北京市 RISC-V 產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展研究

北京市RISC-V產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展研究(一)RISC-V的產(chǎn)生和開源RISCVriskfive)是一個(gè)基于精簡指令集(RISC)原則的開源指令集架構(gòu)(ISA)。2010年，加州大學(xué)伯克利分校一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的新項(xiàng)目需要采用一種處理器指令集。在分析了ARM、MIPS、SPARC、X86等多個(gè)成熟指令集后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)它們不僅設(shè)計(jì)復(fù)雜，還存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題，于是決定從零開始設(shè)計(jì)一套全新的指令集，并將其目標(biāo)設(shè)定為能滿足從微控制器到超級(jí)計(jì)算機(jī)等各種尺寸的處理器、種微結(jié)構(gòu)、能支持大量的定制與加速功能、以及能和現(xiàn)有軟件棧與編程語言很好的適配。同時(shí)，設(shè)定該指令集最重要的特征就是要穩(wěn)定——不會(huì)改變和消失。該指令集設(shè)計(jì)非常簡單，采用了基礎(chǔ)指令集與擴(kuò)展指令集分離的方式?；A(chǔ)指令集包含指令數(shù)量不足50條，但已完全可以用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)具備定點(diǎn)運(yùn)算和特權(quán)模式等基本功能的處理器；擴(kuò)展指令集提供了一些常用的原子操作指令、浮點(diǎn)運(yùn)算指令等，用戶也可根據(jù)需求進(jìn)行自定義。這種設(shè)計(jì)方式使該指令集既保留了“簡單”的特性，又賦予了用戶充分的靈活性。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，指令集ISA作為軟硬件接口的一種說明和描述規(guī)范，不應(yīng)像ARM、PowerPC、X86等指令集一樣需要付費(fèi)授權(quán)才能使用，而應(yīng)該開放(Open)和免費(fèi)(Free)，因此決定對(duì)其開源，并選擇了對(duì)商業(yè)集成非常友好的BSD開源協(xié)議。于是，一套全新的開放指令集RISC-V就此誕生——全世界任何公司、大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)與個(gè)人都可以開發(fā)兼容RISC-V指令集的處理器并融入到基于RISC-V構(gòu)建的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)，而無需為指令集支付任何費(fèi)用。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)RISC-V寄予厚望，希望它能被應(yīng)用到各種場合，從微控制器到超級(jí)計(jì)算機(jī)；也希望它能像Linux通過開源成為全世界操作系統(tǒng)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)之一那樣，最終成為全世界處理器指令集的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，為下一個(gè)50年計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新做出奠基性貢獻(xiàn)。(二)RISC-V基金會(huì)第一版RISC-V發(fā)布后并未引起廣泛關(guān)注，也未取得預(yù)期反響，反而備受多方質(zhì)疑。一方面，很多學(xué)術(shù)界人士認(rèn)為RISC-V指令集毫無技術(shù)創(chuàng)新，使之難以取得學(xué)術(shù)界的認(rèn)可；另一方面，工業(yè)界對(duì)于這種由學(xué)術(shù)界推出的新指令集持觀望態(tài)度，主要原因在于，處理器的性能與選擇哪種指令集關(guān)系不大，開放指令集并不具有性能優(yōu)勢。2011年以來，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于RISC-V指令集的順序執(zhí)行的64位處理器核心(代號(hào)為Rocket)，并前后基明RISC-VRocket處理器核已具有良好的競爭力。為了凝聚全世界的力量共同構(gòu)建開放、合作的軟硬件社區(qū)，打造RISC-V生態(tài)系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)在2015年成立了非盈利組織RISC-V基金會(huì)(RISC-VFoundation)。