浙江圖靈算力研究院-RISC-V芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告 2024

1RISC-V芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告浙江圖靈算力研究院二。二四年2 3 5 5 22 28 50 54 75 101 104 104 3一.計(jì)算機(jī)指令集基本情況計(jì)算機(jī)的程序是由一系列的指令組成的，指令就是要計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令。從計(jì)算機(jī)組成的層次結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)的指令有微指令、機(jī)器指令和宏指令之分。指令系統(tǒng)是指機(jī)器所具有的全部指令的集合，它反映了計(jì)算機(jī)所擁有的基本功能。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中，硬件設(shè)計(jì)人員采用各種手段實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)，而軟件設(shè)計(jì)人員則使用這些指令系統(tǒng)編制各種各樣的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，用這些軟件來(lái)填補(bǔ)硬件的指令系統(tǒng)與人們習(xí)慣的使用方式之間的語(yǔ)義差距。因此，指令系統(tǒng)是軟件設(shè)計(jì)人員與硬件設(shè)計(jì)人員之間的一個(gè)主要分界面，也是他們之間互相溝通的一座橋梁。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的，它必須由軟件設(shè)計(jì)人員與硬件設(shè)計(jì)人員來(lái)共同完成。設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)就是要選擇計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一些基本操作（包括操作系統(tǒng)和高級(jí)語(yǔ)言中的）應(yīng)由硬件實(shí)現(xiàn)還是由軟件實(shí)現(xiàn)，選擇某些復(fù)雜操作是由一條專用的指令實(shí)現(xiàn)，還是由一串基本指令實(shí)現(xiàn)，然后具體確定指令系統(tǒng)的指令格式、類型、操作以及對(duì)操作數(shù)的訪問(wèn)方式。指令系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的演變過(guò)程。20世紀(jì)50至60年代，當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，由于技術(shù)的限制，計(jì)算機(jī)大多數(shù)都是采用分立元件的晶體管或電子4管組成，因?yàn)橛?jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)數(shù)量也不大，只有定點(diǎn)加減、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)移等十幾至幾十條指令，尋址方式也比較簡(jiǎn)單。20世紀(jì)60年代中期，集成電路的出現(xiàn)，讓計(jì)算機(jī)的體積、價(jià)格、能耗等方面都得到了下降，整體的硬件功能也得到了一定的提升，整個(gè)指令系統(tǒng)變得更加豐富，增加了乘除運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算、十進(jìn)制運(yùn)算、字符串處理等指令，指令數(shù)目多達(dá)一二百條，尋址方式也趨多樣化。當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)速度很慢，特別是存儲(chǔ)速度非常慢，廣泛使用的慢速磁帶存儲(chǔ)設(shè)備以及大容量?jī)?nèi)存的缺乏，讓計(jì)算機(jī)對(duì)每一字節(jié)空間的應(yīng)用都很珍惜。在這樣的情況下，人們傾向于在一條指令中完成更多的工作，比如“從內(nèi)存和寄存器讀取數(shù)據(jù)相加后，寫入內(nèi)存”。這實(shí)際上是四條指令，首先是從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，其次是從寄存器讀取數(shù)據(jù)，第三是相加，最后才是寫入內(nèi)存。一條指令可以完成四項(xiàng)工作，這是當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的主流設(shè)計(jì)方案。20世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)的普及說(shuō)明了整個(gè)計(jì)算機(jī)性能有了一個(gè)更大的提升，但是其中出現(xiàn)的軟件危機(jī)卻為指令系統(tǒng)帶來(lái)了新的轉(zhuǎn)機(jī)。IBM以及其他企業(yè)的從業(yè)人員發(fā)現(xiàn)，目前的PC發(fā)展方向存在一定的問(wèn)題。如果按照現(xiàn)在指令集發(fā)展的方向繼續(xù)發(fā)展的話，那么現(xiàn)有的指令集系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越復(fù)雜。而同時(shí)期編譯器的流行，讓這種情況發(fā)生了變化：5一方面指令集越來(lái)越復(fù)雜，一方面編譯器卻很少使用這么多復(fù)雜的指令集。而且如此多的復(fù)雜指令，CPU難以對(duì)每一個(gè)指令都做出優(yōu)化，甚至部分復(fù)雜指令本身耗費(fèi)的時(shí)間反而更多。對(duì)這件事情的總結(jié)，就是后來(lái)著名的“8020”定律，也就是在所有的指令集中，只有20%最常用，80%基本上罕有問(wèn)津。20世紀(jì)80年代，精簡(jiǎn)指令集開(kāi)始出現(xiàn)。這種指令集的優(yōu)勢(shì)在于將計(jì)算機(jī)中最常用的20%的指令集集中優(yōu)化，而剩下的不常用的80%則采用拆分為常用指令集等方式運(yùn)行。隨著RISC微處理器迅速發(fā)展，人們又發(fā)現(xiàn)RISC指令系統(tǒng)并不能充分實(shí)現(xiàn)指令級(jí)并行處理，從而影響了計(jì)算機(jī)性能的進(jìn)一步提高，又出現(xiàn)了超長(zhǎng)指令字（VLIW）計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)。在上世紀(jì)80年代中末期，大量基于RISC的新指令集和產(chǎn)品的問(wèn)世，讓人們看到了精簡(jiǎn)指令集的威力。SGI的工作站基于MIPS，速度超群；IBM的Power系列堪稱巨型計(jì)算機(jī)的首選產(chǎn)品；還有DECAlpha架構(gòu)的處理器，都是RISC的代表之作。二.計(jì)算機(jī)指令集簡(jiǎn)介（一）CISC和RISC指令集特點(diǎn)1.CISC指令集CISC是指復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（ComplexInstruction6SetComputer）。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜，要求計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的構(gòu)造能使計(jì)算機(jī)的整體性能更快更穩(wěn)定。最初，人們采用的優(yōu)化方法是通過(guò)設(shè)置一些功能復(fù)雜的指令，把一些原來(lái)由軟件實(shí)現(xiàn)的、常用的功能改用硬件的指令系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，以此來(lái)提高計(jì)算機(jī)的執(zhí)行速度，這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就被稱為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱CISC。為了支持復(fù)雜指令集，CISC通常包括一個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)通路和一個(gè)微程序控制器。微程序控制器由一個(gè)微程序存儲(chǔ)器、一個(gè)微程序計(jì)數(shù)器（MicroPC）和地址選擇邏輯構(gòu)成。在微程序存儲(chǔ)器中的每一個(gè)字都表示一個(gè)控制字，并且包含了一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)所有數(shù)據(jù)通路控制信號(hào)的值。這就意味著控制字中的每一位表示一個(gè)數(shù)據(jù)通路控制線的值。例如，它可以用于加載寄存器或者選擇ALU中的一個(gè)操作。此外每個(gè)處理器指令都由一系列的控制字組成。當(dāng)從內(nèi)存中取出這樣的一條指令時(shí)，首先把它放在指令寄存器中，然后地址選擇邏輯再根據(jù)他來(lái)確定微程序存儲(chǔ)器中相應(yīng)的控制字順序起始地址。當(dāng)把該起始地址放入MicroPC中后，就從微程序內(nèi)存中找到相應(yīng)的控制字，并利用它在數(shù)據(jù)通路中把數(shù)據(jù)從一個(gè)寄存器傳送到另一個(gè)寄存器。由于MicroPC中的地址并發(fā)遞增來(lái)指向下一個(gè)控制字，因此對(duì)于序列中的每個(gè)控制器都會(huì)重復(fù)一遍這一步驟。最終，當(dāng)執(zhí)7行完最后一個(gè)控制字時(shí)，就從內(nèi)存中取出一條新的指令，整個(gè)過(guò)程會(huì)重復(fù)進(jìn)行。由此可見(jiàn)，控制字的數(shù)量及時(shí)鐘周期的數(shù)目對(duì)于每一條指令都可以是不同的。因此在CISC中很難實(shí)現(xiàn)指令流水操作。另外，速度相對(duì)較慢的微程序存儲(chǔ)器需要一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)鐘周期。由于指令流水和短的時(shí)鐘周期都是快速執(zhí)行程序的必要條件，因此CISC體系結(jié)構(gòu)對(duì)于高效處理器略有挑戰(zhàn)。CISC指令集主要具有以下特點(diǎn)。一是指令系統(tǒng)復(fù)雜。指令數(shù)較多，一般大于100條。尋址方式和指令格式較多，一般大于4種。二是絕大多數(shù)指令需要多個(gè)機(jī)器時(shí)鐘周期才能執(zhí)行完畢。三是各種指令都可以訪問(wèn)存儲(chǔ)器。從計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)，人們一直沿用CISC指令集方式。早期的桌面軟件是按CISC設(shè)計(jì)的，并一直沿用。桌面計(jì)算機(jī)流行的X86體系結(jié)構(gòu)即使用CISC。微處理器（CPU）廠商一直在走CISC的發(fā)展道路，早期典型代表企業(yè)包括英特微處理器中，程序的各條指令是按順序串行執(zhí)行的，每條指令中的各個(gè)操作也是按順序串行執(zhí)行的。順序執(zhí)行的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，但計(jì)算機(jī)各部分的利用率不高，執(zhí)行速度慢。Intel公司的X86系列CPU是典型的CISC體系的結(jié)構(gòu)，從最初的8086到后來(lái)的Pentium系列，每出一代新的CPU，8都會(huì)有自己新的指令，而為了兼容以前的CPU平臺(tái)上的軟件，舊的CPU的指令集又必須保留，這就使指令的解碼系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜。CISC可以有效地減少編譯代碼中指令的數(shù)目，使取指操作所需要的內(nèi)存訪問(wèn)數(shù)量達(dá)到最小化。此外CISC可以簡(jiǎn)化編譯器結(jié)構(gòu)，它在處理器指令集中包含了類似于程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言結(jié)構(gòu)的復(fù)雜指令，這些復(fù)雜指令減少了程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言之間的語(yǔ)義差別，而且簡(jiǎn)化了編譯器的結(jié)構(gòu)。（2）CISC指令集主要問(wèn)題一是CISC中各種指令的使用頻度相差很懸殊，大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，大約有20%的指令使用頻度比較高，占據(jù)了80%的處理機(jī)時(shí)間。換句話說(shuō)，有80%的指令只在20%的處理機(jī)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)才被用到。二是VLSI的集成度迅速提高，使得生產(chǎn)單芯片處理機(jī)成為可能。