RISC-V(发音为“risk-five”)是一个基于精简指令集(RISC)原则的开源指令集架构(ISA),简易解释为开源软件运动相对应的一种“开源硬件”。该项目2010年始于加州大学伯克利分校,但许多贡献者是该大学以外的志愿者和行业工作者。与大多数指令集相比,RISC-V指令集可以自由地用于任何目的,允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件而不必支付给任何公司专利费。虽然这不是第一个开源指令集,但它具有重要意义,因为其设计使其适用于现代计算设备。设计者考虑到了这些用途中的性能与功率效率。该指令集还具有众多支持的软件,这解决了新指令集通常的弱点。

本期的智能内参,我们推荐西南证券的研究报告《布局RISC V,进军IoT》,从RISC V的技术特点、设计理念、历史沿革、优缺点等多方面解析RISC V架构。如果想收藏本文的报告(布局RISC V,进军IoT),可以在智东西(公众号:zhidxcom)回复关键词“nc399”获取。

一、什么是RISC V?

CPU(中央处理器),也被称为微处理器,相当于电子产品的大脑。在通信领域当中,几乎所有的重要信息都要由这个“大脑”所掌控,CPU芯片和操作系统是网信领域最基础的核心技术。 CPU主要有两大指令集:复杂指令集(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

中国芯片将靠此超车!RISC-V架构神在哪全解构【附下载】| 智东西内参

▲CPU主流架构

CPU的架构一直以来是x86与ARM的天下,而自2010年RISC-V诞生以后 ,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,善于处理大数据,IP掌握在英特尔和AMD手中

ARM:移动(手机)市场,处理快数据为主,目前也使用在便携笔记本中,IP大部分掌握在ARM公司。

RISC-V:当需要同时兼顾数据传输速度与传输量时,这两类主流架构的胜任能力有限。RISC-V表现出了较强的优势。

中国芯片将靠此超车!RISC-V架构神在哪全解构【附下载】| 智东西内参

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,是今天RISC架构的基础。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、服务器的王者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协议许可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。

中国芯片将靠此超车!RISC-V架构神在哪全解构【附下载】| 智东西内参

▲RISC发展历程

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。相比于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的优势

1、模块化:RISC-V将不同的部分以模块化的方式组织在一起,并试图通过一套统一的架构来满足各种不同的应用场景这种模块化是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总共只有几十条指令。

3、RISC-V全面开源,且具有全套开源免费的编译器、开发工具和软件开发环境(IDE),其开源的特性允许任何用户自由修改、扩展,从而能满足量身定制的需求,大大降低指令集修改的门槛。

同类产品中,ARM需要支付高昂的IP费用才可使用,甚至需支付“预付款”才可看到细节

中国芯片将靠此超车!RISC-V架构神在哪全解构【附下载】| 智东西内参

RISC-V的模块化指令集

中国芯片将靠此超车!RISC-V架构神在哪全解构【附下载】| 智东西内参

▲各指令集架构的代码密度比较

中国芯片将靠此超车!RISC-V架构神在哪全解构【附下载】| 智东西内参

三类架构对比

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,该基金会已吸引了全球28个国家327多家会员加入。 RISC-V基金会负责维护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讨论会和全球活动。

中国芯片将靠此超车!RISC-V架构神在哪全解构【附下载】| 智东西内参

RISC-V基金会内部已有较为完善的生态圈

二、 RISC-V优缺点

因为x86适合处理大量数据,在传统PC与服务器领域处于霸主地位, 在手机带来的科技革命趋势下,需要快速处理数据,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作为主流架构一直都占有着很大的市场。随着物联网时代的来临,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优势

中国芯片将靠此超车!RISC-V架构神在哪全解构【附下载】| 智东西内参

不同架构与数据、应用扩展方式

RISC-V的应用之一:IoT的“碎片化”需求, 因为IoT领域对AI芯片即要求高计算能力,又需要低延迟, 所以,IoT芯片设计速度要快、成本要低、能量身定制。同时嵌入式市场具备少量多样的特点,在各细分应用场景并未形成真正壁垒,架构的选择五花八门。以上原因成就了RISC-V绝佳的突破口。RISC-V的开源能降低成本,也能让用户自由修改,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领域的应用。

中国芯片将靠此超车!RISC-V架构神在哪全解构【附下载】| 智东西内参

IoT领域结构

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的开源特性允许广泛的受众检查其体系结构,并在它们成为大范围的安全事件之前纠正它们。 RISC-V可以通过提供“修复”核心而无需实际更改核心的机会来影响我们现有的网络犯罪流行。

