阿里玄鐵RISC-V指令集架構(gòu)
平頭哥是阿里全資的半導(dǎo)體芯片業(yè)務(wù)主體，主要針對下一代云端一體芯片新型架構(gòu)開發(fā)數(shù)據(jù)中心和嵌入式 IoT 芯片產(chǎn)品，擁有面向行業(yè)應(yīng)用以 CPU 、芯片平臺、 OS 及算法為核心的全棧技術(shù)。目前發(fā)布產(chǎn)品包括玄鐵系列 RISC V 處理器、無劍SoC芯片設(shè)計平臺、含光 AI 芯片等，在各大行業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。
RISC-V是一種指令集，Risk Five，V即羅馬數(shù)字5。該指令集是RISC系列指令集的第五代產(chǎn)品。RISC-V是一種基于“精簡指令集（RISC）”原則的開源指令集架構(gòu)。指令集：存儲在CPU內(nèi)部，引導(dǎo)CPU進行運算，并幫助CPU更高效運行，介于軟件和底層硬件之間的一套程序指令合集。
RISC-V 是2010 年新出現(xiàn)的開源精簡指令集架構(gòu)，架構(gòu)設(shè)計上沒有歷史包袱，采用的理念和方法較為先進。和主流架構(gòu)x86/ARM 相比，RISC-V 架構(gòu)架構(gòu)篇幅更少，基本指令集更少，支持模塊化和拓展性，開源免費，滿足差異化和定制化的需求。但RISC-V 架構(gòu)出現(xiàn)時間晚，適配軟件和工具方面沉淀不足，生態(tài)環(huán)境尚需構(gòu)建。目前國內(nèi)芯片廠商中，阿里平頭哥基于RISC-V 架構(gòu)推出了數(shù)據(jù)中心和嵌入式IoT芯片產(chǎn)品。
相比于移動端、PC 等消費終端應(yīng)用，IoT 應(yīng)用場景繁多，對處理器的需求較為碎片化，同時對功耗有著較高要求。我們認(rèn)為，兼具精簡和靈活的RISC-V 架構(gòu)，滿足IoT 對處理器的需求，能夠從IoT 市場切入，從而不斷擴大市場份額。隨著RISC-V 基金會成員的快速增長，配套軟件工具等生態(tài)環(huán)境不斷完善，RISC-V 已經(jīng)開始加速落地。
CPU（中央處理器），也被稱為微處理器，相當(dāng)于電子產(chǎn)品的大腦。在通信領(lǐng)域當(dāng)中，幾乎所有的重要信息都要由這個“大腦”所掌控，CPU芯片和操作系統(tǒng)是網(wǎng)信領(lǐng)域最基礎(chǔ)的核心技術(shù)。
CPU主要有兩大指令集：
復(fù)雜指令集（Complex Intruction Set Computer，CISC）架構(gòu)——x86
精簡指令集（Reduced Intruction Set Computer，RISC）架構(gòu)——ARM、MIPS和RISC-V
CPU的架構(gòu)一直以來是x86與ARM的天下，而自2010年RISC-V誕生以后，隱約在CPU架構(gòu)呈現(xiàn)出三足鼎立的趨勢。
X86：傳統(tǒng)PC市場的主流，善于處理大數(shù)據(jù)，IP掌握在英特爾和AMD手中。
ARM：移動（手機）市場，處理快數(shù)據(jù)為主，目前也使用在便攜筆記本中，IP大部分掌握在ARM公司。
RISC-V：當(dāng)需要同時兼顧數(shù)據(jù)傳輸速度與傳輸量時，這兩類主流架構(gòu)的勝任能力有限。RISC-V表現(xiàn)出了較強的優(yōu)勢。
1981年，在David Patterson的帶領(lǐng)下，加州大學(xué)伯克利分校的一個研究團隊起草了RISC-1，是今天RISC架構(gòu)的基礎(chǔ)。隨后在1983年發(fā)布了RISC-II原型芯片，1984年和1988年發(fā)布了RISC-III和RISC-IV。
RISC的設(shè)計理念也催生了一系列新架構(gòu)，如MIPS、服務(wù)器的王者IBM PowerPC以及現(xiàn)在統(tǒng)治嵌入式市場的ARM。
2010年，加州大學(xué)伯克利分校的研究團隊設(shè)計并推出了一套基于BSD協(xié)議許可的免費開放的指令集架構(gòu)RISC-V，其原型芯片也于2013年1月成功流片。
RISC-V最大的特性就在于“精簡”。雖然與ARM同屬于精簡指令集架構(gòu)，但因RISC-V是近年來才推出，沒有背負(fù)向后兼容的歷史包袱，架構(gòu)短小精悍。相比于x86和ARM動輒幾百數(shù)千頁，RISC-V的規(guī)范文檔僅有145頁，且“特權(quán)架構(gòu)文檔”的篇幅也僅為91頁。
