完全开源、无专利掣肘，RISC-V会是芯片自主的关键解吗？ 年度行业研究

2020年，芯片产业的国民关注度达到了新的顶峰，芯片行业一举一动都能拨动人们的心弦。对“自主可控”的迫切需求，对“垄断危机”的无限担忧，让中国半导体从业者孜孜以求，不愿错过任何可以“突破围城”的机会。

　　如今，在芯片设计的核心环节就出现了这样的机会，即利用完全开源开放，可被自由使用的指令集架构RISC-V来设计处理器。指令集指挥着芯片执行各项计算命令，是芯片的“灵魂”所在。

　　这一关键领域，长期以来都被x86架构（Inter公司）和ARM架构（ARM公司）主导，而RISC-V却因其在物联网、AI等新兴市场的巨大发展潜力被视为ARM的最强竞争对手。 中科院院士倪光南就曾公开表示，认为RISC-V很可能在未来发展成世界主流CPU之一，在CPU领域形成Intel、ARM和RISC-V三分天下的格局。

　　据统计，围绕其组建的RISC-V基金会如今已经吸引超过300家公司和机构的加入，其中有高通、英伟达、三星和谷歌等国际巨头，也有阿里巴巴、华为、华米、芯原等中国公司。

　　在地缘政治不断影响全球经济，芯片安全备受国人关注的当下，英伟达于2020年9月宣布400亿美元收购ARM公司，市场对于开源指令集RISC-V的关注度再度提升。

　　是谁给了RISC-V与巨头争食的勇气？中国芯片行业又为何对它寄予厚望？

　　在这篇文章里，我们将对RISC-V 进行梳理，试图理清RISC-V 未来发展的点滴线索，以期回答上述两个问题。

一、RISC-V 的诞生

　　在开始一系列分析之前，首先需要明确RISC-V到底是什么。

　　根据官方给出的定义，RISC-V是一个基于“精简指令集（RISC）”原则的开源指令集架构。其中，RISC全写为：Reduced Instruction Set Computer ，即精简指令集计算机；V是罗马数字“5”，RISC-V即代表该指令集是RISC系列指令集的第五代产品。

　　需要明确，RISC-V并不是一种处理器或芯片（Implementation），而是指令集规范（Specification）。所谓指令集，是存储在处理器（芯片）内部指导它如何进行运算的一系列规范语言。它是软件和硬件之间的接口，向下定义任何软件程序员需要了解的硬件信息，向上指导应用系统的运转，可以说指令集架构决定了一个处理器的“灵魂”，也就决定了处理器的流派。

　　根据复杂度大概指令集可以分为精简指令集（RISC）、复杂指令系统计算机(CISC)、超长指令字（VLIW）、显式并行指令计算（EPIC）、最小指令集（MISC）和单一指令集（OISC）六类。在CPU领域的指令集主要有精简指令集（典型代表ARM、MIPS和RISC-V）、复杂指令系统计算机（典型代表 x86）。

　　那么指令集在整个芯片产业链中处于一个什么样的位置？指令集一般内置在芯片IP（Intellectual Property，知识产权）核心中，属于芯片设计中的一个部分。市面上的CPU或者SOC（系统级芯片），都是基于某IP核，这个IP核心实际上实现了一种指令集架构(体系结构特性+特定指令集)。

来源：芯原股份招股书

　　接下来，说一说RISC-V的起源。

　　早在1979年，加州大学伯克利分校 David Patterson 教授就提出的精简指令（RISC），其基本思想是尽量简化计算机指令功能，只保留那些功能简单、而把较复杂的功能用一段子程序来实现，从而提高计算机的工作效率，且功耗面积低，非常适合便携式电子产品。

　　1981年，Patterson 教授推出了RISC-1原型。在那之后近十年的时间里，Patterson 教授及其团队不断优化和改良 RISC，并在 1988 年推出了第四代 RISC-IV。在此之后，英特尔 x86 架构和ARM 架构相继迎来高速发展期，迅速崛起逐步占有市场主导，下一代RISC被搁置。