RISC-V的应用之二:手机市场 根据SiFive首席执行官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公司抢智能手机处理器市场,同时有可能威胁低功耗笔记本处理器目前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也作出了相应的改善策略。2019年7月,Arm 推出新的授权模式“Flexible Access”:对于中低阶芯片的授权,未来客户不再需要缴纳“预付款”才能看到设计细节

RISC-V的应用之三:服务器市场虽然目前RISC-V的高性能市场一片空白,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,高性能等需要较长研发时间的领域尚无人尝试。

根据SiFive首席执行官Naveed Sherwani的预测,5年后RISC-V指令的处理器就有可能进军服务器市场,AMD、英特尔这样的x86处理器公司也许将要担心。

中国芯片将靠此超车!RISC-V架构神在哪全解构【附下载】| 智东西内参

▲ 基于RISC-V架构的511核处理器(Celerity)

RISC-V的应用之四:存储市场硬盘本身并不需要像SSD那样庞大的计算资源,但是由于新的磁记录技术,更复杂的功能(例如,基于NAND Flash的
缓存,健康管理,QoS),它们的处理要求也在增长增强等。
这对存储器中控制芯片的计算能力要求变高了。

硬盘本身并不需要像SSD那样庞大的计算资源,但是由于新的磁记录技术,更复杂的功能(例如,基于NAND Flash的缓存,健康管理,QoS),它们的处理要求也在增长增强等。这对存储器中控制芯片的计算能力要求变高了。

虽然数据可以就近传输到附近的服务器汇总进行处理,这需要更为强大的服务器,但服务器本身对处理快数据的效率不高,因此硬盘不仅存储数据,还需要处理它。

目前RISC-V被认为最适合应用在IoT市场。因为IoT市场的情况更为灵活,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、低成本、灵活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的架构进行使用和修改后可以进行销售。根据Tractica的预测,基于RISC-V的IP和软件工具的全球收入将在2025年增加到11亿美元,高于2018年的5200万美元

但是, RISC-V最大的缺点是目前尚缺少生态系统 CPU 架构的影响力主要是依赖他生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,特别是IoT碎片化的性质,没有一个统一的软件栈生态。

RISC-V基金会其实对此并不做任何定义,生态系统的搭建交予使用者来自行发挥。并且生态系统并非一蹴而就,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,开发者真正随手可得,相应的软件生态才能大规模爆发。

中国芯片将靠此超车!RISC-V架构神在哪全解构【附下载】| 智东西内参

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。在智能手机时代,由于MIPS选择消费电子时,Arm选择了手机市场,即使ARM与MIPS的诞生时间相差些许,但更晚出现的Arm成为了智能手机时代的标签。 MIPS和RISC-V两者的架构也相差不大。因此,在2018年12月MIPS宣布开源之后,MIPS可能成为RISC-V在AI时代强有力的竞争者。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、智能手表等市场已经非常成熟。未来,政策、生态、软件等方面的因素是两个指令集在AI时代竞赛的重要考量。

中国芯片将靠此超车!RISC-V架构神在哪全解构【附下载】| 智东西内参

MIPS架构与MIPS公司的发展历程

RISC-V是国内芯片自主可控一次弯道超车的机会目前所有的通用x86架构处理器技术都掌握在英特尔和AMD公司手中,ARM则也受到美国政策的限制。同时信息安全也是近几年来一直在强调的话题。在政府、海关、金融、铁路、民航、医疗、军警等重要部门,保障其通信安全尤为重要。

但RISC-V的开源特性,使得国内企业可以继续使用。同时因为其模块化的设计,可以直接应用模块,使用门槛不高。并且对于新时代IoT等趋势的驱动下,RISC-V对比其余架构存在较大的优势,国内企业提前布局,或可成为该行业巨头之一。自2018年开始,在国内的半导体技术圈里,已经掀起了一场关于RISC—V的讨论热潮。

9月20日上午,中国RISC-V产业联盟(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任联盟首任理事长单位。

设立联盟为搭建产业交流平台,推动RISC-V 广泛应用;推动RISC-V 人才培养,建立高校培养计划;推动会员协同发展,建立长效合作机制;承接RISC-V 全球基金会活动,深化国际合作交流。

智东西认为,RISC-V的五大特点,精简、安全、开源、下游市场和生态决定了RISC-V在物联网时代将会大放异彩,而且RISC-V指令集可能是最适合中国国情的,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时代成就了x86,移动互联网时代ARM是绝对的主流,即将到来的IoT时代,哪种指令集架构会成功?不少人看好RISC-V。RISC-V这个全球开放的架构没有知识产权的限制,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的自主可控芯片的诞生。

智能内参

权威数据·专业解读 读懂智能行业必看的报告在智东西回复“智能内参”查看全部报告