在這個夏秋之交，IC設計行業內流行最廣的一件事應該就是RISC-V。
首先是中國RISC-V產業聯盟9月在上海成立，其次是SiFive舉辦的RISC-V中國巡迴研討會，分別在深圳、武漢、上海、成都和北京5座城市，60場專業演講，1200名參會者掀起了一股RISC-V旋風。最近的一件事是上海市政府發文支持鼓勵企業自主研發RISC-V架構芯片，上海成為第一個將RISC-V列入政府扶持對象的城市。
一、RISC-V產生背景
談起RISC-V，必須首先弄明白ISA。ISA是工業標準體系架構（Industrial Standard Architecture）的簡稱。ISA對芯片設計的影響巨大，ISA決定著每一家芯片公司的產品業態，例如英特爾為什麼不做移動芯片，因為99%的移動手機/平板電腦是基於ARM v7/v8 架構體系。ARM的合作伙伴為什麼不做服務器，因為99%便攜式電腦/桌面機/服務器是基於AMD64架構體系（超過95%以上是英特爾構建）。IBM為什麼一直在做大型商業服務器，因為大型服務器的核心是IBM 360，它是生存時間最長的ISA，已超過50年生命週期。
ISA標準是計算機系統連接軟硬件最重要的界面，但是在ISA領域免費開放的標準體系很少，不像其他領域有充足的開源架構。
表一、各個領域的開源架構比較（資料來源：SiFive）
歷史上有許多大公司推出了一系列有名的工業標準架構：數據設備公司（Digital Equipment Corporation）沿用幾十年的PDP-11、VAX、Alpha；英特爾從i960、i860，一直到今天的Itanium安騰處理器架構；接連被收購的MIPS（先是Imagination ，後是初創公司Wave AI）；以及我們熟知的SPARC，Sun公司曾經開放SPARC，後被Oracle收購，現在已關門大吉了。
今天在市場上有許多基於SoC的ISAs，較為流行的有：移動通訊應用處理器，以ARM為最通用；各種圖形處理使用的Graphic處理器；圖像處理Image處理器；在無線數字信號領域的Radio DSPs；此外還有安全處理器（Security processor）；電源管理處理器（Power-management processor）等等。這裡面多是基於SoC的ISAs，每個都有自己獨特的軟件棧。
現在我們在各種應用中需要眾多各不相同的ISAs，大部分需要授權，授權就意味著花錢。有些ISA還會隨著時間消失，假如有一個穩定長期可用的，而且是免費和開放的ISA，我們可以用它來完成各種應用，是不是一件很開心的事呢？因此，RISC-V應運而生。
二、RISC-V的起源
到底什麼是RISC-V？RISC-V的主要研發者之一、SiFive聯合創始人和首席構架師Krste Asanovic告訴我們：“RISC-V是一個高質量的、無使用許可證的、無版權費的RISC ISA，它最初是來自伯克利的規範，由無盈利組織RISC-V基金會做標準維護，適合各種類型的計算機系統。從微處理器到超級計算機系統，眾多的專有和開源內核可為工業界和學術界快速的體驗採用，而且還有不斷增長的共享軟件生態系統支持。”
2010年伯克利加州大學（University of California, Berkeley，以下簡稱伯克利）在使用MIPS、SPARC、和x86作為標準開展了多年的研究後，認為有必要選擇一個新的ISA作為下一代項目的系統構架標準，他們認為現在的x86和ARM結構太過複雜，其次還有IP知識產權問題。伯克利在2010年夏天啟動了一個叫“三月項目（3-month project）”的課題，目標開發新的ISA。四年後的2011年5月發佈了第一個基本用戶規格書User ISA v1.0，並進行了流片驗證。2011年，發佈了以RISC-V為架構設計的Raven-1芯片，採用了28nm FDSOI工藝；2012年首個Rocket 芯片流片，採用45納米工藝；2013年Linux Port問世；2014年發佈User ISA v2.0 IMAFD，Hot chips 2014；2015年成立了RISC-V 基金會。
2016年英偉達（NVIDIA）發佈了首個商業軟核，這也是第一個RISC-V商業SoC。2017年西部數據發佈了Privileged Arch，v1.10，這也是商業RISC-V應用的另一款SoC。