在單芯片處理機(jī)內(nèi)，希望采用規(guī)整的硬布線控制邏輯，不希望用微程序。而在CISC處理機(jī)中，大量使用微程序技術(shù)以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指令系統(tǒng)，給VLSI工藝造成很大困難。三是雖然復(fù)雜指令簡(jiǎn)化了目標(biāo)程序，縮小了高級(jí)語(yǔ)言與機(jī)器指令之間的語(yǔ)義差距，然而增加了硬件的復(fù)雜程度，會(huì)使指令的執(zhí)行周期大大加大，從而有可能使整個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間反而增加。92.RISC指令集RISC是指精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（ReducedInstructionSetComputer是在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的，其基本思想是盡量簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)指令功能，只保留那些功能簡(jiǎn)單、能在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行完成的指令，而把較復(fù)雜的功能用一段子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于CISC技術(shù)在發(fā)展中出現(xiàn)了問(wèn)題，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先驅(qū)者們嘗試從另一條途徑來(lái)支持高級(jí)語(yǔ)言及適應(yīng)VLSI技術(shù)特點(diǎn)。1975年IBM公司JohnCocke提出了精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)的設(shè)想。到了1979年，美國(guó)加州大學(xué)伯克萊分校由Patterson教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組，首先提出了RISC這一術(shù)語(yǔ)，并先后研制了RISC-I和RISC-II計(jì)算機(jī)。1981年美國(guó)的斯坦福大學(xué)在Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)下的研究小組研制了MIPSRISC計(jì)算機(jī)，強(qiáng)調(diào)高效的流水和采用編譯方法進(jìn)行流水調(diào)度，使得RISC技術(shù)設(shè)計(jì)風(fēng)格得到很大補(bǔ)充和發(fā)展。RISC處理器所設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)應(yīng)使流水線處理能高效率執(zhí)行，并使優(yōu)化編譯器能生成優(yōu)化代碼。RISC為使流水線高效率執(zhí)行，應(yīng)具有下述特征1）簡(jiǎn)單而統(tǒng)一格式的指令譯碼2）大部分指令可以單周期執(zhí)行完成3）只有LOAD和STORE指令可以訪問(wèn)存儲(chǔ)器4）簡(jiǎn)單的尋址方式5）采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)6）采用LOAD延遲技術(shù)。RISC為使優(yōu)化編譯器便于生成優(yōu)化代碼，應(yīng)具有下述特征：（1）三地址指令格式2）較多的寄存器3）對(duì)稱的指令格式。RISC的關(guān)鍵技術(shù)包括：一是延時(shí)轉(zhuǎn)移技術(shù)。在轉(zhuǎn)移指令之后插入了一條有效的指令，而轉(zhuǎn)移指令好像被延遲執(zhí)行了，因此，把這種技術(shù)稱為延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)。采用指令延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)時(shí)，指令系列的調(diào)整由編譯器自動(dòng)進(jìn)行，一般不需要人來(lái)干預(yù)。二是指令取消技術(shù)。采用指令延時(shí)技術(shù)，遇到條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，調(diào)整指令系列非常困難，在許多情況下找不到可以用來(lái)調(diào)整的指令。有些RISC處理機(jī)采用指令取消技術(shù)，在使用指令取消技術(shù)的處理機(jī)中，所有轉(zhuǎn)移指令和數(shù)據(jù)變換指令都可以決定下面待執(zhí)行的指令是否應(yīng)該取消。如果指令被取消，其效果相當(dāng)于執(zhí)行了一條空操作指令，不影響程序的運(yùn)行環(huán)境。三是重疊寄存器窗口技術(shù)。基本思想是在處理機(jī)中設(shè)置一個(gè)數(shù)量比較大的寄存器堆，并把它劃分成很多窗口。每個(gè)過(guò)程使用其中相鄰的三個(gè)窗口和一個(gè)公共的窗口，而在這些窗口中有一個(gè)窗口是與前一個(gè)過(guò)程共用，還有一個(gè)窗口是與下一個(gè)過(guò)程共用的。與前一過(guò)程共用的窗口可以用來(lái)存放前一過(guò)程傳送給本過(guò)程的參數(shù)，同時(shí)也存放本過(guò)程傳送給前一過(guò)程的計(jì)算結(jié)果。同樣，與下一過(guò)程共用的窗口可以用來(lái)存放本過(guò)程傳送給下一過(guò)程的參數(shù)和存放下一過(guò)程傳送給本過(guò)程的計(jì)算結(jié)果。四是指令流調(diào)整技術(shù)。為了使RISC處理機(jī)中的指令流水線高效率的工作，盡量不斷流，優(yōu)化編譯器必須分析程序的數(shù)據(jù)流和控制流。當(dāng)發(fā)現(xiàn)指令流有斷流可能時(shí)，要調(diào)整指令列。對(duì)有些可以通過(guò)變量重新命名來(lái)消除的數(shù)據(jù)相關(guān)，要盡量消除。如此可以提高流水線的執(zhí)行效率，縮短程序的執(zhí)行時(shí)間。五是硬件為主固件為輔。指令系統(tǒng)用微程序?qū)崿F(xiàn)的主要優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜指令，便于修改指令系統(tǒng)，增加了機(jī)器的靈活性和適應(yīng)性。主要缺點(diǎn)是執(zhí)行速度低。RISC要求主要指令能在單周期內(nèi)執(zhí)行完成，采用微程序技術(shù)是不可能做到的。因此，RISC必須主要采用硬連線邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)。對(duì)于那些必須的復(fù)雜指令，也可用固件（微程序技術(shù)）實(shí)現(xiàn)。因此，目前商用的RISC處理機(jī)在實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)時(shí)，一般都采用以硬件為主固件為輔的方法。早期的微處理器大部分為復(fù)雜指令集架構(gòu)，即設(shè)計(jì)盡可能復(fù)雜的指令來(lái)完成任務(wù)，原因之一是當(dāng)時(shí)的編譯技術(shù)并不發(fā)達(dá)。而隨著編譯器技術(shù)以及其他技術(shù)的發(fā)展，研究人員漸漸發(fā)現(xiàn)多數(shù)的復(fù)雜指令只在很少的時(shí)候被用到，而且復(fù)雜的指令限制了處理器速度的進(jìn)一步提高。精簡(jiǎn)指令集技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，IBM801可能是第一個(gè)用精簡(jiǎn)指令集的理念來(lái)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，并逐步發(fā)展成為了今天的Power架構(gòu)。RISC項(xiàng)目并設(shè)計(jì)了其第一代的處理器RISCI，這就是RISC這個(gè)名稱的由來(lái)。SunMicrosystem（現(xiàn)在的Oracle）的SPARC處理器架構(gòu)也有很多BerkeleyRISC影子在里面。差不多同時(shí)，斯坦福的教授JohnHennessy（現(xiàn)為Google董事長(zhǎng)）和他的團(tuán)隊(duì)也從課程設(shè)計(jì)出發(fā)設(shè)計(jì)了MIPS處理器的早期雛形，并最終孵化為MIPSTechnologies公司，后來(lái)被ImaginationTechnologies收購(gòu)。MIPS架構(gòu)被廣泛用于路由器芯片中。而ARM作為迄今為止發(fā)展最好的RISC指令集，由于成功的商業(yè)化運(yùn)作，現(xiàn)在已經(jīng)無(wú)處不在。（2）RISC指令集主要問(wèn)題RISC的主要問(wèn)題是編譯后生成的目標(biāo)代碼較長(zhǎng)，占用了較多的存儲(chǔ)器空間。但由于半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，使得RAM芯片集成度不斷提高和成本不斷下降，目標(biāo)代碼較長(zhǎng)已不成為主要問(wèn)題。RISC技術(shù)存在另一個(gè)潛在缺點(diǎn)是對(duì)編譯器要求較高，除了常規(guī)優(yōu)化方法外，還要進(jìn)行指令順序調(diào)度，甚至能替代通常流水線中所需的硬件聯(lián)鎖功能。（二）主流指令集架構(gòu)（ISA）介紹1.X86架構(gòu)基于CISC（復(fù)雜指令集）的X86架構(gòu)是一種為了便于編程和提高存儲(chǔ)器訪問(wèn)效率的芯片設(shè)計(jì)體系，包括兩大主要特點(diǎn)：一是使用微代碼，指令集可以直接在微代碼存儲(chǔ)器里執(zhí)行，新設(shè)計(jì)的處理器，只需增加較少的晶體管電路就可以執(zhí)行同樣的指令集，也可以很快地編寫新的指令集程式；二是擁有龐大的指令集，X86擁有包括雙運(yùn)算元格式、寄存器到寄存器、寄存器到存儲(chǔ)器以及存儲(chǔ)器到寄存器的多種指令類型，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作，微處理器除向程序員提供類似各種寄存器和機(jī)器指令功能外，還通過(guò)存于只讀存儲(chǔ)器(ROM)中的微程序來(lái)實(shí)現(xiàn)極強(qiáng)的功能，微處理器在分析完每一條指令之后執(zhí)行一系列初級(jí)指令運(yùn)算來(lái)完成所需的功能。X86指令體系的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在能夠有效縮短新指令的微代碼設(shè)計(jì)時(shí)間，允許實(shí)現(xiàn)CISC體系機(jī)器的向上兼容，新的系統(tǒng)可以使用一個(gè)包含早期系統(tǒng)的指令集合。另外，微程序指令的格式與高階語(yǔ)言相匹配，因而編譯器并不一定要重新編寫。相較RISC（精簡(jiǎn)指令集）體系，X86指令體系也有其缺點(diǎn)。一是通用寄存器規(guī)模小，X86指令集只有8個(gè)通用寄存器，CPU大多數(shù)時(shí)間是在訪問(wèn)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，影響整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行速度。而RISC系統(tǒng)往往具有非常多的通用寄存器，并采用了重疊寄存器窗口和寄存器堆等技術(shù)，使寄存器資源得到充分的利用。二是解碼器影響性能表現(xiàn)，解碼器的作用是把長(zhǎng)度不定的X86指令轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)度固定的類似于RISC的指令，并交給RISC內(nèi)核。解碼分為硬件解碼和微解碼，對(duì)于簡(jiǎn)單的X86指令只要硬件解碼即可，速度較快，而遇到復(fù)雜的X86指令則需要進(jìn)行微解碼，并把它分成若干條簡(jiǎn)單指令，速度較慢且很復(fù)雜。三是X86指令集尋址范圍小，約束用戶需要。四是X86的復(fù)雜指令集單個(gè)指令長(zhǎng)度不同，運(yùn)算能力強(qiáng)大，不過(guò)相對(duì)來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響執(zhí)行效率。相反，ARM的精簡(jiǎn)指令集單個(gè)指令長(zhǎng)度固定，只包含使用頻率最高的少量指令，性能一般但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率穩(wěn)定。（2）X86架構(gòu)主導(dǎo)PC、服務(wù)器CPU市場(chǎng)從企業(yè)角度看，Intel對(duì)X86架構(gòu)擁有較強(qiáng)的掌控力。一方面，持續(xù)的高額投入支撐絕對(duì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。