　　直到 2010 年，加州大学伯克利分校的Krste Asanovic的研究团队想要为新项目选择一个指令集，却发现传统商业闭源指令集中 x86 架构非常封闭，而 ARM 指令集授权费又十分昂贵，都无法满足他们的需求，于是找来了 Patterson 教授一同改良和升级RISC以满足需求，最终Krste Asanovic、David Patterson和学生一起创造出了RISC-V指令集的雏形。

　　开源精神是 RISC-V 初衷，RISC-V的开发团队希望这是一个完全开放的指令架构，可以为任何组织机构和商业组织所使用。

　　2013 年，RISC-V 使用 BSD（Berkeley Software Distribution）协议开源，这意味着几乎任何人都可以使用 RISC-V 指令集进行芯片设计和开发，商品化之后也不需要支付授权费用。

　　2015年，RISC-V基金会成立，其总部注册地位于美国特拉华州，进一步促进推广 RISC-V，缴纳会费的注册会员可以投票表决改动和使用兼容性商标。迄今为止，已有超过 327 家公司和机构加入了 RISC-V 基金会。

　　2020年3月，RISC-V基金会注册地从美国迁往中立国家瑞士。

二、RISC-V 为什么被认为是ARM的最有力竞争者

　　近年来，随着RISC-V不断被推广，越来越多的芯片开发者开始注意到这一开源的芯片架构，并且被认为极有可能在未来与ARM并驾齐驱。

各架构处理器举例

　　为什么业内会对RISC-V寄予厚望？

　　这首先要从RISC-V的特点开始说起。简单总结，其核心特点包括以下三个：

　　1.完全开源

　　RISC-V是开源指令集架构（ISA），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。RISC-V采用宽松的BSD开源协议，架构可自由创新，允许企业添加自有指令集拓展且不必开放共享，更有利于实现差异化发展。RISC-V基金会不会对指令集使用收取高额的授权费。

　　开源的特性，也让RISC-V的使用并不会受到单一公司的绑定。因此也一度被认为是我国实现芯片自主的希望。

　　2.架构简单

　　RISC-V秉承“大道至简”的设计哲学。

　　RISC-V的规范文档仅有145页，而“特权架构文档”的篇幅也仅为91页，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总共几十条指令。这意味着使用RISC-V进行软硬件研发的工程师们能更容易上手，更快进行开发验证，可以缩短芯片和软件的研发周期、降低成本。

　　而在处理器领域的主流架构的x86与ARM的架构文档都在2000页左右的规格（这一数字还在继续变大）。而且也再难以“瘦身”，原因在于，这些规范文档是处理器架构技术几十年的发展的产物，作为商用的架构，为了能够保持架构既可以向前兼容也可以满足向后兼容性，x86与ARM架构不得不保留许多“过时”的定义，而且在定义新的架构部分时也必须考虑已有技术。指令数目多、冗余严重、文档数量庞大使得开发人员在x86与ARM在这些架构上开发新的操作系统或者直接开发应用门槛很高。

　　值得一提的是，RISC-V同时提供了详细的特权级指令规范和用户级指令规范的详细信息，使开发者能非常方便地移植linux和unix系统到RISC-V平台。

　　3.模块化设计

　　“短小精悍”之外，RISC-V还采用模块化设计将其不同部分组织在一起，从而使得通过统一架构满足各种不同的应用成为可能。

　　比如针对于小面积低功耗嵌入式场景，用户可以选择RV32IC组合的指令集，仅使用Machine Mode（机器模式）；而高性能应用操作系统场景则可以选择譬如RV32IMFDC的指令集，使用Machine Mode（计算机模式）与User Mode（用户模式）两种模式，它们共同的部分则可以相互兼容。

　　但ARM却难以做到的模块化兼容，其架构中Application（应用操作系统）、Real-Time（实时）和Embedded（嵌入式）三个领域，彼此之间并不兼容。