三、RISC-V有什麼不同？
有人形容RISC—V與其他ISA最大的不同是“大道至簡”。
大道至簡的理念首先是“簡單”，RISC-V遠比其他商業ISAs小。現代x86與ARM架構的文檔長達數千頁，且版本眾多，而RISC-V架構文檔不超過300頁。熟悉體系結構的工程師僅需一至兩天便可通讀，雖然RISC-V的架構文檔還在不斷地豐富，但是相比x86與ARM，RISC-V的篇幅可以說是極其短小精悍。
所以有人稱RISC-V設計是“乾淨的石板（clean-slate design）”設計，意味著一切“從零開始”，“乾淨”地分離用戶和有特許權的ISA，也避開了u結構或工藝依賴的特徵。
RISC-V另一個最大不同是其模塊化的ISA設計，並且具備可擴展性。即基於ISA的小標準，帶有多重標準擴展，以較少的可變長度指令編碼對應廣闊的操作碼空間。其好處是穩定性高，基礎和標準擴展被固定，另外提供給客戶一個可選擇的擴展空間。
這種模塊化架構特性是x86和ARM所不具備的。以ARM架構為例，ARM架構分為A、R和M三個系列，分別針對於Application（應用操作系統）、Real-time（實時）和Embedded（嵌入式）三個領域，彼此之間不能兼容。
模塊化的RISC-V架構可讓用戶靈活選用不同的模塊組合，以滿足不同的應用場景。例如，針對小面積低功耗嵌入式場景，用戶可以選擇RV32IC組合指令集，僅使用Machine Mode（機器模式）；而高系統應用操作系統場景，可以選擇RV32MFDC指令集，使用Machine Mode和User Mode（用戶模式）兩個模式，且它們之間的共同部分可以兼容。
“RISC-V並不是列在購物單上的備選商品，但各個國家的工程師都在瞄準它。他們認識到，它不僅僅是一個玩具和教學工具。”位於硅谷的Esperanto Technologies公司總裁兼CEO Dave Ditzel這樣形容RISC-V，“與Arm、MIPS或SPARC相比，RISC-V在編譯效率方面可能會節省30%-40%的時間，因為它實在太簡單了。”
表二、幾種芯片架構的性能對比（資料來源：SiFive）
四、RISC-V的行業採用狀況
最先採用RISC-V作為工業標準架構的公司是英偉達公司，NVIDIA公開宣佈他們所有的GPU都使用了RISC-V架構。其次是西部數據，他們宣佈每年上十億多的核都將向RISC-V轉移，將逐步取代其他商業核。其他的芯片公司也許正在等風口。
處於第二梯隊的小公司是一批有專有ISA 軟核的IP供應商。第一個採用 RISC-V的主流CPU IP公司是Andes，還有RISC-V嵌入式處理器IP的領先供應商Codasip。業界領先的半導體和嵌入式系統解決方案供應商Cortus（中國）最近宣佈將致力於發展RISC-V指令集的相關芯片產品，Cortus擁有一系列的Cortus ISA和RISC-V ISA的處理器核心、數字和軟件IP。
特別提及的是C-Sky，阿里巴巴旗下的中天微系統有限公司最近宣佈正式推出支持RISC-V第三代指令系統架構處理器CK902，支持物聯網安全功能。中天微推出了基於RISC-V的第三代C-SKY指令架構，同時發佈第一個32位低功耗CK902處理器。並將針對不同的產品應用場景，持續推出支持RISC-V的CPU IP系列。
受益於RISC-V風口最多的還是初創公司，RISC-V的出現使得他們可以不用花巨大的ISAs授權費用，很快進入CPU架構的設計之列，極大減少設計成本和設計週期。RISC-V可以幫助其建立一種完整的CPU和芯片設計硬件棧，使得非系統和芯片設計專家可以從容地設計芯片和CPU IP核，不需要有詳細的架構、RTL、版圖、驗證、工藝、代工關係、封裝、測試、IP採購和IP用途等方面的知識。Krste Asanovic博士說，“或許這些初創公司才是RISC-V風口的主力軍，目前大多數還是隱身的，至少到明年才會現身RISC-V行列。”
五、政府和學術機構推動RISC-V
政府是另一個推動RISC-V的動力。印度是第一個採用RISC-V作為國家ISA標準的國家；美國的DARPA（國防高級研究計劃局）最近在向國會發出的安全呼籲提案中建議使用授權RISC-V；以色列創新管理局創建了RISC-VGenPro 孵化器；其他政府許多還處在調研階段中。