僅2015年，Intel在芯片研發(fā)方面投入就達(dá)121億美元，通過(guò)強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力支撐“Tick-Tock”戰(zhàn)略，持續(xù)優(yōu)化架構(gòu)、提升工藝實(shí)現(xiàn)CPU能力提升；同時(shí)通過(guò)并購(gòu)獲取新技術(shù)，如以167億美元收購(gòu)阿爾特拉（Altera）布局CPU+FPGA技術(shù)，以支撐數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。另一方面，專用CPU制造工藝使得其CPU芯片擁有更強(qiáng)的性能。Intel仍然堅(jiān)持自主設(shè)計(jì)、自主制造、自主封裝和測(cè)試、自主銷售和推廣的IDM（垂直整合制造）模式，通過(guò)對(duì)CPU全流程的控制，尤其是自主設(shè)計(jì)和制造互相融合、互相促進(jìn)、不斷優(yōu)化，發(fā)揮出CPU專用制造工藝的最大潛力。然而，必須指出的是X86架構(gòu)并未在移動(dòng)終端領(lǐng)域形成優(yōu)勢(shì)。這主要是因?yàn)橐苿?dòng)終端等消費(fèi)市場(chǎng)突出低功耗、低成本、易定制、常升級(jí)的特性，ARM以開(kāi)放式合作吸引眾多芯片設(shè)計(jì)企業(yè)和軟件企業(yè)構(gòu)成龐大生態(tài)體系，ARM架構(gòu)占據(jù)超過(guò)90%的市場(chǎng)份額。2.ARM架構(gòu)ARM精簡(jiǎn)指令集是為了提高處理器運(yùn)行速度而設(shè)計(jì)的芯片體系，它的關(guān)鍵技術(shù)在于流水線操作即在一個(gè)時(shí)鐘周期里完成多條指令。相較復(fù)雜指令集CISC而言，以RISC為架構(gòu)體系的ARM指令集的指令格式統(tǒng)一、種類少、尋址方式少。簡(jiǎn)單的指令意味著相應(yīng)硬件線路可以盡量做到最佳化，從而提高執(zhí)行速率，但因?yàn)橹噶罴木?jiǎn)，所以許多工作必須組合簡(jiǎn)單的指令，而針對(duì)復(fù)雜組合的工作便需要由編譯程序來(lái)執(zhí)行。而CISC體系的X86指令集因?yàn)橛布峁┑闹噶罴^多，所以許多工作都能夠以一個(gè)或是數(shù)個(gè)指令來(lái)代替，編譯的工作因而減少了許多。ARM指令集架構(gòu)的主要特點(diǎn)：一是體積小、低功耗、低成本、高性能；二是大量使用寄存器且大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成，指令執(zhí)行速度更快；三是尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；四是指令長(zhǎng)度固定，可通過(guò)多流水線方式提高處理效率。（2）ARM的發(fā)展情況ARM架構(gòu)CPU初期在技術(shù)上不占優(yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)份額上更是完全比不上IntelCPU，其初期發(fā)展也很困難。然而在最先受到Nokia青睞后，逐步帶動(dòng)了意法、英飛凌、TI等公司選用ARM產(chǎn)品。Intel公司的XScale（StrongARM）系列芯片、Motorola公司的DragonBall系列芯片與TI公司OMAP系列芯片都嵌入了ARM公司的IP核。最終讓它在功能終端時(shí)代站穩(wěn)了腳跟。隨著智能終端時(shí)代的到來(lái)，蘋果選用ARM架構(gòu)使其在智能終端時(shí)代快速擴(kuò)張。在蘋果公司的帶動(dòng)下，高通公司更是將ARM架構(gòu)芯片推上了技術(shù)和市場(chǎng)的新高度，高通的專利授權(quán)模式迅速將ARM芯片推廣到各個(gè)領(lǐng)域。ARM處理器小體積、低功耗、低成本、高性能和16/32位雙指令集等特點(diǎn)，適用于嵌入控制、消費(fèi)/教育類多媒體、DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）和移動(dòng)式應(yīng)用等諸多領(lǐng)域，在全球擁有超過(guò)1000家授權(quán)合作伙伴，ARM+Android的生態(tài)體系建設(shè)愈發(fā)完善，使得它在移動(dòng)領(lǐng)域全面勝出。隨著移動(dòng)市場(chǎng)的成功，ARM開(kāi)始向服務(wù)器、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域滲透。在服務(wù)器領(lǐng)域已有多家公司開(kāi)發(fā)基于ARM架構(gòu)芯片的產(chǎn)品；在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，除了提供基礎(chǔ)芯片IP核之外，ARM公司還推出開(kāi)源、免費(fèi)的mbedOS等，產(chǎn)品至今推出一年有余，其參與企業(yè)數(shù)量、開(kāi)發(fā)者數(shù)量、開(kāi)發(fā)環(huán)境使用次數(shù)等均呈現(xiàn)出翻倍增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，未來(lái)成長(zhǎng)潛力巨大。3.MIPS架構(gòu)MIPS是高效精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的一種，是較為純正的RISC指令集，與ARM架構(gòu)相比，MIPS的優(yōu)勢(shì)主要有五點(diǎn)：一是早于ARM支持64位指令和操作；二是MIPS有專門的除法器，可以執(zhí)行除法指令；三是MIPS的內(nèi)核寄存器比ARM多一倍，在同樣的性能下MIPS的功耗會(huì)比ARM更低，同樣功耗下性能比ARM更高；四是MIPS指令比ARM稍微多一些，執(zhí)行部分運(yùn)算更為靈活；五是MIPS在架構(gòu)授權(quán)方面更為開(kāi)放，允許授權(quán)商自行更改設(shè)計(jì)，如更多核的設(shè)計(jì)。同時(shí)，MIPS架構(gòu)也存在一些不足之處：一是MIPS的內(nèi)存地址起始有問(wèn)題，這導(dǎo)致了MIPS在內(nèi)存和cache的支持方面都有限制，即MIPS單內(nèi)核無(wú)法面對(duì)高容量?jī)?nèi)存配置；二是MIPS技術(shù)演進(jìn)方向是并行線程，類似Intel的超線程，而ARM發(fā)展方向是物理多核，從目前核心移動(dòng)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看物理多核占據(jù)了上風(fēng)；三是MIPS雖然結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，但是執(zhí)行指令流水線周期遠(yuǎn)不如ARM高效；四是MIPS學(xué)院派發(fā)展風(fēng)格導(dǎo)致其商業(yè)進(jìn)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于ARM，當(dāng)ARM與高通、蘋果、NVIDIA等芯片設(shè)計(jì)公司合作大舉進(jìn)攻移動(dòng)終端的時(shí)候，MIPS還停留在高清盒子、打印機(jī)等小眾市場(chǎng)產(chǎn)品中；五是MIPS自身系統(tǒng)的軟件平臺(tái)也較為落后，應(yīng)用軟件與ARM體系相比要少很多。（2）MIPS架構(gòu)在競(jìng)爭(zhēng)困境中發(fā)展MIPS架構(gòu)是1980年代初期由美國(guó)斯坦福大學(xué)研發(fā)出來(lái)的，并在1984年成立了MIPS計(jì)算機(jī)公司。1992年，MIPS計(jì)算機(jī)公司被SGI收購(gòu)，并于1998年脫離SGI成為MIPS技術(shù)公司。1999年，MIPS公司發(fā)布MIPS32和MIPS64架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，為未來(lái)MIPS處理器的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。2012年，MIPS技術(shù)公司由于經(jīng)營(yíng)問(wèn)題尋求出售，最終80%專利被ARM聯(lián)合其他公司以3.5億美元收購(gòu)，剩余20%專利和架構(gòu)授權(quán)被Imagination公司以1億美元收購(gòu)。相對(duì)于CISC來(lái)說(shuō)，基于RISC的處理器的執(zhí)行指令要少的多，MIPS架構(gòu)作為32位和64位RISC處理器架構(gòu)的先驅(qū)，在微結(jié)構(gòu)、64位和多線程技術(shù)方面有其優(yōu)勢(shì)，因而其技術(shù)專利持續(xù)受到芯片設(shè)計(jì)與架構(gòu)設(shè)計(jì)企業(yè)的青睞。2012年BridgeCrossing代表了以ARM為主的IBM、Intel、Google、惠普、思科、愛(ài)立信、Verizon等26家其他架構(gòu)設(shè)計(jì)企業(yè)收購(gòu)其80%專利，正是為了今后躲避專利風(fēng)險(xiǎn)。雖然MIPS架構(gòu)有其特色，但一直并未形成規(guī)?；挠布_(kāi)發(fā)環(huán)境。一方面，在X86和ARM生態(tài)的擠壓下，支持MIPS指令集的外圍硬件新產(chǎn)品較之前大幅下降，嚴(yán)重影響了MIPS架構(gòu)產(chǎn)品的市場(chǎng)空間；另一方面，MIPS架構(gòu)大量的架構(gòu)授權(quán)也造成被授權(quán)的芯片廠商常常自己修改一部分EJTAG協(xié)議，并且只對(duì)少數(shù)指定的第三方公開(kāi)修改的部分，因而造成MIPS開(kāi)發(fā)工具支持不夠廣泛的局面，難以形成規(guī)?；慕y(tǒng)一生態(tài)體系。在2012年Imagination收購(gòu)MIPS團(tuán)隊(duì)和業(yè)務(wù)后，有效提升了MIPS處理器的開(kāi)發(fā)實(shí)力，并且主導(dǎo)建立了MIPS開(kāi)源社區(qū)PRPL基金會(huì)，旨在共同推進(jìn)MIPS架構(gòu)與IP的持續(xù)向前發(fā)展。該開(kāi)源社區(qū)聯(lián)合了博通、Cavium、Ikanos、InedaSystems、君正、Lantiq、NevalesNetworks、PMC和高通等14家MIPS設(shè)計(jì)企業(yè)的力量，并將最新的免費(fèi)工具鏈、相關(guān)程序庫(kù)、通用平臺(tái)、調(diào)試器、探針和軟件，以及開(kāi)發(fā)環(huán)境提供給所有的MIPS使用者，形成完備的設(shè)計(jì)鏈。4.POWER架構(gòu)POWER架構(gòu)是由IBM設(shè)計(jì)的一種RISC處理器架構(gòu)，全稱為“PerformanceOptimizationWithEnhancedRISC”。POWER在大型機(jī)領(lǐng)域獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，并且歷代POWER處理器都在技術(shù)突破上獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。POWER1一經(jīng)推出，便成為當(dāng)時(shí)最強(qiáng)大的服務(wù)器處理器，與當(dāng)時(shí)HP的PA-RISC、Sun的Sparc、Intel的486等RISC處理器不同，POWER1進(jìn)行了功能劃分，實(shí)現(xiàn)了超標(biāo)量計(jì)算的能力。它還有單獨(dú)的浮點(diǎn)寄存器，可適應(yīng)從低端到高端的UNIX工作站。POWER3是全球首款64位架構(gòu)處理器，開(kāi)始應(yīng)用銅芯片和SOI（絕緣體上硅）技術(shù)。直至POWER7依然追求最高性能，不僅具備亂序執(zhí)行、智能線程等技術(shù)，還實(shí)現(xiàn)了SMP（對(duì)稱多處理技術(shù)）的硬件一致性處理。在高端服務(wù)器領(lǐng)域，POWER的大規(guī)模SMP系統(tǒng)性能大幅超越X86。POWER系統(tǒng)在硬件層面的可靠性、可用性、可維護(hù)性（RAS）方面明顯強(qiáng)于X86系統(tǒng)。Intel只提供處理器，整機(jī)需要廠商自己設(shè)計(jì)，因此，大多中小廠商依靠Intel的公版方案做白牌整機(jī)方案，這與IBM從芯片開(kāi)始設(shè)計(jì)的整機(jī)方案無(wú)法相比。此外，POWER機(jī)器使用AIX操作系統(tǒng)（IBM為POWER專門開(kāi)發(fā)的類UNIX操作系統(tǒng)在系統(tǒng)穩(wěn)定性、軟件方案集成度（例如備份軟件、集群文件系統(tǒng)等）、廠商技術(shù)支持能力等方面強(qiáng)于開(kāi)放平臺(tái)，非常適合關(guān)鍵性應(yīng)用行業(yè)。