　　总结来说，仅从RISC-V的特性来看，对比ARM，RISC-V是一种开源、开放的架构，其灵活性、开发成本和开发门槛都优于ARM。

　　另外，从未来落地应用的角度来看，RISC-V也在IoT、专用芯片、AI、边缘计算等新兴领域，几乎能和ARM处于同一起跑线，甚至跑赢ARM，其中原因有以下几个方面：

　　1.尽管ARM在生态方面具有优势，但RISC-V在成本方面具有优势。近年来，摩尔定律在半导体行业的发展遇到了瓶颈，尽管在工艺制程方面仍在向前推进，但是价格也同样在走高。通过架构优化来提升芯片性能，降低成本也已经是业内公认的方案之一。在这些新兴领域中，后来的初创参与者也越来越多，他们往往都是成本敏感者，对比ARM高昂的授权费，以及取得授权的高难度、高门槛，RISC-V免费授权属性的确会让众多厂商心动。

　　2. RISC-V的灵活特性可以更好地满足新兴市场应用场景差异化诉求。以物联网市场为例，RISC-V没有x86或ARM指令集背负的兼容性包袱，而且开发者可以基于RISC-V针对不同应用灵活修改指令及芯片架构设计，满足众多细分场景的需求。与之对比，ARM往往只能做一个标准化设计，很难实现差异化，最终可能同质化严重，形成价格比拼。

　　3.在目前的实际应用中，RISC-V已经被证明可以与ARM一争市场。比如，伯克利研究团队完成的基于RISC-V指令集的顺序执行的64位处理器核心Rocket，主频为1GHz，与ARM Cortex-A5相比，实测性能较之高10%，面积效率高49%，单位频率动态功耗仅为Cortex-A5的43%。在嵌入式领域，Rocket已经可以和ARM争市场了。还有华米科技自主研发的黄山 1 号 AI 芯片，也已经应用到AMAZFIT米动健康手表上，实现商用，据悉，相比ARM Cortex-M4，黄山1号运算效率高出38%。

　　尽管相较于ARM，RISC-V存在一定的特色和优势，但这并不意味着RISC-V不存在劣势，ARM将会输给RISC-V。在下文中，我们将展开更详细的比较。

三、RISC-V 产业的现状

　　尽管RISC-V在2014年就已经问世，但一个新的指令集从出现到真正形成可以使用的产品仍需要经历数年的过程。

　　上文已经提到指令集是芯片的“灵魂”，属于芯片设计环节的重要部分。一个指令集要真正发挥作用，落到实处。首先，要基于指令集开发出具备具体功能的IP核，然后设计者需要利用各类工具进行围绕IP核进行系统设计、逻辑设计、电路设计和物理设计，最终形成设计版图。之后再交由后续的厂商晶圆制造、 封装及测试，最终交付给终端客户。终端客户再利用芯片开发出软硬件产品，最终实现落地应用。

　　此后，落地产品经过长时间的稳定使用，才能验证指令集、IP的可用性和优秀性能。ARM架构、X86架构同样上世纪80年代就开始被使用，到今天能有“垄断”地位的出货量和市场生态也经历了40年左右的时间。

　　RISC-V从出现到现在仅不到10年的时间，还是有一个年轻的指令集架构，从全球的产业发展来看，处在快速发展的初期阶段。

　　全球RISC-V产业的发展

　　要了解RISC-V的全球生态，就不得不提到SiFive这家公司。

　　上文已经提到SiFive公司由RISC-V发明团队Krste Asanovic、Yunsup Lee和Andrew Waterman创建，SiFive目前拥有450多名员工，拥有15个设计中心。SiFive 的 RISC-V 架构处理器有超过 100 项执照，全球前 10 大半导体业者中、有 6 家是该公司客户，当中包括高通、SK 海力士、英特尔等，2019年预计销售额在1亿美金，是全球半导体行业发展最快的公司之一。在中国也有本土公司赛昉科技。