1、模塊化：RISC-V將不同的部分以模塊化的方式組織在一起，并試圖通過一套統(tǒng)一的架構(gòu)來滿足各種不同的應(yīng)用場景，這種模塊化是x86與ARM架構(gòu)所不具備的。
2、指令數(shù)目少：受益于短小精悍的架構(gòu)以及模塊化的特性，RISC-V架構(gòu)的指令數(shù)目非常的簡潔。基本的RISC-V指令數(shù)目僅有40多條，加上其他的模塊化擴展指令也總共只有幾十條指令。
RISC-V全面開源，且具有全套開源免費的編譯器、開發(fā)工具和軟件開發(fā)環(huán)境（IDE），其開源的特性允許任何用戶自由修改、擴展，從而能滿足量身定制的需求，大大降低指令集修改的門檻。
同類產(chǎn)品中，ARM需要支付高昂的IP費用才可使用，甚至需支付“預(yù)付款”才可看到細(xì)節(jié)。
2015年，RISC-V基金會正式成立，吸引了包括英偉達、NXP、三星、Microsemi在內(nèi)等企業(yè)的加入。迄今為止，該基金會已吸引了全球28個國家327多家會員加入。RISC-V基金會負(fù)責(zé)維護RSIC-V指令集標(biāo)準(zhǔn)手冊與架構(gòu)文檔，每年RISC-V基金會都會舉辦各種專題討論會和全球活動。
因為x86適合處理大量數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)PC與服務(wù)器領(lǐng)域處于霸主地位。
在手機帶來的科技革命趨勢下，需要快速處理數(shù)據(jù)，ARM架構(gòu)在手機處理器IP領(lǐng)域一統(tǒng)江湖。
在半導(dǎo)體的歷史上，X86、ARM作為主流架構(gòu)一直都占有著很大的市場。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的來臨，而RISC-V作為新興架構(gòu)，以其精簡的體量，或許在未來的IoT領(lǐng)域中能取得絕對的優(yōu)勢。
因為IoT領(lǐng)域?qū)I芯片即要求高計算能力，又需要低延遲。所以，IoT芯片設(shè)計速度要快、成本要低、能量身定制。
同時嵌入式市場具備少量多樣的特點，在各細(xì)分應(yīng)用場景并未形成真正壁壘，架構(gòu)的選擇五花八門。
因此，這是RISC-V絕佳的突破口。RISC-V的開源能降低成本，也能讓用戶自由修改，可定制化，RISC-V生態(tài)與敏捷設(shè)計同源。目前，國內(nèi)外已有多家芯片企業(yè)投入大量資金研發(fā)RISC-V在IoT領(lǐng)域的應(yīng)用。
未來的物聯(lián)網(wǎng)大概會有300億個設(shè)備被鏈接起來，那么物聯(lián)網(wǎng)安全并不是奢侈品，而是必需品。而RISC-V的開源特性允許廣泛的受眾檢查其體系結(jié)構(gòu)，并在它們成為大范圍的安全事件之前糾正它們。RISC-V可以通過提供“修復(fù)”核心而無需實際更改核心的機會來影響我們現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)犯罪流行。
根據(jù)SiFive首席執(zhí)行官Naveed Sherwani的預(yù)測，兩年之后RISC-V就會進軍手機市場，與高通、蘋果、三星、聯(lián)發(fā)科等ARM公司搶智能手機處理器市場，同時有可能威脅低功耗筆記本處理器。
目前ARM公司的營收數(shù)據(jù)略有下滑，2017與2018年，ARM的設(shè)計IP市占率分別下滑1.6%及1.5%。因此，ARM也作出了相應(yīng)的改善策略。2019年7月，Arm推出新的授權(quán)模式“Flexible Access”：對于中低階芯片的授權(quán)，未來客戶不再需要繳納“預(yù)付款”才能看到設(shè)計細(xì)節(jié)。
雖然目前RISC-V的高性能市場一片空白，但RISC-V本身用來設(shè)計高性能芯片是沒有問題的，學(xué)術(shù)界已經(jīng)有基于RISC-V架構(gòu)的511核處理器（Celerity）。只是基于RISC-V的低門檻特點，進入的企業(yè)體量較為小巧，沒有足夠的資金做長期布局與研發(fā)，高性能等需要較長研發(fā)時間的領(lǐng)域尚無人嘗試。
根據(jù)SiFive首席執(zhí)行官Naveed Sherwani的預(yù)測，5年后RISC-V指令的處理器就有可能進軍服務(wù)器市場，AMD、英特爾這樣的x86處理器公司也許將要擔(dān)心。
硬盤本身并不需要像SSD那樣龐大的計算資源，但是由于新的磁記錄技術(shù)，更復(fù)雜的功能（例如，基于NAND Flash的緩存，健康管理，QoS），它們的處理要求也在增長增強等。這對存儲器中控制芯片的計算能力要求變高了。