在小型機(jī)領(lǐng)域，因?yàn)閄86利用巨大市場(chǎng)分?jǐn)傑浻布邪l(fā)成本，使得其性價(jià)比優(yōu)勢(shì)極大，導(dǎo)致POWER的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)Windows/Linux的進(jìn)取是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。與此同時(shí)，由于Google的崛起，云計(jì)算的興盛，現(xiàn)在分布式系統(tǒng)的成熟度越來(lái)越高，系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越不依賴幾臺(tái)小型機(jī)來(lái)提供穩(wěn)定性和可靠性，而是通過(guò)集群來(lái)提供，性能也能夠通過(guò)分布式的處理來(lái)解決。所以，X86的使用越來(lái)越廣泛，而且最新的一些低成本和高效能的新技術(shù)都在X86體系下得到應(yīng)用（X86市場(chǎng)占有率高而POWER系列由于其封閉的特性，反而難以得到應(yīng)用，POWER系列的小型機(jī)優(yōu)勢(shì)越來(lái)越不明顯。（2）IBM開(kāi)放POWER架構(gòu)由于基于POWER架構(gòu)芯片的IBM服務(wù)器業(yè)務(wù)在IntelX86架構(gòu)服務(wù)器業(yè)務(wù)的沖擊下，無(wú)論是營(yíng)收還是市場(chǎng)份額均處在大幅下滑狀態(tài)。為了分?jǐn)偝杀荆?013年8月，在POWER8發(fā)布之后，IBM決定向外部開(kāi)發(fā)者開(kāi)放POWER芯片架構(gòu)，允許第三方企業(yè)對(duì)這一產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，促成了OpenPOWER基金會(huì)（聯(lián)盟）成立。隨著IBM于2014年初將其X86服務(wù)器業(yè)務(wù)出售給聯(lián)想之后，POWER系列（芯片及服務(wù)器）僅為IBM尚具硬件業(yè)務(wù)的主攻方向。OpenPOWER基金會(huì)是一家全球性的開(kāi)放式研發(fā)成員組（Mellanox）等，旨在促進(jìn)和鼓勵(lì)基于POWER架構(gòu)的協(xié)作創(chuàng)新。OpenPOWER基金會(huì)會(huì)員能夠定制POWER處理器、并基于POWER平臺(tái)開(kāi)發(fā)自己的硬件系統(tǒng)、固件、操作系統(tǒng)、中間件、云平臺(tái)以及企業(yè)應(yīng)用軟件，從而在硬件、軟件和整體解決方案三個(gè)層面，以最大限度滿足其業(yè)務(wù)和組織需OpenPOWER基金會(huì)從一開(kāi)始就定位為它并不是一個(gè)屬于IBM的組織，IBM也只是其中的一分子。OpenPOWER為此成立了理事會(huì)，負(fù)責(zé)OpenPOWER的核心運(yùn)營(yíng)。POWER的開(kāi)放與X86相比有三個(gè)特點(diǎn)。一是POWER的開(kāi)放程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Intel的X86架構(gòu)，Intel暫時(shí)是不可能開(kāi)放其核心技術(shù)的。在開(kāi)源POWER生態(tài)圈，IBM跟合作伙伴的合作從最底層的芯片開(kāi)始，有非常豐富多樣的合作模式，可以形成多種生態(tài)系統(tǒng)。二是可實(shí)現(xiàn)差異化的高性能產(chǎn)品。X86系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)非常激烈，而且同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重。IBM提供特殊的API讓用戶為特定負(fù)載定制有特殊I/O的處理器。三是可協(xié)助應(yīng)用遷移。在開(kāi)源POWER之前，IBM就與合作伙伴開(kāi)始力推各種新老應(yīng)用向POWERLinux的遷POWER技術(shù)的Linux開(kāi)發(fā)中心。三.RISC-V架構(gòu)發(fā)展簡(jiǎn)介（一）RISC-V的提出及早期發(fā)展歷程1.RISC-V提出背景在計(jì)算機(jī)科學(xué)的初期階段，復(fù)雜指令集（CISC）架構(gòu)占據(jù)了主導(dǎo)地位，如Intel的x86系列。x86是一種計(jì)算機(jī)中央處理器（CPU）指令集架構(gòu)，最初由英特爾公司開(kāi)發(fā)。它是早期IBMPC機(jī)的主要處理器架構(gòu)之一，現(xiàn)在仍然廣泛應(yīng)用于Windows和Linux等多種操作系統(tǒng)的平臺(tái)中。x86作為一種CISC架構(gòu)，支持大量不同的指令，可以快速執(zhí)行各種不同的計(jì)算。隨著1980年代計(jì)算需求的增長(zhǎng)和技術(shù)的進(jìn)步，簡(jiǎn)單而高效的計(jì)算機(jī)架構(gòu)一直是業(yè)界的興趣所在。與CISC架構(gòu)形成對(duì)比的是，精簡(jiǎn)指令集（RISC）架構(gòu)強(qiáng)調(diào)指令的簡(jiǎn)潔性和高效執(zhí)行。例如，Arm架構(gòu)就是RISC架構(gòu)的一個(gè)典型代表，通過(guò)簡(jiǎn)化指令集來(lái)提高處理器的性能和能效比，尤其在移動(dòng)和嵌入式設(shè)備領(lǐng)域表現(xiàn)卓越。RISC架構(gòu)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是通常使用固定長(zhǎng)度的指令，這一點(diǎn)簡(jiǎn)化了指令的解碼過(guò)程，并因此提高了處理速度。2000年前后，x86和Arm成為了市場(chǎng)上的兩大主導(dǎo)架構(gòu)。x86主要應(yīng)用于個(gè)人電腦和服務(wù)器領(lǐng)域，而Arm則在移動(dòng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)中占據(jù)了主導(dǎo)地位。這一時(shí)期，芯片架構(gòu)的發(fā)展受到了專利和版權(quán)的嚴(yán)格控制，這種控制限制了架構(gòu)的創(chuàng)新和定制化發(fā)展。在2010年左右，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的DavidPatterson教授與KrsteAsanovi?教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)著手探索一種新型的指令集架構(gòu)。他們的愿景是創(chuàng)造一種既高效又靈活的指令集，能夠適應(yīng)不斷變化的技術(shù)需求，同時(shí)擺脫x86和Arm的限制，RISC-V應(yīng)運(yùn)而生。2.發(fā)展過(guò)程2010年，作為對(duì)當(dāng)時(shí)市場(chǎng)狀態(tài)的直接響應(yīng)Asanovic教授啟動(dòng)了開(kāi)源計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研究項(xiàng)目，與他的幾位研究生YunsupLee、AndrewWaterman等一起開(kāi)始為期3個(gè)月的暑期項(xiàng)目，從零開(kāi)始設(shè)計(jì)一套指令集，為學(xué)術(shù)界和工業(yè)用戶提供幫助。DavidPatterson作為伯克利RISC的發(fā)起人，也參與了該項(xiàng)目，RISC-V是他在伯克利基于RISC長(zhǎng)期合作研究項(xiàng)目的第五代。Patterson在1981年發(fā)表了RISC-I和RISC-II，1984年參考SOAR架構(gòu)發(fā)布了第三代這一階段，參與項(xiàng)目的學(xué)生提供了初始軟件、模擬和CPU設(shè)計(jì)。RISC-V基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算原則，旨在創(chuàng)建一種通用而高效的計(jì)算框架，提供一種開(kāi)源、高效且靈活的指令集架構(gòu)。它繼承了前幾代RISC架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，如簡(jiǎn)潔的指令集和高效的執(zhí)行路徑，同時(shí)通過(guò)引入開(kāi)源的概念，打破了由少數(shù)幾家公司控制的架構(gòu)發(fā)展模式。區(qū)別于市場(chǎng)主導(dǎo)的x86和Arm架構(gòu)，RISC-V的開(kāi)源特性允許無(wú)版權(quán)約束的使用、修改和分發(fā)，從而激發(fā)了全球技術(shù)社區(qū)的廣泛興趣。其設(shè)計(jì)理念的簡(jiǎn)約性和強(qiáng)大性，也預(yù)示著現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的一場(chǎng)重大變革。起源于學(xué)術(shù)界的RISC-V與x86和Arm形成了鮮明對(duì)比。x86，由英特爾和AMD主導(dǎo)，長(zhǎng)期以來(lái)一直是個(gè)人電腦和服務(wù)器市場(chǎng)的主導(dǎo)架構(gòu)；Arm架構(gòu)，因其高能效比而在移動(dòng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。相比之下，RISC-V作為一個(gè)后起之秀，憑借其開(kāi)放性和靈活性，在各個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域迅速嶄露頭角。2015年谷歌、惠普、IBM、微軟、甲骨文、英偉達(dá)、高通等公司與加州大學(xué)伯克利分校合作成立RISC-V基金會(huì)，旨在基于RISC-V指令集架構(gòu)構(gòu)建一個(gè)開(kāi)放、協(xié)作的軟硬件創(chuàng)新社區(qū)，推動(dòng)RISC-V指令集標(biāo)準(zhǔn)不斷完善、在不同行業(yè)內(nèi)被采用。2018年11月，RISC-V基金會(huì)宣布與Linux基金會(huì)進(jìn)行聯(lián)合合作。作為合作的一部分，Linux基金會(huì)為RISC-V國(guó)際協(xié)會(huì)提供運(yùn)營(yíng)、技術(shù)和戰(zhàn)略支持，包括成員管理、會(huì)計(jì)、培訓(xùn)項(xiàng)目、基礎(chǔ)設(shè)施工具、社區(qū)服務(wù)、市場(chǎng)營(yíng)銷、法律以及其他開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)和專業(yè)知識(shí)。這一合作也延續(xù)至今。2018年，RISC-V基金會(huì)吸收來(lái)自全球社區(qū)參與者的建議，對(duì)地緣政治格局進(jìn)行詳盡的考慮，為保障對(duì)RISC-V長(zhǎng)期的戰(zhàn)略投資，必須確保知識(shí)產(chǎn)權(quán)訪問(wèn)的連續(xù)性。RISC-V基金會(huì)在2018年12月峰會(huì)上首次提出將注冊(cè)地遷移到中立國(guó)家瑞士，緩解人們對(duì)于政治干擾開(kāi)放合作模式的擔(dān)憂。2019年11月，RISC-V基金會(huì)正式宣布總部注冊(cè)地將從美International，簡(jiǎn)稱RVI）。作為一個(gè)非盈利的會(huì)員組織，RISC-V國(guó)際協(xié)會(huì)不涉及對(duì)任何產(chǎn)品或服務(wù)的商業(yè)利益；RISC-V國(guó)際協(xié)會(huì)遵守所有美國(guó)法律，在美國(guó)沒(méi)有任何出口限制。2020年3月，RISC-V國(guó)際協(xié)會(huì)在瑞士成立，同時(shí)，RISC-V國(guó)際協(xié)會(huì)開(kāi)始轉(zhuǎn)向構(gòu)建一個(gè)全新的、更具包容性的會(huì)員結(jié)構(gòu)。RISC-V國(guó)際協(xié)會(huì)的成員可以訪問(wèn)和參與RISC-V指令集規(guī)范及擴(kuò)展、相關(guān)硬件和軟件的開(kāi)發(fā)。RISC-V國(guó)際協(xié)會(huì)設(shè)有一個(gè)由會(huì)員代表組成的董事會(huì)，以及一個(gè)由技術(shù)工作組負(fù)責(zé)人組成的技術(shù)委員會(huì)。RISC-V國(guó)際協(xié)會(huì)鼓勵(lì)企業(yè)、機(jī)構(gòu)及個(gè)人愛(ài)好者加入其生態(tài)系統(tǒng)，共同開(kāi)啟處理器創(chuàng)新的新時(shí)代，通過(guò)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)源協(xié)作實(shí)現(xiàn)。RISC-V國(guó)際協(xié)會(huì)貢獻(xiàn)全球標(biāo)準(zhǔn)許可證，這種開(kāi)源許可方法，不受任何地理法規(guī)的限制，促進(jìn)全球社區(qū)共同合作。RISC-V的初始目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)可以在學(xué)術(shù)領(lǐng)域使用的開(kāi)源指令集架構(gòu)，使用者無(wú)需支付版稅既可在任何硬件或軟件設(shè)計(jì)中部署。