǎn)潔、模塊化、可擴(kuò)展及開(kāi)源，通過(guò)有限指令集的組合和擴(kuò)展，構(gòu)建適合任何領(lǐng)域的微處理器。

RISC-V產(chǎn)業(yè)生態(tài)逐步完善。國(guó)際產(chǎn)業(yè)——多個(gè)RISC-V開(kāi)源版本及商用IP誕生；科技巨頭和初創(chuàng)公司紛紛布局；行業(yè)應(yīng)用紛紛落地。國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)——華為、中興等大企業(yè)，及部分中小型企業(yè)（如C-SKY）與創(chuàng)客群體加入RISC-V基金會(huì)；國(guó)內(nèi)首個(gè)開(kāi)源的RISC-V處理器誕生——蜂鳥(niǎo)E200（面向極低功耗與極小面積的場(chǎng)景而設(shè)計(jì)）。

RISC-V滿足個(gè)性化、定制化芯片新需求?；赗ISC-V的極簡(jiǎn)、模塊化和可擴(kuò)展特性，使得低功耗、小面積，同時(shí)具有個(gè)性化和差異化的定制芯片成為可能，碎片化場(chǎng)景（IOT、AI）應(yīng)用大有可為。

我國(guó)RISC-V產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議：協(xié)同構(gòu)建RISC-V技術(shù)應(yīng)用推廣的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境；協(xié)同建立RISC-V測(cè)試評(píng)估體系；建立健全各項(xiàng)保障體系，上升至國(guó)家戰(zhàn)略高度。

RISC V內(nèi)涵分析

RISC-V 是一種全新的、簡(jiǎn)單且開(kāi)放免費(fèi)的指令集架構(gòu)，于 2010年主由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的 Krste Asanovic 教授、 Andrew Waterman 和 Yunsup Lee 等開(kāi)發(fā)人員發(fā)明，并且得到了計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)領(lǐng)域泰斗 David Patterso n 的大力支持；驅(qū)動(dòng)因素

主流指令集架構(gòu)極為復(fù)雜和冗繁；

專(zhuān)利和授權(quán)費(fèi)用高企；

其他開(kāi)源架構(gòu)問(wèn)題較多：OpenRISC 是一種開(kāi)源的處理器核，而非一種指令集架構(gòu)，并且許可證為GPL ，意味著所有的指令集改動(dòng)后都必須開(kāi)源（ RISC V 許可證為 BSD License 授權(quán)，可開(kāi)源也可用于商用）；SPARC 功耗面積代價(jià)過(guò)大，對(duì) x86 替代性不強(qiáng)。目標(biāo)：

成為一種完全開(kāi)放的指令集，可以被任何學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)或商業(yè)組織所自由使用。

成為一種真正適合硬件實(shí)現(xiàn)且穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)指令集。

為了RISC V 架構(gòu)的順利推廣， 2015 年成立了 RISC V 基金會(huì)。負(fù)責(zé)維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的 RISC V 指令集手冊(cè)與架構(gòu)文檔，并推動(dòng) RISC V 架構(gòu)的發(fā)展 。目前，基金會(huì)包括 108 家會(huì)員單位，其中白金會(huì)員 18 家，普通會(huì)員 90 家，并且會(huì)員數(shù)量在持續(xù)高速增長(zhǎng)。中國(guó)多家大中型企業(yè)級(jí)科研機(jī)構(gòu)也加入了 RISC V 基金會(huì)，如中興、華為、杭州中天、中科院計(jì)算所等 。

RISC-V技術(shù)特性

縱向比較（RISC V vs RISC從流水線、指令集整體性能、架構(gòu)篇幅三個(gè)維度進(jìn)行比較。指令集經(jīng)典的五級(jí)流水線包括：取指、譯碼、執(zhí)行、訪存和寫(xiě)回。

取指指令取指是指將指令從存儲(chǔ)器中讀取出來(lái)的過(guò)程；譯碼 將從存儲(chǔ)器中取出的指令進(jìn)行翻譯的過(guò)程；執(zhí)行 對(duì)指令進(jìn)行真正運(yùn)算的過(guò)程 ；訪存 存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)區(qū)中讀出，或者寫(xiě)入存儲(chǔ)器的過(guò)程；寫(xiě)回 將指令執(zhí)行的結(jié)果寫(xiě)回通用寄存器組的過(guò)程。