Krste Asanovic博士呼籲：“如果你的國家希望控制自身信息基礎設施的安全，促進其本土半導體產業發展，就支持RISC-V吧！”
RISC-V在學術領域也正在成為熱門。早在2016年，MIT 的研究人員就在Sanctum 項目中嘗試使用 RISC-V 實現Intel SGX 類似的功能基礎PoC。密歇根、康奈爾、華盛頓以及加州大學聖迭戈分校等幾個大學，已迅速開發出500多個RISC-V核的SoC，採用16nm FinFET工藝。作為RISC-V的大本營伯克利，聯合FireSim 在雲中開展建模1024四核RISC-V的服務；劍橋大學開發出信息安全領域的RISC-V芯片。
RISC-V開放式架構完善了整個芯片與系統的創新週期，從研究、教育到工業，開放生態系統是保持有效力的創新週期前進的關鍵因素。
表三、SiFive RISC-V定製化設計（資料來源：SiFive）
六、RISC-V：提升我國設計業軟實力的一次絕佳機遇
RISC-V意味著每一個項目和每一位客戶將擁有自己的定製核。Krste Asanovic向我們解釋說；“依靠強大的RISC-V生態系統平臺，有成千上萬的志願者在助力你，他們是一支幫助你定製化的虛擬團隊，讓你的工程師只需將注意力放在項目的焦點上，而不需要深入設計的細枝末節。”
在全球微處理器指令集架構被ARM和英特爾x86壟斷的形勢下，RISC-V開源架構的橫空出世，極有可能打破這一格局，並給我國處理器IP帶來“自主可控”的發展契機。如前所述，在印度、美國和許多國家明確大力發展RISC-V指令集IP並已開始進入商用的階段，我們的設計業者如何跟上節奏，提升集成電路設計的軟實力，這是一個非常重要的機遇。
2016年成立的RISC-V基金會吸引了IBM、NXP、西部數據、英偉達、高通、三星、谷歌、特斯拉等眾多國際企業參與，我國也有華為、中天微、中興微、阿里、高雲、中科院計算所等150多家企業與科研機構加入，但真正宣佈基於RISC-V指令集開發IP核的企業目前仍是鳳毛麟角。芯來科技創始人曾感慨道：“我們總是談追趕這個追趕那個，但是一個新的技術出現，卻又視而不見，眼看著又要錯過一個時代，以後又要談追趕了。”是的，不要輸在起跑線上。現在RISC-V正在起步階段，我們如果抓住這個機遇，就會擺脫過去長期依賴x86和ARM架構的被動局面，進入“自主研發”的快車道。
我們認為，發展RISC-V最主要的“抓手”是解決生態環境系統，在生態背後則要狠抓“人才、資金和政策”三把斧。
人才方面，目前軟硬件開發者皆基於成熟的ARM架構開發，要聚集一群有志於開發RISC-V指令集的人才是關鍵。資金方面，要開發一款中等水平的成熟CPUIP核，每年投資至少也要500萬人民幣。投入產出不成正比，也是很多企業擔心的理由。
在政策方面，目前大陸只有上海市政府出臺了支持文件，如果企業基於RISC-V指令集開發32位及以上的處理器芯片，且所用內核擁有國產自主知識產權，銷售額達到1000萬元以上，便可獲得一定的資金支持。但RISC-V開發還處於起步階段，達到1000萬的銷售額不是一蹴而就的。所以要取得政府支持，還是有一定門檻限制。
有專家指出，我們應學習美國西部數據的閉環模式。高雲半導體的專家指出，“西數之所以宣佈其全部產品都基於RISC-V做開發，就在於它是一個封閉的環境，開發的IP不是賣給第三方，而是用在自己的硬盤控制器上，解決了生態不完善的難題。大陸的華為、中興等系統商已經具備這個實力，如基於RISC-V開發一款通信設備的專用芯片，加上自己開發的軟件，可在內部形成一個生態閉環。”
另外，我們也看到國內的許多CPU公司如飛騰、龍芯和君正，IP公司如國芯、中天微，FPGA公司高雲等，已經加入到這場RISC-V研發的“盛筵”中，本土確實需要一批這樣的帶頭企業。正如這位半導體專家指出的，“從企業自身來說要做到三點，一是，不能以盈利為目的進行RISC-V IP核的開發，否則只會適得其反；二是，一定要以市場為導向，找準自己的市場定位和客戶群，且在IP核開發時就跟市場銜接好；三是趕緊行動，如果再等上個三五年，就真的難有機會了。”
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