與商業(yè)IP不同的是，RISC-V指令集標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目的每個(gè)設(shè)計(jì)都做了相應(yīng)決策解釋RISC-V指令集采用BSD許可協(xié)議，BSD許可協(xié)議英文為BerkeleySoftwareDistributionLicence，源于加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的UNIX操作系統(tǒng)，是自由軟件中使用最廣泛的許可協(xié)議之一。RISC-V創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)認(rèn)為指令集作為軟硬件接口的說(shuō)明和規(guī)范，應(yīng)該是開(kāi)放的。RISC-V選擇的BSD許可協(xié)議允許使用者修改和重新發(fā)布源代碼，同時(shí)也允許基于開(kāi)源代碼進(jìn)行商業(yè)軟件的開(kāi)發(fā)和銷售。指令集規(guī)范定義了32位和64位地址空間變體。規(guī)范還包括對(duì)128位地址空間變體的描述，作為32位和64位變體的衍生。截至2023年，對(duì)這種大型內(nèi)存系統(tǒng)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)還很少，因此128位ISA標(biāo)準(zhǔn)還處于計(jì)劃狀態(tài)。全球開(kāi)發(fā)者和商業(yè)公司對(duì)RISC-V持續(xù)的關(guān)注并不僅僅因?yàn)樗且豁?xiàng)偉大的新芯片技術(shù)，更因?yàn)樗且粋€(gè)全球性的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，可以將軟件移植到該標(biāo)準(zhǔn)上，并且允許任何人自由開(kāi)發(fā)自己的硬件來(lái)運(yùn)行軟件。RISC-V國(guó)際組織不管理或提供任何開(kāi)放的RISC-V實(shí)現(xiàn)，它只維護(hù)RISC-V指令集標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，RISC-V軟件由各自的開(kāi)源軟件項(xiàng)目管理。為了建立一個(gè)不斷增長(zhǎng)的龐大用戶社區(qū)，積累設(shè)計(jì)和軟件經(jīng)驗(yàn)，RISC-V指令集的設(shè)計(jì)滿足各種對(duì)算力不同需求的場(chǎng)景，如緊湊型、高性能和低功耗的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，而不會(huì)為了某個(gè)特定微架構(gòu)進(jìn)行過(guò)度設(shè)計(jì)。大量貢獻(xiàn)者的需求也助力RISC-V被用于解決許多可能用途。對(duì)設(shè)計(jì)者而言，指令集位于硬件和軟件之間，是計(jì)算機(jī)中的關(guān)鍵接口。如果有一個(gè)開(kāi)放可供所有人使用的指令集，可以通過(guò)使軟件復(fù)用從而顯著降低軟件成本。這種開(kāi)發(fā)方式也會(huì)觸發(fā)硬件提供商之間的競(jìng)爭(zhēng)升級(jí)，他們可以節(jié)省在共性開(kāi)發(fā)方面的支持投入，從而投入更多資源專注于硬件設(shè)計(jì)。據(jù)RISC-V國(guó)際協(xié)會(huì)2023年數(shù)據(jù)顯示，目前已有基于RISC-V的硬件114款（包含SoC、IP、FPGA支持RISC-V架構(gòu)的軟件工具50+類，包含開(kāi)發(fā)工具、操作系統(tǒng)、固件等。這種開(kāi)源策略大大促進(jìn)了RISC-V的接受度和應(yīng)用范圍，激發(fā)了全球范圍內(nèi)的合作和創(chuàng)新。目前，RISC-V已經(jīng)在RISC-V國(guó)際協(xié)會(huì)的管理下成為開(kāi)放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。RISC-V的開(kāi)源模式為計(jì)算行業(yè)帶來(lái)了新的動(dòng)力。它不僅促進(jìn)了技術(shù)的快速發(fā)展和迭代，還為各公司和研究機(jī)構(gòu)提供了與老牌企業(yè)同臺(tái)競(jìng)技的機(jī)會(huì)，通過(guò)這種方式，RISC-V正在重新定義芯片設(shè)計(jì)和制造的生態(tài)系統(tǒng)。（二）RISC-V主要特點(diǎn)1.指令集簡(jiǎn)介RISC-V是一個(gè)典型三操作數(shù)、加載-存儲(chǔ)形式的RISC架構(gòu)，包括三個(gè)基本指令集和6個(gè)擴(kuò)展指令集，其中RV32E是RV32I的子集，不單獨(dú)計(jì)算。集指令與RV32I一樣，16個(gè)寄存器，用于嵌入式集M8AFDQC“I”開(kāi)頭的指令集定義為標(biāo)準(zhǔn)整數(shù)指令集（前綴RV32或者RV64取決于整數(shù)寄存器的寬度，分別表示32位架構(gòu)算指令，整數(shù)加載，整數(shù)存儲(chǔ)，控制流指令，這部分指令對(duì)于所有的RISC-V實(shí)現(xiàn)都是完全一樣的。“M”開(kāi)頭的擴(kuò)展為包含整數(shù)的乘法和除法，并且添加了對(duì)整數(shù)寄存器中的數(shù)據(jù)相乘或者相除的指令。“A”開(kāi)頭的擴(kuò)展為包含原子指令，其中的指令有為實(shí)現(xiàn)處理器間同步的原子性讀，修改和寫入存儲(chǔ)器指令?！癋”開(kāi)頭的擴(kuò)展為單精度浮點(diǎn)指令，包括單精度浮點(diǎn)數(shù)的加載和存儲(chǔ)以及單精度浮點(diǎn)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算。“D”開(kāi)頭的擴(kuò)展為雙精度指令，擴(kuò)展單精度的寄存器以及雙精度數(shù)的計(jì)算，加載和存儲(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)整數(shù)指令集以及包含的這四個(gè)擴(kuò)展(“IMAFD”)指集合。RV32G和RV64G是Berkeley開(kāi)發(fā)的編譯器工具鏈的默認(rèn)指令集。除了標(biāo)準(zhǔn)的指令集和上述的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展，想要開(kāi)發(fā)出一個(gè)能夠?yàn)樗袘?yīng)用場(chǎng)景帶來(lái)非常大的好處的指令集的可能性是很小的。盡管，一些新的指令可能在特定的領(lǐng)域中非常有用。由于能效的壓力越來(lái)越促使開(kāi)發(fā)出更針對(duì)特定領(lǐng)域的指令集，所以盡可能簡(jiǎn)化ISASpecification中所要求的部分是非常重要的。盡管其他的架構(gòu)通常把它們的指令集認(rèn)為是單個(gè)的不可分割的整體，當(dāng)需要添加新的指令時(shí)就更新一個(gè)版本，但是RISC-V指令集將盡可能的保持整數(shù)指令和標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展指令集不變，作為替代，添加新的可選指令集時(shí)在更高的層次上添加。比如，所有的基礎(chǔ)整數(shù)指令將會(huì)一直作為一個(gè)完整的單獨(dú)的指令集，而不管之后其他任何的指令集的改變?；局噶罴拿Q后綴都是I，表示Integer（整數(shù)任何一款采用RISC-V架構(gòu)的處理器都要實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本指令集，根據(jù)需要，可以實(shí)現(xiàn)多種擴(kuò)展指令集，例如：如果實(shí)現(xiàn)了RV32IM，表示實(shí)現(xiàn)了32位基本指令集和乘法除法擴(kuò)RV32G來(lái)表示，表示實(shí)現(xiàn)了通用標(biāo)量處理器指令集。以下簡(jiǎn)要介紹RV32I的基本情況。RV32I指令集有47條指令，能夠滿足現(xiàn)代操作系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求，47條指令按照功能可以分為如下幾類。（1）整數(shù)運(yùn)算指令：實(shí)現(xiàn)算術(shù)、邏輯、比較等運(yùn)算。（2）分支轉(zhuǎn)移指令：實(shí)現(xiàn)條件轉(zhuǎn)移、無(wú)條件轉(zhuǎn)移等運(yùn)算，并且沒(méi)有延遲槽。（3）加載存儲(chǔ)指令：實(shí)現(xiàn)字節(jié)、半字、字的加載、存儲(chǔ)操作，采用的都是寄存器相對(duì)尋址方式。（4）控制與狀態(tài)寄存器訪問(wèn)指令：實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制與狀態(tài)寄存器的原子讀-寫、原子讀-修改、原子讀-清零等操（5）系統(tǒng)調(diào)用指令：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用、調(diào)試等功能。2.指令集優(yōu)勢(shì)RISC-V技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)之一在于其精簡(jiǎn)的指令集，它減少了處理器執(zhí)行指令的數(shù)量，從而提高了執(zhí)行效率。這種精簡(jiǎn)化意味著每個(gè)指令能夠以更低的硬件成本實(shí)現(xiàn)更高的執(zhí)行速度，特別是在處理器的流水線設(shè)計(jì)中。此外，簡(jiǎn)化的指令集還意味著更低的功耗，這在移動(dòng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)中尤為重要，因?yàn)檫@些系統(tǒng)通常對(duì)能源效率有更高的要求。RISC-V的規(guī)范文檔僅長(zhǎng)145頁(yè)，而其“特權(quán)架構(gòu)文檔”（Volume2,PrivilegedSpecificationversion20211203）篇幅更是精簡(jiǎn)至91頁(yè)?；A(chǔ)的RISC-V指令集數(shù)量限制在40余條之內(nèi)，包含模塊化擴(kuò)展的整體指令數(shù)也僅為幾十條。這種精簡(jiǎn)性意味著工程師在進(jìn)行軟硬件開(kāi)發(fā)時(shí)能夠更快地熟悉和掌握RISC-V，從而加快開(kāi)發(fā)驗(yàn)證的過(guò)程。所以采用RISC-V技術(shù)的芯片和軟件研發(fā)周期得以縮短，同時(shí)降低了研發(fā)成本，這對(duì)于提高設(shè)計(jì)效率和促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。（2）高度可擴(kuò)展RISC-V架構(gòu)的另一關(guān)鍵特性是其高度的可擴(kuò)展性。這一特性意味著可以根據(jù)特定應(yīng)用需求添加或刪除指令子集，從而優(yōu)化處理器的性能。例如，對(duì)于需要高度數(shù)學(xué)運(yùn)算能力的應(yīng)用，可以添加專門的浮點(diǎn)運(yùn)算指令；而對(duì)于簡(jiǎn)單的控制應(yīng)用，則可以僅使用基礎(chǔ)的指令集。這種可擴(kuò)展性使得RISC-V能夠靈活適應(yīng)從低功耗微控制器到高性能計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用場(chǎng)景。（3）開(kāi)源開(kāi)放RISC-V的開(kāi)源開(kāi)放特性為其廣泛的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，這種開(kāi)源模式使得任何個(gè)人或組織都可以自由使用和修改RISC-V，無(wú)需擔(dān)心專利費(fèi)用或版權(quán)問(wèn)題。這不僅降低了進(jìn)入門檻，還促進(jìn)了技術(shù)的創(chuàng)新和共享。如今，RISC-V不僅在嵌入式系統(tǒng)和移動(dòng)設(shè)備中得到應(yīng)用，還開(kāi)始進(jìn)入云計(jì)算、數(shù)據(jù)中心、AI等高性能計(jì)算等更廣闊的領(lǐng)域。（4）模塊化RISC-V的模塊化特性是其設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵方面，它允許處理器設(shè)計(jì)以一種高度靈活和有效的方式進(jìn)行。這種模塊化體現(xiàn)在可以按照構(gòu)建塊的形式添加或移除功能模塊，從而使硬件設(shè)計(jì)可以根據(jù)特定應(yīng)用的需求進(jìn)行定制，優(yōu)勢(shì)在于提高了整體設(shè)計(jì)的可重用性和適應(yīng)性，允許開(kāi)發(fā)者針對(duì)特定場(chǎng)景或需求選擇適合的指令集和功能模塊。此外，模塊化設(shè)計(jì)也極大地簡(jiǎn)化了處理器的定制和升級(jí)過(guò)程。工程師可以根據(jù)新的技術(shù)需求或市場(chǎng)變化，輕松地引入新的功能模塊或升級(jí)現(xiàn)有模塊，而無(wú)需從頭開(kāi)始重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。