取指階段：RISC V 通過(guò)對(duì)指令編碼的規(guī)整、簡(jiǎn)化，提高取指速度。同時(shí)，在指令編碼增加必要的要素、或通過(guò)對(duì)指令功能的明確定義，減少了取指時(shí)的判斷時(shí)間，從而提高取指速度，降低損失 。

譯碼、執(zhí)行階段：RISC V 擁有規(guī)整和簡(jiǎn)潔的指令編碼，提高了譯碼速度，降低了硬件設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。同時(shí)，依托可選的壓縮指令子集，RISC V 提高了代碼密度，執(zhí)行階段無(wú)需區(qū)分指令長(zhǎng)度，提高了執(zhí)行效率。

訪存階段：RISC V 通過(guò)對(duì)指令的簡(jiǎn)化和限制，雖然降低了部分性能，但也降低了訪存部分硬件實(shí)現(xiàn)的難度。

RISC-V 的技術(shù)特性在于簡(jiǎn)潔、模塊化、可擴(kuò)展及開(kāi)源，通過(guò)有限指令集的組合和擴(kuò)展，構(gòu)建適合任何領(lǐng)域的微處理器。

多個(gè)RISC V開(kāi)源版本及商用 IP誕生

技術(shù) RISC V 指令集架構(gòu)極簡(jiǎn)、開(kāi)源、模塊化的技術(shù)特性，眾 多商業(yè)公司及初創(chuàng)公司加入到 RISC V 架構(gòu)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)中，出現(xiàn)了多個(gè) RISC V 開(kāi)源版本和商用 IP 。主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

基于 RISC V 開(kāi)源或商用的 Core ，與 ARM 架構(gòu)相比，具有更高的性能，更低的功耗和更小的面積，支持多種配置接口，可擴(kuò)展性強(qiáng)，安全系數(shù)更高。

多數(shù)開(kāi)源處理器僅提供了處理器核的實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有提供配套的 SoC 。

科技巨頭和初創(chuàng)公司紛紛布局

眾多科技巨頭和初創(chuàng)公司加入到RISC V 的競(jìng)爭(zhēng)中，以擺脫 ARM 、X86 架構(gòu)在移動(dòng)端和 PC 端的壟斷地位。縱觀全球RISC V 商業(yè)公司，有如下特點(diǎn)：

1、 從地區(qū)分布來(lái)看，多數(shù)公司集中在美國(guó)、歐洲和亞洲，其中以美國(guó)為主。

2、 從 原處理器架構(gòu)來(lái)看，眾多原依托于 ARM 架構(gòu)的大型科技公司加入到 RISC V 競(jìng)爭(zhēng)中，主要是由于 ARM 高昂的授權(quán)費(fèi)和版稅。另外，Intel 宣布投資 SiFive ，積極布局 RISC V 。

3、 從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看， RISC V 多數(shù)應(yīng)用集中在新興領(lǐng)域，如物聯(lián)網(wǎng)、人工智能。

• a)基于 Intel 、 ARM 分別在服務(wù)器、 PC 及移動(dòng)領(lǐng)域的霸主地位，軟件生態(tài)難以撼動(dòng)；

• b)RISC V 極簡(jiǎn)、可擴(kuò)展、模塊化的特性，適用于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能領(lǐng)域?qū)π酒凸?、個(gè)性化和定制化的需求。

4、從技術(shù)層面來(lái)看，行業(yè)內(nèi)已大范圍開(kāi)始使用 基于 RISC V 架構(gòu)的嵌入式控制內(nèi)核，逐漸進(jìn)入設(shè)備的頂層芯片，驗(yàn)證了 RISC V 架構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。如 NVIDIA 、 Google 、 CEVA 和 Codasip 。

5、產(chǎn)業(yè)生態(tài)逐步完善：伴隨 RISC V 架構(gòu)的商業(yè)化推進(jìn)，出現(xiàn)了眾多提供 RISC V 跟蹤解決方案 IP 核的公司（如 UltraSoc ），提供嵌入式分析功能，大幅度減少芯片開(kāi)發(fā)成本，提升盈利能力。

6、 從地區(qū)分布來(lái)看，依然集中在美國(guó)；從商業(yè)模式來(lái)看，以基于 RISC V架構(gòu)開(kāi)發(fā)芯片為主，僅 SiFive 一家公司開(kāi)發(fā) IP 核；應(yīng)用領(lǐng)域方面，依然集中在物聯(lián) 網(wǎng)、人工智能領(lǐng)域。

