到底什么是RISC-V芯片

聊芯片前我們先聊聊什么是指令集？要想了解CPU，那不可避免的要了解指令集。我們平常說的X86、ARM芯片，都是指的芯片的指令集架構(gòu)。指令集是軟件和硬件之間的接口，簡(jiǎn)單來說指令集就是軟件與硬件之間溝通的"翻譯官"，是芯片產(chǎn)業(yè)中不可或缺的基礎(chǔ)部分。使用不同的指令集，代表著不同的CPU。目前市面上的CPU分類主要分有兩大陣營(yíng)，一個(gè)是Intel、AMD為首的復(fù)雜指令集（CISC）CPU，另一個(gè)是以IBM、ARM、RISC-V為首的精簡(jiǎn)指令集（RISC）CPU。不同品牌的CPU，其產(chǎn)品的架構(gòu)也不相同，例如，Intel、AMD的CPU是X86架構(gòu)的，而IBM公司的CPU是PowerPC架構(gòu)，ARM公司是ARM架構(gòu)。同時(shí)，不同的芯片廠商按照指令集的設(shè)計(jì)情況分為精簡(jiǎn)指令集和復(fù)雜指令集。那么不同的指令集有啥不同的？不同的指令集決定著CPU的處理方式。從指令集角度來看，CPU的效率主要通過兩種思路來提升：要不通過降低每個(gè)程序所需的指令數(shù)來提升效率，要不通過降低每條指令所需的時(shí)間周期數(shù)來提升效率。CISC更偏重前者，而RISC更側(cè)重后者。目前來看，CISC指令集較為復(fù)雜，提供了豐富的指令，能夠減少程序員的編程工作量。然而，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)這種復(fù)雜性會(huì)導(dǎo)致處理器的性能和能效下降。因此，RISC應(yīng)運(yùn)而生，它采用了一種更簡(jiǎn)單、更高效的設(shè)計(jì)理念，通過優(yōu)化指令集，提高處理器的性能和能效，成為21世紀(jì)以來所有新興領(lǐng)域的絕對(duì)主流。說了這么多，大家可能云里霧里，下面我們通過讓大家了解下舉例來說明下不同指令集的工作原理：精簡(jiǎn)指令集需要定義做飯中的每個(gè)動(dòng)作，需要包含拿錢、拿籃子、買菜、買面、燒水、和面、炒菜等指令。程序要完成做飯這個(gè)指令，需要下達(dá)這些指令來合成做飯這個(gè)動(dòng)作，否則程序不知道該怎么做。對(duì)于CPU來說，每條指令都很簡(jiǎn)單復(fù)雜指令集則不需要知道這么多指令，只需要下達(dá)做飯這個(gè)指令即可，很簡(jiǎn)單。下單完做飯指令，程序會(huì)直接完成全部的動(dòng)作。但是對(duì)于CPU來說，每條指令都很復(fù)雜。那么為啥我們不都用復(fù)雜指令集呢？一條命令就可以輕松完成一整套動(dòng)作？因?yàn)?，有一些時(shí)候，人們只想完成"和面"這一個(gè)步驟，我只想"和面"，那么在復(fù)雜指令集中則沒有這個(gè)指令，你必須來一套這樣的動(dòng)作，這也導(dǎo)致復(fù)雜指令集的CPU在一些專用的領(lǐng)域的性能和能效下降。所以不同指令集的的指令是不可以通用的，即使是相同陣營(yíng)的指令集，每家的指令也是不同的。例如英特爾可能用"111"表示做飯，AMD則可能用"666"表示買菜。因此，CPU和指令集不同，導(dǎo)致相關(guān)產(chǎn)業(yè)生態(tài)不同。▉

RISC-V的誕生聊完指令集，我們了解到，不同的架構(gòu)反映了設(shè)計(jì)者對(duì)同一功能的不同實(shí)現(xiàn)思路。在之前，X86、ARM芯片架構(gòu)一直是用戶采用最多的兩種芯片架構(gòu)。但是X86被英特爾和AMD封閉使用、ARM要收取高昂的授權(quán)費(fèi)用……因此，20世紀(jì)80年代初，加州大學(xué)伯克利分校的DavidPatterson、斯坦福大學(xué)的JohnL.Hennessy等學(xué)者開始嘗試對(duì)傳統(tǒng)的CISC進(jìn)行精簡(jiǎn)，RISC便由此誕生，信息技術(shù)史上浩浩蕩蕩的CISC與RISC之爭(zhēng)拉開帷幕。第一代處理器RISC-I是1980年在伯克利DavePatterson教授主導(dǎo)BerkeleyRISC項(xiàng)目中設(shè)計(jì)而成，就是今天RISC架構(gòu)的基礎(chǔ)。隨后，DavePatterson教授又在1983年發(fā)布RISC-II原型架構(gòu)，在1984年發(fā)布RISCI-III架構(gòu)，在1988年發(fā)布RISC-IV架構(gòu)。