至今為止，已有三百多鎂光、英偉達(dá)、高通、三星、西部數(shù)據(jù)等國際領(lǐng)軍企業(yè)以及加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)、ETHZurich、印度理工學(xué)院、洛倫茲國家實(shí)驗(yàn)室、新加坡南洋理工大學(xué)以及中科院計(jì)算所等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)。這些企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)均可通過RISC-V基金會(huì)這個(gè)平臺(tái)參與指令集規(guī)范的演進(jìn)以及軟硬件生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。為了降低潛在的技術(shù)出口法律限制風(fēng)險(xiǎn)，減輕來自地緣政治的潛在破壞，同時(shí)為了確?；饡?huì)更加中立、開放和包容，2018全球RISC-V愛好者的廣泛好評(píng)。隨后中國企業(yè)界和學(xué)術(shù)界加速了參與和融入RISC-V基金會(huì)的進(jìn)程。RISC-V基金會(huì)的日常運(yùn)營由董事會(huì)負(fù)責(zé)，董事會(huì)由四名常務(wù)理事和十六名理事構(gòu)成，其中的中方理事有九名，占比達(dá)到45%。二、北京市RISC-V應(yīng)用現(xiàn)狀在當(dāng)前我國大力提倡尖端技術(shù)自主可控的背景之下，RISC-V的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)我國打破芯片市場壟斷、實(shí)現(xiàn)芯片自主可控和增強(qiáng)芯片業(yè)創(chuàng)新能力所體現(xiàn)的重要意義將越來越明顯。RISC-V指令集因其設(shè)計(jì)簡單的特性和開源大大降低了集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)的進(jìn)入門檻，促使我國大量科研機(jī)構(gòu)和集成電路企業(yè)投身RISC-V產(chǎn)業(yè)生態(tài)中，紛紛采用該指令集進(jìn)行集成電路設(shè)計(jì),并加快了產(chǎn)環(huán)節(jié)，提供了難得的發(fā)展機(jī)遇。有數(shù)據(jù)顯示，中國大約有400家以上的公司都在關(guān)注或以RISC-V指令集進(jìn)行開發(fā)，其中不少企業(yè)已經(jīng)基于RISC-V指令集構(gòu)建了開源芯片關(guān)鍵技術(shù)，并推出了相關(guān)產(chǎn)品。北京市是我國集成電路產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，市內(nèi)IC成熟指令集外，多數(shù)新成立的企業(yè)在集成電路設(shè)計(jì)操作中采用了RISC-V指令集。主要原因在于，近年來AIoT領(lǐng)域的崛起促使北京市IC設(shè)計(jì)企業(yè)擁抱RISC-V。一方面，智能音箱、智能家居等需要邊緣計(jì)算能力支撐的AI硬件對(duì)架構(gòu)的靈活性要求更高，需要不斷根據(jù)市場和技術(shù)的變化來進(jìn)行調(diào)整，而RISC-V的特性正好可以滿足不斷添加新指令的訴求。另一方面，AIoT廠商對(duì)于成本更為敏感，RISC-V免除了昂貴的指令集授權(quán)費(fèi)用，可以激活更多不具備自主設(shè)計(jì)SoC能力的企業(yè)加入生態(tài)建設(shè)的行列中來，開發(fā)多樣化的RISC-V設(shè)備，以充分的創(chuàng)新來激活整個(gè)開發(fā)生態(tài)圈。實(shí)際上，北京市企業(yè)推出的RISC-V構(gòu)架芯片，如中關(guān)村芯SART易創(chuàng)新GD32VF103等系列芯片，都瞄準(zhǔn)的是物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)大市場。雖然如此，還是有科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)投身RISC-V構(gòu)架通用芯片的研發(fā)，如中科院計(jì)算所發(fā)布的“香山”就是一款開源高性能RISC-V處理器核，這些成果不斷擴(kuò)展著北京市IC設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)使用RISC-V指令集的廣度和深度，下文擇其代表性企業(yè)進(jìn)行一一介紹。(一)通用計(jì)算芯片CPU云崗發(fā)布了國產(chǎn)開源高性能RISC-V處理器核心——香山。香山是一款開源RISC-V處理器核，它的架構(gòu)代號(hào)以湖命名，第一版工藝。2、北京君正(二)人工智能芯片1、希姆計(jì)算北京希姆計(jì)算科技有限公司(StreamComputingInc.)成芯片設(shè)計(jì)公司。