這種靈活性不僅加快了開(kāi)發(fā)周期，還降低了迭代成本，使得RISC-V架構(gòu)特別適合于快速發(fā)展和不斷變化的技術(shù)環(huán)境。RISC-V的模塊化特性因此成為了其廣泛應(yīng)用于各種計(jì)算設(shè)備和系統(tǒng)中的關(guān)鍵點(diǎn)，無(wú)論是簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)還是復(fù)雜的高性能計(jì)算平臺(tái)，RISC-V的模塊化設(shè)計(jì)都提供了一種高效、靈活且經(jīng)濟(jì)的解決方案。（5）通用性和兼容性RISC-V指令集的設(shè)計(jì)不僅注重當(dāng)前的應(yīng)用需求，也考慮到了未來(lái)的兼容性和可持續(xù)發(fā)展。其通用性確保了RISC-V能夠廣泛應(yīng)用于各種計(jì)算任務(wù)，而兼容性則意味著即使在技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，現(xiàn)有的軟件和硬件仍然可以保持通過(guò)這些核心特性，RISC-V指令集展現(xiàn)了其在現(xiàn)代計(jì)算領(lǐng)域中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。精簡(jiǎn)而高效的指令集、靈活可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)、開(kāi)放和模塊化的架構(gòu)以及通用性和兼容性的考量共同構(gòu)成了RISC-V獨(dú)特的設(shè)計(jì)，這些原則不僅使其在技術(shù)上領(lǐng)先，也為其廣泛應(yīng)用于計(jì)算產(chǎn)業(yè)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.不同指令集架構(gòu)比較在RISC-V發(fā)布之前，實(shí)際上已經(jīng)有幾種開(kāi)源指令級(jí)架構(gòu)，包括SPARCV8、OpenRISC，其中SUN發(fā)布的開(kāi)源多核多線程處理器OpenSparcT1、OpenSparcT2，以及歐空局的LEON3采用的就是SPARCV8，OpenRISC也有同名的開(kāi)源處理器。與同樣開(kāi)源的SPARCV8和OpenRISC相比，RISC-V在軟件工具鏈和軟件生態(tài)環(huán)境上并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，但也沒(méi)有明顯缺失。其ISA上的主要優(yōu)勢(shì)是兼顧了嵌入式、多核和異構(gòu)并行的需求。這是RISC-V面向?qū)W術(shù)研究的實(shí)際需求，也得益于其從2010年開(kāi)始設(shè)計(jì)，沒(méi)有兼容性需求的后發(fā)優(yōu)勢(shì)。此外，OpenRISC的許可證為GPL，這意味著所有的指令集改動(dòng)都必須開(kāi)源。而RISC-V的許可證是較為寬松的BSDLicense授權(quán)。是是是是是是是是是是是是是是是是是是是是是是是（2）與商業(yè)指令集架構(gòu)比較為了比較RISC-V和X86、ARM等商業(yè)指令集的執(zhí)行效率，UCB的研究團(tuán)隊(duì)選擇了ARMv7、ARMv8、IA-32、x86-64四類指令集架構(gòu)與RISC-VRV64G和RV64GC在SPECCINT2006benchmark平臺(tái)進(jìn)行測(cè)評(píng)，比較動(dòng)態(tài)指令數(shù)獲取和動(dòng)態(tài)指令字節(jié)獲取的情況。動(dòng)態(tài)指令數(shù)獲取測(cè)評(píng)結(jié)果顯示，RV64G指令集比x86-64指令集執(zhí)行指令數(shù)高16%，比IA-32高3%，比ARMv8動(dòng)態(tài)指令字節(jié)獲取評(píng)測(cè)結(jié)果顯示，RV64G指令集具有4字節(jié)固定指令長(zhǎng)度，每個(gè)程序比x86-64指令集多獲取23%指令字節(jié)。x86-64指令集不夠密集，平均每個(gè)指令集長(zhǎng)度為3.71字節(jié)。ARMv7和ARMv8與RV64G指令集類似，都是4字節(jié)固定指令長(zhǎng)度。采用RISC-V壓縮指令集擴(kuò)展的RV64GC指令集，比x86-64指令集少獲取8%指令字節(jié)。4.軟硬件支持目前2023年RISC-V軟件生態(tài)系統(tǒng)得到了比較快速的發(fā)展，主要體現(xiàn)在編譯器和工具鏈，系統(tǒng)庫(kù)，內(nèi)核和虛擬化，語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)環(huán)境，Linux發(fā)行版集成，調(diào)試和分析工具，模擬器和仿真器，系統(tǒng)軟件等方面。軟件生態(tài)環(huán)境方面，2023年6月，歐洲Linux基金會(huì)、RISC-V國(guó)際協(xié)會(huì)和許多科技界的大廠聯(lián)合起來(lái)，推動(dòng)了一個(gè)支持RISC-V的軟件生態(tài)系統(tǒng)項(xiàng)目，該項(xiàng)目被稱為RISC-VSoftwareEcosystem，簡(jiǎn)稱RISE，其使命是加速開(kāi)源軟件在RISC-V架構(gòu)上的發(fā)展，旨在加速RISC-V架構(gòu)的軟件生態(tài)建設(shè)及應(yīng)用商業(yè)化進(jìn)程，成員將聯(lián)合推動(dòng)RISC-V芯片在移動(dòng)通信、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心及汽車等領(lǐng)域的市場(chǎng)化落地。硬件生態(tài)環(huán)境方面，高性能成為RISC-V芯片主旋律。當(dāng)前，已經(jīng)有眾多頭部科技企業(yè)開(kāi)始為自家應(yīng)用場(chǎng)景自研專用RISC-V芯片。為應(yīng)對(duì)人工智能的發(fā)展對(duì)算力的巨大需求，RISC-V芯片提供商推出多款面向數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景的芯片。5.知識(shí)產(chǎn)權(quán)分析RISC-V采用BSDLicense發(fā)布，由于允許衍生設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)閉源，對(duì)商業(yè)公司的吸引力應(yīng)該高于GPL發(fā)布的OpenRISC和OpenSPARC。RISC-V團(tuán)隊(duì)申明不會(huì)申請(qǐng)或者試圖申請(qǐng)RISC-V兼容處理器實(shí)現(xiàn)相關(guān)的專利。同時(shí)RISC-V團(tuán)隊(duì)也表示，由于處理器實(shí)現(xiàn)可能各不相同，他們認(rèn)為實(shí)現(xiàn)RISC-V兼容處理器并不需要任何專利許可，他們也無(wú)法保證ISA或者架構(gòu)設(shè)計(jì)，不被其他什么人提起訴訟或?qū)＠麢?quán)利要求。僅從聲明和描述上就可以發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題：無(wú)法阻止其它人申請(qǐng)與RISC-V兼容處理器實(shí)現(xiàn)相關(guān)的專利。也沒(méi)有明確的專利聯(lián)盟或者交叉授權(quán)模式可以借用，以保證在未來(lái)不受到專利訴訟請(qǐng)求。BSDLicense并不是類似ARM授權(quán)協(xié)議的保護(hù)傘。其License框架的代表BSD操作系統(tǒng)在發(fā)展過(guò)程中就受到AT&T的專利訴訟威脅，雖然通過(guò)重寫和刪除代碼，歷經(jīng)數(shù)年時(shí)間最終得以解決（其中還包括著名的Berkeley法學(xué)院資源的幫助）。但這一過(guò)程也導(dǎo)致了Linux壓倒BSD成為主流開(kāi)源操作系統(tǒng)。Linux在2004年也受到Microsoft和SCO的專利威脅，但由于IBM加入Linux一方而緩解了危機(jī)。因此未來(lái)商業(yè)化的RISC-V兼容處理器幾乎肯定會(huì)受到專利訴訟的威脅。從以上軟件領(lǐng)域的例子可以看到，即使開(kāi)源，或者使用不同開(kāi)源License模型，如果沒(méi)有商業(yè)聯(lián)盟的交叉專利庫(kù)作為后盾，幾乎無(wú)法達(dá)成和解。由于微處理器實(shí)現(xiàn)相關(guān)的專利可能涉及微體系結(jié)構(gòu)、電路和布圖等多個(gè)層次，用開(kāi)放的ISA并不能確保處理器產(chǎn)品不受專利訴訟威脅。老牌技術(shù)公司如IBM、Intel已經(jīng)在微處理器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的各個(gè)方面申請(qǐng)、購(gòu)買和交叉授權(quán)了相當(dāng)多的專利，并用增量設(shè)計(jì)延長(zhǎng)SIMD指令字的打包等專利的時(shí)效。這也是為何ARM要聯(lián)合Imagination聯(lián)合收購(gòu)MIPS專利的原因之一。6.RISC-V國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)情況截止2023年12月31日，RISC-V現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)均由國(guó)際組織RISC-VInternational（RVI）發(fā)布。由于RISC-V指令集架構(gòu)被定義為一個(gè)基礎(chǔ)指令集和若干可選擴(kuò)展指令集的組合,并在一種權(quán)限模式下進(jìn)行工作，RVI發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)包括指令集規(guī)范（表3.3和3.4）和非指令集規(guī)范（表3.5）兩大類。當(dāng)前已發(fā)布《RISC-V指令集手冊(cè)第一卷：非特權(quán)指令集》（20191213版本）和《RISC-V指令集手冊(cè)第二卷：特權(quán)架構(gòu)》（20211203版本）包含目前主要基礎(chǔ)指令集。截止至2023年12月，獲得批準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布的指令集拓展規(guī)范28項(xiàng)（表3.4）。后續(xù)這些獲得批準(zhǔn)的拓展將合并進(jìn)入RVI的正式發(fā)布規(guī)范。截止至2023年10月，RISC-V國(guó)際協(xié)會(huì)已經(jīng)發(fā)布非指令集規(guī)范8項(xiàng)，優(yōu)先解決軟硬件編程接口、調(diào)試接口等生態(tài)建設(shè)的基礎(chǔ)需求。1TheRISC-VInstructionSetManualVolumeI:UnprivilegedISA月2構(gòu)TheRISC-VInstructionSetManualVolumeII:PrivilegedArchitecture月編號(hào)1RISC-V整數(shù)條件運(yùn)算擴(kuò)展RISC-VIntegerConditional(Zicond)operationsextension2新HardwareUpdatingofPTEA/DBits(Svadu)3VCycleandInstretPrivilegeModeFiltering(Smcntrpmf)4原子比較和交換指令A(yù)tomicCompare-and-Swap(CAS)Instructions(Zacas)5VCryptographyExtensionsVolumeII:VectorInstructions6展"Zfa"StandardExtensionforAditionalFloating-PointInstructions7VAdvancedInterruptArchitecture8“Zvfh/Zvfhmin:”VectorExtensionforHalfPointArithmetic/VectorExtensionforMinimalHalf-PrecisionFloating-PointArithmetic9TemporalLocalityHintsRISC-V特性RISC-VProfilesRISC-V代碼尺寸縮減RISC-VCodeSizeReduction集RV32EandRV64EBaseIntegerInstructionSets展“Ztso”StandardExtensionforTotalStoreOrderingRISC-V等待保留集拓展RISC-VWaion-Reservation-Set(Zawrs)extensionZmmul擴(kuò)展ZmulExtension強(qiáng)PMPEnhancementsformemoryaccessandexecutionpreventiononMachinemode(Smepmp)VBaseCacheManagementOperationISAExtensionsVBit-ManipulationISA-extensionsVCountOverflowandMode-BasedFilteringExtensionRISC-VCryptographyExtensionsVolumeI:Scalar&EntropySourceInstructionsRISC-V狀態(tài)啟用拓展RISC-VStateEnableExtensionV"stimecmp/vstimecmp"ExtensionVVectorExtensionTheRISC-VInstructionSetManualVolumeII:PrivilegedArchitecture"Zfh"and"Zfhmin"StandardExtensionsforHStandardExtensionsforFloating-PointinIntegerRegisters示“Zihintpause”PauseHint1EficientTraceforRISC-V2RISC-VABI規(guī)范RISC-VABIsSpecification3VAdvancedInterruptArchitecture4VExternalDebugSupport25范RISC-VIOMUArchitectureSpecification6RISC-VPlatform-LevelInterruptControllerSpecification7RISC-V二進(jìn)制接口規(guī)范RISC-VSupervisorBinaryInterfaceSpecification8RISC-VUEFI協(xié)議規(guī)范RISC-VUEFIProtocolSpecification（2）國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀面對(duì)RISC-V技術(shù)迅速發(fā)展和市場(chǎng)需求，國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)出多個(gè)組織整合國(guó)內(nèi)企業(yè)力量，推動(dòng)RISC-V發(fā)展并與國(guó)際對(duì)接。其中有中國(guó)電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)協(xié)會(huì)RISC-V工作委員中國(guó)RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CRVIC）等。（RVEI）會(huì)于2023年6月12日在北京成立，是由中國(guó)電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)協(xié)會(huì)牽頭，聯(lián)合上海海思、阿里達(dá)摩院、奕斯偉、中國(guó)移動(dòng)、開(kāi)源芯片研究院、中科院軟件所、賽迪、電子一所、電子四院、電子五所等企事業(yè)單位共同發(fā)起組建的具有全國(guó)性、行業(yè)性、非營(yíng)利性的社會(huì)團(tuán)體。截止到2023年12月該組織已吸納國(guó)內(nèi)超過(guò)60家成員單位，并組織27位院士形成戰(zhàn)略委員會(huì)指導(dǎo)工作。RISC-V工委會(huì)主要開(kāi)展RISC-V產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)研制、符合性評(píng)估、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、人才培養(yǎng)、產(chǎn)業(yè)研究等方面工作，引導(dǎo)國(guó)內(nèi)RISC-V產(chǎn)業(yè)走向協(xié)同創(chuàng)新，形成產(chǎn)業(yè)合力，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、資源共享、協(xié)同推進(jìn)，共同營(yíng)造產(chǎn)業(yè)良好生態(tài)環(huán)境，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展。中國(guó)開(kāi)放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟（CRVA）旨在召集從事RISC-V指令集、架構(gòu)、芯片、軟件、整機(jī)應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)企事業(yè)單位及相關(guān)社會(huì)團(tuán)體，自愿組成一個(gè)全國(guó)性、綜合性、聯(lián)合性、非營(yíng)利性的社團(tuán)組織。聯(lián)盟由中科院計(jì)算所牽頭，聯(lián)合北京大學(xué)、清華大學(xué)、阿里-中天微、百度、中芯國(guó)際等近20家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)于2018年共同發(fā)起成立，目前已有一批企業(yè)構(gòu)建了開(kāi)源芯片關(guān)鍵技術(shù)。中國(guó)開(kāi)放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟自成立以來(lái)已舉辦多場(chǎng)RISC-V峰會(huì)和論壇，對(duì)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、聚集產(chǎn)業(yè)資源、促進(jìn)技術(shù)交流發(fā)揮影響和作用。中國(guó)RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CRVIC）于2018年由芯原微電子（上海）股份有限公司牽頭，聯(lián)合君正、上海格易、復(fù)旦大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等60余家企業(yè)高校以及華芯投資上海分公司、上海集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金等投資機(jī)構(gòu)共同發(fā)起成立。聯(lián)盟致力于解決中國(guó)RISC-V領(lǐng)域共同面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題，建立RISC-V計(jì)算平臺(tái)，促進(jìn)形成貫穿IP核、芯片、軟件、系統(tǒng)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)的RISC-V產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。（3）國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展情況國(guó)內(nèi)RISC-V標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展與國(guó)外相比，主要體現(xiàn)為以下3個(gè)方面：我國(guó)擁有龐大應(yīng)用市場(chǎng)，發(fā)展?jié)摿薮?，?biāo)準(zhǔn)化需求迫切。RISC-V是一種通用架構(gòu)，適用于多個(gè)領(lǐng)域，從嵌入式系統(tǒng)到高性能計(jì)算。中國(guó)的市場(chǎng)規(guī)模巨大，涵蓋了龐大的消費(fèi)市場(chǎng)和工業(yè)市場(chǎng)。中國(guó)市場(chǎng)在各個(gè)領(lǐng)域都有強(qiáng)大的需求，RISC-V可以滿足這些需求，包括物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算等。隨著RISC-V的日益普及，其生態(tài)系統(tǒng)正不斷演變和豐富，包括硬件實(shí)現(xiàn)、編譯器、操作系統(tǒng)等的發(fā)展。越來(lái)越多的公司和研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)始投入資源，以推動(dòng)RISC-V技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。隨著時(shí)間的推移，RISC-V有望成為一種更加多樣化和靈活的計(jì)算架構(gòu)，服務(wù)于各種不同的市場(chǎng)和應(yīng)用需求。與此同時(shí)，擴(kuò)展指令集面臨碎片化的風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)品之間過(guò)度自定義開(kāi)發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)化程度不夠，導(dǎo)致適配成本效率增加。亟需在產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在一定范圍開(kāi)展研發(fā)工作，加強(qiáng)產(chǎn)品技術(shù)互通，消除企業(yè)間離散碎片的情況，降低研發(fā)成本，避免資源浪費(fèi)。RISC-V作為繼x86、Arm后開(kāi)辟的新賽道，標(biāo)準(zhǔn)化工作均處于摸索階段。一是RISC-V相對(duì)于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)如X86和Arm來(lái)說(shuō)是一種相對(duì)年輕的架構(gòu)。x86和ARM架構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展和演化，而RISC-V出現(xiàn)相對(duì)較晚，需要時(shí)間來(lái)發(fā)展和積累更多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。二是標(biāo)準(zhǔn)化是一個(gè)復(fù)雜且漫長(zhǎng)的過(guò)程。在國(guó)際上制定和采納新的架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)需要廣泛的合作和協(xié)商，以確?；ゲ僮餍院鸵恢滦?。這方面的工作需要時(shí)間，各方需要解決技術(shù)和政治問(wèn)題。三是RISC-V的靈活性使得不同公司和組織可以根據(jù)其需求自定義指令集和處理器。這導(dǎo)致了多樣性和復(fù)雜性，不同實(shí)現(xiàn)可以具有不同的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展或自定義指令，使得標(biāo)準(zhǔn)化工作更具挑戰(zhàn)性。四是不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)軜?gòu)的需求各不相同，RISC-V需要逐漸調(diào)整和完善以滿足這些需求。這也需要時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)和測(cè)試適用于不同領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，雖然RISC-V市場(chǎng)已初具規(guī)模，但仍需時(shí)間來(lái)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的可行性。國(guó)內(nèi)企業(yè)基本采用RVI發(fā)布的指令集標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程度較高，但標(biāo)準(zhǔn)貢獻(xiàn)程度較低。在RVI高級(jí)會(huì)員中，我國(guó)有12家企業(yè)參與其中，但由于多數(shù)國(guó)內(nèi)企業(yè)參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定經(jīng)驗(yàn)較少。其中，阿里達(dá)摩院在RVI較為活躍，阿里巴巴玄鐵RISC-V技術(shù)專家團(tuán)隊(duì)在RVI中8個(gè)技術(shù)委員會(huì)，30余個(gè)技術(shù)小組參與技術(shù)討論、管理及方案制定等工作，在1個(gè)技術(shù)委員會(huì)及13個(gè)技術(shù)小組擔(dān)任主席或副主席職位。在標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、指令集、軟件、安全等多個(gè)技術(shù)方向，參與IOMMU、CMO、Matrix等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定。華為海思在RVI的董事會(huì)和技術(shù)指導(dǎo)委員會(huì)均占有一席之地，并且RVI在安全方面的橫向委員會(huì)主席AndrewDellow也曾在海思長(zhǎng)期任職，目前擔(dān)任海思安全技術(shù)專家顧問(wèn)。在RVI日常工作中，華為海思推動(dòng)RVI安全工作組重組，并在芯片安全領(lǐng)域促進(jìn)多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。（4）國(guó)內(nèi)RISC-V標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì)國(guó)內(nèi)目前標(biāo)準(zhǔn)化工作處于起步階段，骨干企業(yè)多以參與國(guó)外技術(shù)組織標(biāo)準(zhǔn)化工作為主。