在這個(gè)過程中，RISC的設(shè)計(jì)理念催生一系列新架構(gòu)如MIPS、IBMPowerPC以及現(xiàn)在統(tǒng)治嵌入式市場(chǎng)的ARM。在21世紀(jì)初期，受當(dāng)時(shí)開源運(yùn)動(dòng)在操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件領(lǐng)域取得了巨大成功（如Linux和Mozilla）的影響，為開源芯片設(shè)計(jì)帶來了嶄新的前景。時(shí)間來到2010年，當(dāng)時(shí)加州大學(xué)伯克利分校的科研團(tuán)隊(duì)正在為一個(gè)新項(xiàng)目做準(zhǔn)備，在調(diào)研了x86，ARM等現(xiàn)有指令集后，于是決定重新設(shè)計(jì)了一套全新的指令集。在這樣的背景下，RISC-V（即第五代精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）作為開源芯片的代表，正式誕生了。RISC-V這個(gè)名字，代表了UCBerkeley大學(xué)設(shè)計(jì)的第五代RISC芯片。同時(shí)羅馬數(shù)字"V"也暗示了"變種（Variations）"和"向量（Vectors）"，以支持各種體系結(jié)構(gòu)研究，包括各種數(shù)據(jù)并行加速器，也是這個(gè)ISA設(shè)計(jì)的明確目標(biāo)。起初，學(xué)術(shù)界對(duì)于RISC-V的技術(shù)創(chuàng)新性持懷疑態(tài)度，學(xué)者們認(rèn)為這不屬于伯克利分校的教授們的工作，所以，RISC-V在一級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議上并不受到關(guān)注。直到伯克利團(tuán)隊(duì)將RISC-V從概念推進(jìn)到原型芯片，并在2015年成立了非盈利組織--RISC-V基金會(huì)，歷經(jīng)大量的技術(shù)研討會(huì)后，于是，RISC-V慢慢受到大眾的關(guān)注和認(rèn)可。▉

RISC-V哪里不一樣？那么RISC-V具有什么顯著特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)呢？今天我們就來看下：(1)完全開源（自由、免費(fèi)、可控）開源意味著自由、免費(fèi)、可控。對(duì)于RISC-V指令集的使用，RISC-V基金會(huì)不收取高額的授權(quán)費(fèi)。開源采用寬松的BSD協(xié)議，企業(yè)可以完全自由免費(fèi)使用，同時(shí)也允許企業(yè)添加自有指令集，而不必開放共享，實(shí)現(xiàn)差異化發(fā)展。而且不必?fù)?dān)心某一天像X86、ARM芯片架構(gòu)一樣，很容易被限。(2)架構(gòu)簡(jiǎn)單（沒有歷史包袱）與X86和ARM這兩大成熟架構(gòu)相比，RISC-V架構(gòu)具備顯著的后發(fā)優(yōu)勢(shì)。計(jì)算機(jī)架構(gòu)經(jīng)過多年演進(jìn)，更趨于成熟，許多問題已被研究透徹，作為后來者的RISC-V架構(gòu)可以自然而然的加以規(guī)避。同時(shí)，沒有向后兼容的歷史包袱。直觀地說，X86和ARM架構(gòu)的指令多達(dá)數(shù)千條，而RISC-V架構(gòu)僅需100余條指令。此外，簡(jiǎn)潔的架構(gòu)方案還可有效減少錯(cuò)誤發(fā)生（畢竟CPU流片成本是極高的）。(3)模塊化設(shè)計(jì)（像樂高一樣靈活選擇）RISC-V架構(gòu)不僅短小精悍，其不同的部分還能以模塊化的方式組成在一起，從而試圖通過一套統(tǒng)一的架構(gòu)滿足各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。用戶能夠靈活選擇不同的模塊組合，來實(shí)現(xiàn)自己定制化設(shè)備的需要，比如針對(duì)小面積低功耗嵌入式場(chǎng)景，用戶可以選擇RV32IC組合的指令集，僅使用MachineMode(機(jī)器模式)；而高性能應(yīng)用操作系統(tǒng)場(chǎng)景則可以選擇RV32IMFDC指令集，使用MachineMode(機(jī)器模式)與UserMode()戶模式)兩種模式。▉