2017年，根據(jù)IDC和希捷的數(shù)據(jù)，2016年全球產(chǎn)生了16.1個ZB（ZetaBytes）數(shù)據(jù)，到2025年全球數(shù)據(jù)球體將增長一個數(shù)量級到163個ZB。并且需要實時處理和低延遲的數(shù)據(jù)量正在增長。
雖然數(shù)據(jù)可以就近傳輸?shù)礁浇姆?wù)器匯總進行處理，這需要更為強大的服務(wù)器，但服務(wù)器本身對處理快數(shù)據(jù)的效率不高，因此硬盤不僅存儲數(shù)據(jù)，還需要處理它。
2018年基于RISC-V的軟件工具和IP全球營收5000萬美元，2025年將達到20倍
目前RISC-V被認(rèn)為最適合應(yīng)用在IoT市場。因為IoT市場的情況更為靈活，是一個“碎片化”的市場，客戶需求相對多樣化，目前尚無任一架構(gòu)統(tǒng)一市場，而RISC-V具有低功耗、低成本、靈活可擴展及安全可靠的特性。
雖然RICS-V本身是開源免費的，但是用戶對RICS-V的架構(gòu)進行使用和修改后可以進行銷售。
CPU架構(gòu)的影響力主要是依賴他生長的一整套生態(tài)系統(tǒng)，比如基于x86的Windows，基于ARM的Android。RISC-V現(xiàn)在最缺的是生態(tài)系統(tǒng)，特別是IoT碎片化的性質(zhì)，沒有一個統(tǒng)一的軟件棧生態(tài)。
RISC-V基金會其實對此并不做任何定義，生態(tài)系統(tǒng)的搭建交予使用者來自行發(fā)揮。并且生態(tài)系統(tǒng)并非一蹴而就，根據(jù)RISC-V基金會亞太區(qū)副秘書長郭雄飛所言，唯有RISC-V MCU大規(guī)模量產(chǎn)，開發(fā)者真正隨手可得，相應(yīng)的軟件生態(tài)才能大規(guī)模爆發(fā)。
ARM、MIPS和RISC-V皆屬于精簡指令集（RISC）架構(gòu)。
在智能手機時代，由于MIPS選擇消費電子時，Arm選擇了手機市場，即使ARM與MIPS的誕生時間相差些許，但更晚出現(xiàn)的Arm成為了智能手機時代的標(biāo)簽。
MIPS和RISC-V兩者的架構(gòu)也相差不大。因此，在2018年12月MIPS宣布開源之后，MIPS可能成為RISC-V在AI時代強有力的競爭者。并且基于MIPS指令集的芯片已經(jīng)有100億顆的出貨，這意味著MIPS處理器在機頂盒、錄音筆、智能手表等市場已經(jīng)非常成熟。未來，政策、生態(tài)、軟件等方面的因素是兩個指令集在AI時代競賽的重要考量。
目前所有的通用x86架構(gòu)處理器技術(shù)都掌握在英特爾和AMD公司手中，ARM則也受到美國政策的限制。同時信息安全也是近幾年來一直在強調(diào)的話題。在政府、海關(guān)、金融、鐵路、民航、醫(yī)療、軍警等重要部門，保障其通信安全尤為重要。
但RISC-V的開源特性，使得國內(nèi)企業(yè)可以繼續(xù)使用。同時因為其模塊化的設(shè)計，可以直接應(yīng)用模塊，使用門檻不高。并且對于新時代IoT等趨勢的驅(qū)動下，RISC-V對比其余架構(gòu)存在較大的優(yōu)勢，國內(nèi)企業(yè)提前布局，或可成為該行業(yè)巨頭之一。自2018年開始，在國內(nèi)的半導(dǎo)體技術(shù)圈里，已經(jīng)掀起了一場關(guān)于RISC—V的討論熱潮。
9月20日上午，中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(China RISC-V Industry Consortium，CRVIC)成立大會在張江的上海集成電路行業(yè)協(xié)會會議室成功召開。吸引芯原控股、芯來科技、上海賽昉科技、杭州中天微、北京君正、兆易創(chuàng)新、紫光展銳等多家單位加入，芯原控股有限公司擔(dān)任聯(lián)盟首任理事長單位。
設(shè)立聯(lián)盟為搭建產(chǎn)業(yè)交流平臺，推動RISC-V廣泛應(yīng)用；推動RISC-V人才培養(yǎng)，建立高校培養(yǎng)計劃；推動會員協(xié)同發(fā)展，建立長效合作機制；承接RISC-V全球基金會活動，深化國際合作交流。RISC-V在IoT等新興領(lǐng)域擁有得天獨厚的優(yōu)勢。
參考來源：馭勢資本? 中金公司研究部
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