根據(jù)中國(guó)電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)協(xié)會(huì)RISC-V工作委員2024年標(biāo)準(zhǔn)工作計(jì)劃，隨著RISC-V發(fā)展和各個(gè)國(guó)家關(guān)注，一是緊跟國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作，根據(jù)產(chǎn)業(yè)成熟度不斷固化完善指令集標(biāo)準(zhǔn)。以國(guó)際發(fā)布基礎(chǔ)指令集ISA標(biāo)準(zhǔn)為主，以國(guó)內(nèi)擴(kuò)展集為輔，在行業(yè)起步階段適當(dāng)鼓勵(lì)自主創(chuàng)新，同時(shí)與國(guó)際組織積極對(duì)接，不斷豐富較為統(tǒng)一的自主指令集體系。二是利用測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)化手段對(duì)RISC-V產(chǎn)品進(jìn)行協(xié)調(diào)統(tǒng)一。在標(biāo)準(zhǔn)研制過(guò)程中側(cè)重軟硬件兼容性標(biāo)準(zhǔn)，以標(biāo)準(zhǔn)為牽引推動(dòng)RISC-Vsystemready（類比ARMSystemReady，Armsystemready是一種標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證測(cè)試，以一系列硬件和初步標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)：基礎(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)（BSA）及基礎(chǔ)啟動(dòng)需求（BBR）為規(guī)格，外加一系列的補(bǔ)充資料。確保后續(xù)軟件層正常運(yùn)行。標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證測(cè)試系統(tǒng)符合SystemReady標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而確保操作系統(tǒng)（OS)和后續(xù)軟件層正常運(yùn)作）。協(xié)議、接口等兼容性技術(shù)突破，打通RISC-V產(chǎn)業(yè)上下游技術(shù)不兼容壁壘，進(jìn)而將國(guó)內(nèi)碎片化企業(yè)、技術(shù)和產(chǎn)品整合成統(tǒng)一協(xié)調(diào)的市場(chǎng)，形成國(guó)內(nèi)自主的RISC-V標(biāo)準(zhǔn)體系。三是加快發(fā)展應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，圍繞應(yīng)用企業(yè)需求，推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)從實(shí)際出發(fā)，促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用落地。通過(guò)應(yīng)用為牽引帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展，推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)一步豐富并擴(kuò)展至更多應(yīng)用領(lǐng)域，為未來(lái)的計(jì)算領(lǐng)域帶來(lái)更多可能性。（5）標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)我國(guó)擁有龐大應(yīng)用市場(chǎng)，RISC-V應(yīng)用前景廣闊，而國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)則集中分布在指令集底層架構(gòu)，并無(wú)針對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系。因此，各企業(yè)之間亟需統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)品間相互兼容，打通上下游技術(shù)障礙。圍繞RISC-V行業(yè)健康、統(tǒng)一發(fā)展的關(guān)鍵之舉，國(guó)內(nèi)RISC-V標(biāo)準(zhǔn)組織RVEI從行業(yè)應(yīng)用、人才培養(yǎng)、安全可信、基礎(chǔ)技術(shù)研究、符合性評(píng)估等幾大維度系統(tǒng)構(gòu)建體系框架（如圖83）。其中基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)由底層到頂層覆蓋RISC-V芯片指令集、IP、基礎(chǔ)軟件到上層應(yīng)用領(lǐng)域等幾個(gè)層面，符合性評(píng)估和安全標(biāo)準(zhǔn)貫穿基礎(chǔ)技術(shù)所有方面，滿足RISC-V芯片研制過(guò)程中各企業(yè)在任何層級(jí)均能達(dá)到相互兼容和安全的需求，從而構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一、健康的標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)環(huán)境。同時(shí)，評(píng)測(cè)工具的標(biāo)準(zhǔn)和人才培養(yǎng)相關(guān)工作的開(kāi)展將為產(chǎn)業(yè)和上層標(biāo)準(zhǔn)工作提供工具支撐和人才儲(chǔ)備。（三）基于RISC-V架構(gòu)芯片的發(fā)展情況現(xiàn)狀1.Occamy2023年5月9日，由歐洲航天局支持，由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和博洛尼亞大學(xué)的工程師開(kāi)發(fā)的Occamy處理器已宣布流片。OccamyCPU主要作為歐空局EuPilot計(jì)劃的一部分進(jìn)行開(kāi)發(fā)，是歐洲航天局正在考慮用于航天計(jì)算的芯片之一。OccamyCPU是AdaptevaEpiphany處理器系列的最新版本，采用了28nm工藝，擁有432個(gè)可編程的RISC-V處理核心。OccamyCPU可提供0.75FP64TFLOPS的性能和6FP8TFLOPS算力。OccamyCPU采用Chiplet設(shè)計(jì)，后續(xù)還可以在封裝中添加其他小芯片，以在需要時(shí)加速某些工作負(fù)載。據(jù)悉，OccamyCPU可以在FPGA上進(jìn)行仿真運(yùn)算，該實(shí)現(xiàn)已在兩個(gè)AMDXilinxVirtexUltraScale+HBMFPGA和VirtexUltraScale+VCU1525FPGA上進(jìn)行了測(cè)試。2.MTIA2023年5月18日，Meta官宣了自研AI運(yùn)算芯片項(xiàng)目—MTIA，全稱為“MetaTrainingandInferenceAccelerator”（Meta訓(xùn)練和推理加速器此外還有人工智能運(yùn)算領(lǐng)域的多項(xiàng)進(jìn)展和計(jì)劃。MTIA項(xiàng)目的首款芯片MTIAv1于2020年便開(kāi)始設(shè)計(jì)，目前已有成品應(yīng)用。這種定制芯片采用開(kāi)源芯片架構(gòu)RISC-V，在類型上屬于ASIC專用集成電路，Meta進(jìn)行了高度定制化的設(shè)計(jì)。2023年7月，在DAC2023上，Meta的ASIC工程經(jīng)理HimanshuSanghavi談到Meta正在使用RISC-V開(kāi)展的各種項(xiàng)目。他表示Meta團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)基于RISC-V的ASIC芯片，用于視頻轉(zhuǎn)碼以及機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用，以及在數(shù)據(jù)中心運(yùn)行一些計(jì)算最密集的工作負(fù)載。HimanshuSanghavi表示，大約四年前，當(dāng)Meta開(kāi)始這項(xiàng)工作時(shí)評(píng)估了多種不同的處理器架構(gòu)，決定對(duì)這些SoC的一些關(guān)鍵插槽采用RISC-V。這一選擇的驅(qū)動(dòng)因素是RISC-V是一種開(kāi)放架構(gòu)，并且已經(jīng)有多個(gè)處理器IP供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)了該架構(gòu)。3.R9A02G202023年9月，Renesas宣布推出專為先進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化的RISC-VMCU——R9A02G020，用戶無(wú)需投入開(kāi)發(fā)成本，即可受益于電機(jī)控制應(yīng)用的即用型交鑰匙解決方案。借助預(yù)編程的專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，用戶可以縮短上市時(shí)間并降低成本，節(jié)省RISC-V相關(guān)的工具及軟件投資。其目標(biāo)應(yīng)用包括家居/樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療保健設(shè)備、家用電器、無(wú)人機(jī)等。Renesas推出的R9A02G020是基于AndesRISC-V處理IP而構(gòu)建的電機(jī)控制專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。產(chǎn)品預(yù)編程了由獨(dú)立設(shè)計(jì)公司BFGEngineering和DigiPower（HK）Technology開(kāi)發(fā)的專業(yè)應(yīng)用代碼。其中，BFG以縮短客戶電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間的無(wú)傳感器算法而聞名；DigiPower自2008年以來(lái)持續(xù)推出成本優(yōu)化、可擴(kuò)展的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案，并設(shè)計(jì)了用于控制冰箱壓縮機(jī)、風(fēng)扇、泵等專用解決方案。此外，SEGGERMicrocontrollerGmbH也參與了此項(xiàng)工作，提供了EmbeddedStudio和J-Link在內(nèi)的完整SEGGER生態(tài)系統(tǒng)，用于創(chuàng)建和測(cè)試這些電機(jī)控制解決方案。4.VeyronV22023年11月，RISC-V服務(wù)器芯片設(shè)計(jì)廠商Ventana發(fā)布了其第二代服務(wù)器CPU——VeyronV2，應(yīng)用于從汽車、邊緣計(jì)算，到數(shù)據(jù)中心、人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)和超大規(guī)模器等應(yīng)用領(lǐng)域中。Ventana表示其性能已超越了x86高端服務(wù)器芯片,在其前身VeyronV1的基礎(chǔ)上進(jìn)行了重大升級(jí)，專為服務(wù)器/數(shù)據(jù)中心級(jí)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。在核心配置方面，VeyronV2基于臺(tái)積電4nm工藝，8流水線設(shè)計(jì)，支持亂序執(zhí)行，主頻高達(dá)3.6GHz，單個(gè)集群內(nèi)核數(shù)量32個(gè)，多集群最多可擴(kuò)展至192核。緩存的大小為每個(gè)核心1MB二級(jí)緩存，以及128MB的共享集群級(jí)三級(jí)緩存。VeyronV2專注于Chiplet互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)和領(lǐng)域特定加速，其處理器采用Chiplet設(shè)計(jì)，配備IO集線器和加速器，并采用Chiplet互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)每個(gè)插槽192個(gè)內(nèi)核。VeyronV2在性能方面進(jìn)行了提升，擁有32個(gè)核心和高達(dá)128MB的L3緩存，實(shí)現(xiàn)了AMBACHI，這是ArmCPU中常見(jiàn)的特性。在緩存方面，每個(gè)32個(gè)核心的集群都構(gòu)建在一個(gè)Chiplet上，連接到一個(gè)IO集線器。Ventana通過(guò)支持RAS（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性、可用性和可服務(wù)性三項(xiàng)技術(shù)的總稱包括校驗(yàn)糾錯(cuò)能力和數(shù)據(jù)中毒等功能，進(jìn)一步提高了處理器的可靠性。