RISC-V的應(yīng)用場(chǎng)景有哪些？由于不同指令集的特點(diǎn)。精簡(jiǎn)指令集的RISC-V和ARM都有很好的低功耗特性，適合用于嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備等低能耗場(chǎng)景。X86則比較高功耗，適合用于高性能計(jì)算、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等高能耗場(chǎng)景。目前，市場(chǎng)上RISC-V已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域和場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用：物聯(lián)網(wǎng)（IoT）物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常對(duì)功耗和成本有嚴(yán)格的要求，而RISC-V憑借其高能效和靈活性成為了這一領(lǐng)域的理想選擇。在今年6月27日，中國(guó)移動(dòng)正式發(fā)布全球首顆純自研RISC-V架構(gòu)的LTE-Cat.1芯片和移動(dòng)首顆純自研量產(chǎn)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信芯片，他們分別是CM8610LTE-Cat.1和CM6620NB-IoT，兩者在功耗，計(jì)算性能，射頻性能上都非常優(yōu)異。往后RISC-V架構(gòu)會(huì)被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，其內(nèi)置的模塊化設(shè)計(jì)可以很好地滿足低功耗嵌入式設(shè)備需求。再加上開源免費(fèi)的優(yōu)勢(shì)，讓RISC-V成為未來潛力無限的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)平臺(tái)。人工智能（AI）：RISC-V架構(gòu)提供人工智能需要的高性能處理器，同時(shí)也可以被設(shè)計(jì)為支持向量處理器（VectorProcessor），提供更高的并行計(jì)算能力，優(yōu)化不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法和應(yīng)用程序。邊緣計(jì)算（Edge）邊緣計(jì)算需要在設(shè)備端進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，對(duì)處理器的性能和能效有較高要求。RISC-V的簡(jiǎn)潔高效設(shè)計(jì)使其成為邊緣計(jì)算的理想選擇。移動(dòng)設(shè)備：RISC-V處理器可被優(yōu)化為節(jié)能模式，以延長(zhǎng)移動(dòng)設(shè)備的電池壽命。同時(shí)，基于RISC-V架構(gòu)的靈活性，處理器可以被定制以滿足特定的應(yīng)用需求，提供高性能和低功耗的優(yōu)點(diǎn)。服務(wù)器：RISC-V架構(gòu)提高性能和改善能效比，從而降低數(shù)據(jù)中心的能源和運(yùn)營(yíng)成本。其也可以被設(shè)計(jì)為多核處理器，提供更高的并行計(jì)算能力和更好的負(fù)載均衡。RISC-V的開放性和靈活性也使得處理器可以滿足不同的特定的服務(wù)器應(yīng)用需求。開發(fā)者社區(qū)與教育由于RISC-V的開放性，全球的開發(fā)者和研究人員都可以參與到其生態(tài)建設(shè)中來。許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)將RISC-V納入教學(xué)和研究計(jì)劃，培養(yǎng)下一代硬件工程師。同時(shí)，也有越來越多的開發(fā)者社區(qū)和活動(dòng)圍繞RISC-V展開，推動(dòng)技術(shù)交流和創(chuàng)新。不僅如此，由于RISC-V架構(gòu)的開放性、靈活性和適應(yīng)性使它成為全球芯片設(shè)計(jì)者的首選之一。研究機(jī)構(gòu)CounterpointResearch的數(shù)據(jù)顯示，到2025年，RISC-V在IoT市場(chǎng)占有率將達(dá)到28％，在工業(yè)市場(chǎng)的占有率將達(dá)到12％，在汽車市場(chǎng)的占有率將達(dá)到10％。▉