　　2020年8月12日，据路透社报道，SiFive Inc宣布从包括SK Hynix和沙特阿美在内的投资者以及既有投资者（包括来自英特尔公司，高通公司和西部数据公司的风险投资部门）那里筹集了额外的6000万美元资金，目前该公司估值超过1.85亿美元。

SiFive融资历史 来源：鲸准

　　具体而言，SiFive主要产品和服务包括：

　　1.RISC-V内核IP（SiFive Core IP）：直接对标Arm的各系列处理器内核，基于RISC-V ISA，SiFive开发了从低功耗到高性能的标准RISC-V内核IP E/S/U Core系列，提供64位和32位选项。这些内核预先集成了安全性，跟踪和调试功能。

　　2.SiFive Core Designer，可以利用SiFive灵活的生成器样式来设计SiFive Core IP，以根据不同的性能和效率类别设计处理器体系结构。

　　3.DesignShare：构建RISC-V生态，汇聚多家供应商的IP和设计工具，包括Rambus, UltraSoC, Brite Semi和Imagination等。在DesignShare项目中提供的IP都存放在云端（微软Azure云平台）的模板中，客户无需下载或传送IP，直接选择调用即可。

　　4. SoC IP模板：2020年8月，SiFive宣布成立了一个新企业OpenFive。OpenFive为人工智能、边缘计算、HPC和网络解决方案提供了可定制的SoC IP。OpenFive产品组合包括低延迟，高吞吐量的Interlaken连接结构、400 / 800G以太网、高带宽内存（HBM2 / E）、USB子系统IP等，同时也专门从事RISC－V处理器设计工作，可以加快并改进RISC－V和Arm的CPU内核。

　　5.开发板：SiFive推出分别面向IoT、高性能、AI等不同领域的开发板。2020年10月发布了，面向 PC 的 RISC-V 主板“Unmatched”。

　　基于RISC-V架构，SiFive不仅在内核IP 产品线上有着较为丰富的布局，也配套有相应的开发工具链条，同时涉及到了SoC IP开发，并且基于其内核开发的产品也已经落地应用形成销售。这对整个RISC-V产业都具有示范和教育作用，也起到了生态建设的作用。

　　更值得一提的是，SiFive也在商业模式上有所创新。有别于ARM以三种模式阶梯式授权发展合作伙伴生态，SiFive并没有设定这些层级，而是选择了更加开放的模式。其首席技术官和联合创始人Yunsup Lee曾在 第六届RISC-V技术研讨会解释了SiFive的模式，即通过‘调研-评估-购买’(Study – Evaluate – Buy)的采购流程，工程师们迅速获得其 IP RTL源代码。同时，其价格相对透明、合同也相对简化。

　　另外在芯片设计上，SiFive也有所创新，充分发挥RISC-V架构开放、灵活的优势。

　　SiFive的设想是，设计一款芯片，不必搭建服务器，不用安装EDA工具，不需要FPGA验证，甚至不需要版图和验证团队。

　　有报道显示，SiFive设计和开发了运行在云端的软件和服务，提供基于“云”进行IP授权和芯片定制化的SaaS平台。通过图形化网页交互界面，客户可以在线选择CPU核的配置，选择合适的IP, 生成前端代码，进行验证，开展后端设计等等。

　　客户可以按月、按季度付费使用这个SaaS平台，可快速生成数个不同的IP。这种云模式，有望解决服务器、存储、EDA软件、IP的整合、知识产权的保护、软件集成等多个问题，有望进一步降低成本，对于小公司和初创芯片公司更有利。

　　此外，在制造、封装、测试甚至物流等产业链必备环节服务，SiFive也考虑引入更多的合作伙伴。可以说，SiFive正在疏通和构建RISC-V产业的整体生态。

　　SiFive之外，还有晶心科技、芯来科技、Esperanto、Codasip、Cortus、Pintouge、Syntacore等企业都在做RISC-V IP产品。