希姆計(jì)算自主研發(fā)的NeuralScaleNPC核心架構(gòu)是以RISC-V指令集為基礎(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)展、面向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的專用計(jì)算核心，具有世界領(lǐng)先水平的能效比(PowerEfficiency)和極致的可編程性，能夠滿足云端多樣化的人工智能算法與應(yīng)用的需(三)區(qū)塊鏈芯片比特大陸是最早采用RISC-V指令集設(shè)計(jì)區(qū)塊鏈芯片的企業(yè)2、北京微芯區(qū)塊鏈與邊緣計(jì)算研究院的長安鏈重大成果發(fā)布會(huì)上，發(fā)布了全球首款96核區(qū)塊鏈專用加速芯片，該芯片基于RISC-V開放指令集定制設(shè)計(jì)專用處理器內(nèi)核，保障了核心技術(shù)自主可控。四)物聯(lián)網(wǎng)芯片MCU1、兆易創(chuàng)新兆易創(chuàng)新于2005年創(chuàng)立于北京，產(chǎn)品包括各類存儲(chǔ)器、控制器及周邊產(chǎn)品，是國內(nèi)規(guī)模較大的非易失性存儲(chǔ)器(NVM)制造商之一。2019年8月22日，兆易創(chuàng)新正式發(fā)布了基于RISC-V將可被應(yīng)用在工業(yè)控制、消費(fèi)性電子、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、邊緣運(yùn)算及人工智慧等市場。中關(guān)村芯園(北京)有限公司(以下簡稱“芯園公司”)由中關(guān)村發(fā)展集團(tuán)作為控股股東組建，為北京地區(qū)集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)提供公共技術(shù)服務(wù)的平臺(tái)公司。其SAR-T6系列產(chǎn)品，性能對(duì)工控、機(jī)電MCU、輕量級(jí)智能以及眾核智能應(yīng)用等。3、核芯互聯(lián)科技有限公司以及穩(wěn)定性，適用于家電、工控領(lǐng)域以及物聯(lián)網(wǎng)等場景。(五)數(shù)字信號(hào)處理器DSP中科昊芯是一家數(shù)字信號(hào)處理器專業(yè)供應(yīng)商，基于開源指令集架構(gòu)RISC-V，打造了多個(gè)系列數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)品，并構(gòu)建了完善的處理器產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)，產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于圖形圖像處理、數(shù)字信號(hào)處理、工業(yè)控制及電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)字電源、運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域。三、問題與建議(一)面臨的問題1、北京集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展增速放緩“十三五”時(shí)期北京集成電路產(chǎn)業(yè)總量和增長率經(jīng)歷了先漲加到2020年超過900億元,年均復(fù)合增長率為8.4%。如果不考慮設(shè)備、材料等支撐業(yè),北京集成電路產(chǎn)業(yè)年均復(fù)合增長率為5.7%。對(duì)比全國集成電路產(chǎn)業(yè)的同期數(shù)據(jù),從總量上看,北京集成電路產(chǎn)業(yè)“十三五”時(shí)期占全國的比重從16%下降到8%,從增速上看,北京增速5.7%不到全國增速19.4%的三分之一。北京集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展增速放緩，一定程度上影響了北京RISC-V企業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，與北京國際創(chuàng)新中心的定位和長期以來國內(nèi)領(lǐng)先的集成電路產(chǎn)業(yè)地位極不相符。表1.2015-2020年北京與全國集成電路產(chǎn)業(yè)復(fù)合增長率對(duì)比(數(shù)據(jù)來源：中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì))速全行業(yè)(不含設(shè)備全行業(yè)(不含設(shè)備2、集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域下滑嚴(yán)重，產(chǎn)業(yè)政策尚待完善集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域一直是北京集成電路產(chǎn)業(yè)的支柱環(huán)節(jié),長期以來在全行業(yè)的占比超過50%，但是2020年，北京在國內(nèi)集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的規(guī)模占有率從32%下降到13%，北京和深圳、上海在國內(nèi)集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域三分天下的格局也被打破。