RISC-V的挑戰(zhàn)當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用，目前RISC-V還有許多挑戰(zhàn)需要面對(duì)：首先是生態(tài)建設(shè)。盡管RISC-V已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但其生態(tài)系統(tǒng)仍然相對(duì)落后于其他主流指令集架構(gòu)，如ARM和x86。要實(shí)現(xiàn)廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用，RISC-V需要在軟件兼容性、開發(fā)工具、操作系統(tǒng)等方面加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)。其次是技術(shù)成熟度。雖然RISC-V在部分領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成功，但在一些高性能計(jì)算場(chǎng)景下，其技術(shù)成熟度仍然不足。要在更激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)，RISC-V需要在性能、功耗和成本等方面進(jìn)一步優(yōu)化。第三，在商業(yè)模式與合作方面。由于RISC-V的開放性，企業(yè)在使用和發(fā)布RISC-V產(chǎn)品時(shí)需要面臨一定的商業(yè)挑戰(zhàn)。要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，RISC-V需要探索適合自身的商業(yè)模式，并與全球的合作伙伴共同推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)應(yīng)用。▉

國(guó)內(nèi)RISC-V機(jī)遇與挑戰(zhàn)在中國(guó)政府芯片自主可控戰(zhàn)略的推動(dòng)下，許多中國(guó)企業(yè)已開始研發(fā)和生產(chǎn)基于RISC-V架構(gòu)的芯片，RISC-V架構(gòu)將逐漸成為中國(guó)芯片設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的重要一步，幫助中國(guó)在芯片開發(fā)和生態(tài)建設(shè)方面取得成就。目前，國(guó)產(chǎn)芯片制造商對(duì)RISC-V架構(gòu)的積極參與已經(jīng)取得了一系列顯著的進(jìn)展。華為、阿里巴巴、等知名企業(yè)都在積極研發(fā)RISC-V芯片，他們的加入為RISC-V架構(gòu)的發(fā)展帶來了更多的可能性和機(jī)遇。例如，華為自主研發(fā)的麒麟處理器中就使用了RISC-V指令集架構(gòu)。這種積極投入不僅提升了中國(guó)芯片制造商在國(guó)際舞臺(tái)上的競(jìng)爭(zhēng)力，也加速了RISC-V生態(tài)系統(tǒng)的形成和完善。相信隨著更多中國(guó)芯片廠商的加入，RISC-V架構(gòu)將在未來發(fā)展趨勢(shì)中展現(xiàn)出更為蓬勃的生機(jī)與潛力。下面我們來看下RISC-V芯片對(duì)國(guó)內(nèi)發(fā)展有一定影響重要事件：2018年9月中國(guó)RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟宣布成立，截至2020年5月，擁有123家會(huì)員單位。2018年11月中國(guó)開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟宣布成立，由倪光南院士擔(dān)任聯(lián)盟理事長(zhǎng)。2018年11月RISC-V基金會(huì)中國(guó)顧問委員會(huì)宣布成立。2019年7月阿里巴巴平頭哥發(fā)布高性能玄鐵910RISC-V處理器。2019年8月兆易創(chuàng)新發(fā)布全球首個(gè)基于RISC-V內(nèi)核32位通用MCU。