　　SiFive基本可以代表目前RISC-V产业中头部企业、顶尖技术的发展情况，但从RISC-V 基金会的情况，则更能反映出产业的参与状况。

　　RISC-V基金会于2015年创立，截止到2019年8月，吸引了全球28个国家327多家会员加入，其中不乏IBM、NXP、西部数据英伟达、高通、三星、谷歌、华为、阿里、Red Hat 与特斯拉巨头的身影。这个由其成员控制的非营利性机构，指导RISC-V未来的发展，并推动RISC-V ISA的被更大范围的采用。RISC-V基金会的成员可以访问和参与RISC-V ISA规范和相关的HW/SW生态系统的开发。

　　从其会员的分布状况来看，RISC-V的生态参与方已经涵盖了科研院所、IC设计公司、IP供应商、EDA工具厂商、以及存储、GPU等芯片销售、终端应用厂商。

来源：安信证券与研究中心

　　从企业参与角度来看，也有许多大公司已经就RISC-V做出了相关行动和计划。比如西部数据还宣布计划将高达每年20亿颗的芯片转向RISC-V架构；英伟达也公开了其在RISC-V方面的研究，指出了在深度神经网络(DNN)中应用RISC-V指令集的可能性；三星也披露了将推出多款采用RISC-V内核架构的芯片；另外，Google、三星和高通在内的约 80 家公司将联合为自动驾驶汽车等应用开发新的 RISC-V 芯片设计，GreenWaves推出了基于RISC-V开源处理器架构的低功率AI物联网（IoT）应用处理器。

　　这一队伍正在扩大，RISC-V的使用和出货量也将快速增长。Semico Research 预计到 2025 年，采用 RISC-V 架构的芯片数量将增至 624 亿颗，2018 年至 2025 年复合增长率高达 146%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。也有国家在政策层面推动RISC-V的发展，比如印度，2017年，印度政府表示将大力资助基于RISC-V的处理器项目，使RISC-V成为了印度的事实国家指令集。

　　中国的RISC-V产业发展情况

　　我国参与RISC-V产业，也从国家政策层有一定的支持。2018年7月，上海成为国内第一个将 RISC-V 列入政府扶持对象的城市。

　　也是在同年，RISC-V的生态联盟在国内成立。2018年10月17日，中国 RISC-V产业联盟（China RISC-V Industry Consortium，简称 CRVIC）在上海张江正式成立，芯原微电子担任联盟首任理事长单位，君正、晶心、芯来、致象尔微担任副理事长单位，截止 2019 年底，联盟已有 130 余家会员单位。

　　2018年11月8日，中国开放指令生态（RISC-V）联盟（China RISC-V Alliance，简称 CRVA）成立，由中国工程院院士、中科院计算技术研究所研究员倪光南任理事长，阿里（中天微）、百度、北京大学、长虹集团、清华大学、腾讯、中芯国际、紫光展锐等为副理事长单位，旨在以 RISC-V 指令集为抓手，联合学术及产业界推动开源开放指令芯片及生态的健康发展。

　　2020年1月13日，中国开放指令生态（RISC-V）联盟2019年会暨武汉产学研创新论坛在武汉顺利召开。武汉RISC-V产学研基地、RISC-V联盟武汉分中心、湖北省RISC-V产学研基地在本次大会上揭牌成立。

来源：安信证券研究中心

　　在企业参与方面，中国企业RISC-V应用已经有了一定进展：

　　2018年9月，华米公司发布了号称全球智能穿戴领域第一颗基于RISC-V的人工智能芯片——黄山1号。

　　2019年7月，平头哥正式发布玄铁910(XuanTie910)，称玄铁910目前业界性能最强的一款RISC-V处理器。

　　国内的资本市场也开始关注到RISC-V。比如本土RISC-V处理器内核IP和生态平台企业“芯来科技”就已经获得了多轮融资，还有上海赛昉、睿芯科微都有获得资本加持。