其中設(shè)計(jì)領(lǐng)域快速下滑的原因之一是紫光展銳、豪威科技兩家規(guī)模超百億的頭部企業(yè)總部由北京遷到上海。同時(shí)，紫光展銳還是RISC-V事會(huì)理事之一。而RSIC-V在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域中所體現(xiàn)的價(jià)值已經(jīng)得到了國內(nèi)其他城市政府部門的密切關(guān)注。2018年7月，上海經(jīng)信委出臺(tái)了國內(nèi)首個(gè)支持RISC-V的政策，將從事RISC-V相關(guān)設(shè)計(jì)和開發(fā)的公司作為扶持對(duì)象，隨后中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)發(fā)布的《北京市“十四五”時(shí)期高精尖產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，提出建設(shè)基于RISC-V的區(qū)塊鏈專用芯片、模組、硬件，支持范圍并表2.2015年和2020年北京集成電路產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)占全國比重對(duì)比(數(shù)據(jù)來源：中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì))成電路產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域國比重RISCV域有著雄厚的科研實(shí)力，中科院計(jì)算所、中科院軟件所都是RISC-V基金會(huì)核心成員，中國科學(xué)院計(jì)算技一。但是北京的相關(guān)科研院校和集成電路頭部企業(yè)未能形成合力，諸多共性技術(shù)未能有序布局、合作攻關(guān)，重復(fù)投入導(dǎo)致資源浪費(fèi)嚴(yán)重，產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制有待完善。4、北京市在RISC-V基金會(huì)中的話語權(quán)偏弱名常委和十六名理事構(gòu)成，其中的中方理事占比達(dá)到45%(中方海的紫光展銳、杭州的阿里、深圳的華為中興等產(chǎn)業(yè)頭部企業(yè)，但是北京只有希姆計(jì)算一家企業(yè)，還非產(chǎn)業(yè)頭部企業(yè)，北京在RISC-V基金會(huì)的話語權(quán)相對(duì)上海、深圳仍需加強(qiáng)。(二)發(fā)展建議1、加強(qiáng)政策支持，優(yōu)化營商環(huán)境RISC-V產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成長為全球集成電路生態(tài)中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，而且隨著時(shí)間的推移，其地位會(huì)越來越重要。在當(dāng)前我國在國家層面對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)大力支持的背景之下，北京市在制定RISC-V產(chǎn)業(yè)支持政策之時(shí)，要對(duì)標(biāo)上海、深圳等城市的相關(guān)政策，圍繞科研項(xiàng)目、金融服務(wù)、人才引進(jìn)、應(yīng)用場景等多方面考慮政策的有效性和精準(zhǔn)性，通過政策引導(dǎo)扶持北京RISC-V產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。積極發(fā)揮行業(yè)協(xié)會(huì)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等行業(yè)組織作用,聚焦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的痛點(diǎn)、堵點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)開展服務(wù),提升產(chǎn)業(yè)服務(wù)的便利性、標(biāo)準(zhǔn)性,為產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造良好的產(chǎn)業(yè)環(huán)境,增強(qiáng)企業(yè)獲得感和滿意度，通過持續(xù)優(yōu)化營商環(huán)境，達(dá)到留住企業(yè)、留住人才的目的。2、建立基于RISC-V的創(chuàng)新聯(lián)合體，加速生態(tài)建設(shè)建議在北京聯(lián)合有關(guān)科研院所、企業(yè)、社會(huì)組織、開源社區(qū)共同開發(fā)RISC-V共性基礎(chǔ)技術(shù)，圍繞原始創(chuàng)新、技術(shù)轉(zhuǎn)移與專利共享、人才培養(yǎng)等方面