兆易創(chuàng)新攜手本土RISC-V處理器內(nèi)核IP芯來科技面向物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合開發(fā)了該MCU處理器內(nèi)核。2020年3月基金會(huì)總部從美國(guó)搬遷到瑞士?；饡?huì)宣稱搬遷是基于持續(xù)保證對(duì)開源技術(shù)和軟件的支持以及規(guī)避可能帶來的政治風(fēng)險(xiǎn)等諸多因素的綜合考量的決定。2023年8月，2023RISC-V中國(guó)峰會(huì)在京開幕，中國(guó)工程院院士倪光南，RISC-V國(guó)際基金會(huì)CEO卡莉斯塔？雷德蒙德，峰會(huì)主席、中國(guó)科學(xué)院軟件研究所副所長(zhǎng)武延軍，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所副所長(zhǎng)包云崗出席峰會(huì)開幕式并致辭，卡莉斯塔·雷德蒙德在大會(huì)上做了主旨報(bào)告。從最初的沒幾家，到現(xiàn)在幾十家，我這匯總一下當(dāng)前正在RISC-V設(shè)計(jì)方向創(chuàng)業(yè)的公司（或者團(tuán)隊(duì)），方便大家參考，順便感受下國(guó)內(nèi)在這個(gè)方向的研發(fā)熱度。排名不分先后，數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)，如有遺漏錯(cuò)誤歡迎留言補(bǔ)充。1.奕斯偉(原京東方董事長(zhǎng)王東升)：自研RISC-Vcore，SoC，北京2.藍(lán)芯(原字節(jié)CPU負(fù)責(zé)人盧山)：自研高性能RISC-Vcore，北京3.時(shí)擎科技：自研RISC-Vcore，上海張江4.中科睿芯(中科院計(jì)算所范東睿)：自研RISC-Vcore，北京5.中科聲龍(中科院計(jì)算所博后汪福全)：自研RISC-Vcore，北京6.騰訊：自研RISC-Vcore，深圳7.字節(jié)：自研RISC-Vcore和ARMSoc8.百度：自研RISC-Vcore，北京9.阿里平頭哥：自研RISC-Vcore和ARMSoc10.賽防中國(guó)：自研RISC-VcoreIP，北上11.芯來科技：自研RISC-VcoreIP，北上武漢12.進(jìn)迭時(shí)空(原阿里平頭哥910團(tuán)隊(duì))：自研高性能RISC-Vcore，杭州，北京13.海思：自研RISC-Vcore，ARMcore，SoC，北上深、西安等14.微核芯：自研RISC-Vcore，北京15.開源芯片研究院(中科院計(jì)算所)：自研RISC-Vcore，北深16.希奧端(原海思網(wǎng)絡(luò))：ARMSoC+自研RISC-Vcore，北深17.超?？萍迹鹤匝蠷ISC-Vcore，上海18.算能科技：自研RISC-Vcore，北京19.旭日辰芯(原Intel中國(guó)總裁楊旭)：自研RISC-Vcore，北京20.隼瞻科技：自研RISC-Vcore，南京21.睿思芯科(RISC-V團(tuán)隊(duì)譚章熹)：自研RISC-Vcore，深圳22.奧維領(lǐng)芯(塞昉SoCteam聯(lián)創(chuàng))：自研RISC-Vcore和SoC，北京23.群芯閃耀科技：自研RISC-Vcore，北京24.華米科技：自研RISC-VIoTCPU25.紫光展銳：自研RISC-Vcore，北京26.中興通訊：自研RISC-Vcore，深圳27.兆易創(chuàng)新：自研RISC-Vcore，北京28.中科院：自研RISC-Vcore，北京29.智原科技：自研RISC-Vcore，上海30.海光：自研RISC-Vcore，北京31.飛利信：自研RISC-Vcore，北京32.樂芯：自研RISC-Vcore，上海33.沁恒：自研RISC-Vcore，南京34.中微半導(dǎo)體：自研RISC-Vcore，深圳35.瑞薩電子：自研RISC-Vcore，北京36.中科藍(lán)訊：自研RISC-Vcore，深圳37.核芯互聯(lián)：自研RISC-Vcore，北京38.匯頂科技：自研RISC-Vcore，深圳數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，包括IP內(nèi)核與芯片設(shè)計(jì)等主要內(nèi)容在內(nèi)，中國(guó)目前有300家以上公司在關(guān)注RISC-V或以RISC-V指令集進(jìn)行開發(fā)。然而，盡管RISC-V架