RISC-V行業(yè)應(yīng)用紛紛落地

隨著RISC V 生態(tài)的逐步 完善，眾多行業(yè)應(yīng)用紛紛落地。

Ashling Systems 與 Imperas Software 合作為 RISC V 軟件開(kāi)發(fā)提供集成工具及解決方案；

CEVA 宣布其 RivieraWaves 藍(lán)牙和 Wi Fi IP 平臺(tái)現(xiàn)可提供可選的集成開(kāi)源 RISC V MCU

GreenWaves Technologies 推出基于 RISC V 的 GAP8 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用處理器；

Trinamic 授權(quán) Codasip 的 Bk3 RISC V 處理器用于下一代運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用；

Imperas Software 的基于 RISC V 的 RV64GC 高 性能可擴(kuò)展平臺(tái)套件，可快速運(yùn)行 Linux 。

RISC-V滿足個(gè)性化、定制化芯片新需求

目前主流指令集架構(gòu)芯片的應(yīng)用領(lǐng)域及市場(chǎng)地位：

嵌入式領(lǐng)域，ARM 獨(dú)占鰲頭。綜合 Gartner 、 IDC 等研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)， ARM 估計(jì) 2017 年大約有 340 億臺(tái)設(shè)備使用了該公司授權(quán)的指令集芯片，芯片總量高達(dá) 410 億枚。全球超過(guò) 90% 的智能手機(jī)和平板電腦都采用了 ARM 授權(quán)的指令集架構(gòu)。

PC領(lǐng)域， Intel 和 AMD 等公司采 用的 x86 架構(gòu)占據(jù)了絕對(duì)主導(dǎo)地位。

基于RISC V 極簡(jiǎn)、開(kāi)源、模塊化及可擴(kuò)展的技術(shù)特性，對(duì)芯片產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)了眾多影響：

1、 基于 RISC V 的極簡(jiǎn)、模塊化和可擴(kuò)展特性，使得低功耗、小面積，同時(shí)具有個(gè)性化 和差異化的定制芯片成為可能，碎片化場(chǎng)景（ IOT 、AI ）應(yīng)用大有可為 。

2、 開(kāi)源導(dǎo)致參與主體較多，初期呈現(xiàn)百家爭(zhēng)鳴態(tài)勢(shì)?；?RISC V的芯片會(huì)形態(tài)眾多，良莠不齊現(xiàn)象嚴(yán)重，設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)強(qiáng)的廠商受益（手稿：設(shè)計(jì)涉及 RTL 編碼、 layout 、半導(dǎo)體制程、封裝等一系列技術(shù)，同時(shí)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也不一樣） 。

3、 可擴(kuò)展性導(dǎo)致基于 RISC V 的芯片功能豐富度提高 。

4、 開(kāi)源的 RTL 代碼以及無(wú)預(yù)測(cè)性?xún)?nèi)存訪問(wèn)導(dǎo)致芯片安全系數(shù)提高 。

5、 基于原主流架構(gòu)的芯片生態(tài)格局一時(shí)難以撼動(dòng)，新興領(lǐng)域會(huì)有一席之地。尤其在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，對(duì) ARM 架構(gòu) 的芯片具有一定的替代作用。

 

我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展薄弱，主要知識(shí)產(chǎn)權(quán)受制于人由來(lái)已久。面對(duì)中美貿(mào)易摩擦，我國(guó)發(fā)展自主可控勢(shì)在必行，發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，建立我國(guó)自有指令集架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建芯片產(chǎn)業(yè)生態(tài)，壯大我國(guó)半導(dǎo)體、集成電路產(chǎn)業(yè)。目前，我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

1、 90%靠進(jìn)口：據(jù) International Business Strategies Inc. 估計(jì)，中國(guó)使用的總價(jià)值 1900 億美元的芯片中，近 90% 是來(lái)自進(jìn)口或在華外企生產(chǎn)。

2、 CPU指令集群雄割據(jù)：集齊了全球大部分有一定影響力的指令集，包括 ARM、 MIPS 、 PowerPC 、 SPARC 、 RISC V 、 X86 等指令集。代表廠商：龍芯、君正、華為海思、展訊。面臨的主要問(wèn)題：缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、缺乏統(tǒng)一的指令集標(biāo)準(zhǔn)。

參考來(lái)源：山西證券

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