RISC-V作為一種開源的芯片計(jì)算架構(gòu)，主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化、手機(jī)、服務(wù)器等多個(gè)領(lǐng)域，是當(dāng)前半導(dǎo)體領(lǐng)域最為火熱的賽道之一。當(dāng)前芯片計(jì)算架構(gòu)呈現(xiàn)出“x86、ARM、RISC-V三分天下”的格局，其中基于x86和ARM架構(gòu)的占據(jù)了95%以上的份額，行業(yè)廠商大多只能在這二者之間選擇，但因ARM授權(quán)費(fèi)用昂貴，傳統(tǒng)x86授權(quán)又過于復(fù)雜，因此基于指令精簡(jiǎn)、模塊化、低成本、可擴(kuò)展性、易實(shí)現(xiàn)性等優(yōu)勢(shì)，RISC-V正在成為搭建計(jì)算生態(tài)的一種新選擇。

01

指令集架構(gòu)產(chǎn)業(yè)背景

芯片是現(xiàn)代智能設(shè)備完成各類計(jì)算、推理、判斷和控制工作的核心，但芯片何時(shí)運(yùn)算、如何運(yùn)算，須由系統(tǒng)發(fā)出指令。由程序軟件發(fā)出的指揮CPU內(nèi)部電路硬件協(xié)同工作的命令的集合，簡(jiǎn)稱為指令集，它是連接計(jì)算機(jī)硬件和軟件之間的橋梁。

籠統(tǒng)來講，軟件開發(fā)必須基于操作系統(tǒng)，而操作系統(tǒng)則是基于指令集架構(gòu)。例如當(dāng)前最為大眾所知的各類電腦軟件普遍是基于windows系統(tǒng)，而windows系統(tǒng)基于x86指令集架構(gòu)；又例如蘋果手機(jī)內(nèi)的各類APP開發(fā)基于iOS操作系統(tǒng)，而iOS操作系統(tǒng)基于ARM指令集架構(gòu)。

常見的指令集有兩種，一種是復(fù)雜指令集（CISC），x86就屬于復(fù)雜指令集；一種是精簡(jiǎn)指令集（RISC），家族成員有ARM、RISC-V、MIPS等。

（一）x86指令集：復(fù)雜指令集的代表

1978年，Intel公司開發(fā)出了16位的CPU，并命名為i8086。同年度Intel公司還開發(fā)出與之相配合的數(shù)學(xué)協(xié)處理器i8087，這兩種芯片使用相互兼容的指令集，再加上i8087用于對(duì)數(shù)、指數(shù)和三角函數(shù)等數(shù)學(xué)計(jì)算的指令集，就形成了今天人們常說的x86指令集，也是當(dāng)前最成功的業(yè)界技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

隨后的40年間，Intel陸續(xù)研制出i8系列、奔騰系列、酷睿系列等后續(xù)CPU型號(hào)。研制這些CPU芯片時(shí)，為了保持向前軟件兼容，Intel所有CPU繼續(xù)使用x86指令集，并根據(jù)CPU功能提升和性能增強(qiáng)的需要，增加了一系列擴(kuò)展類指令。隨著x86指令集與時(shí)俱進(jìn)，其CPU芯片功能也日益強(qiáng)大。但是另一方面，x86指令種類數(shù)量巨大，即使不常用到的功能也需要被整合進(jìn)處理器指令集中，同時(shí)復(fù)雜指令集系統(tǒng)每條指令的操作數(shù)尋址方式復(fù)雜，幾乎所有指令都可以直接訪問內(nèi)存，導(dǎo)致其耗電量不斷攀升。

Intel和AMD是全球最大的兩家x86指令集CPU芯片開發(fā)商，兩家公司的市值均突破千億美元。Intel多達(dá)上百個(gè)型號(hào)的CPU都屬于x86系列、AMD多達(dá)80多個(gè)型號(hào)兼容x86 CPU，x86指令集CPU芯片家族的陣容可謂是十分壯觀。

（二）ARM指令集：精簡(jiǎn)指令集的代表

隨著x86指令集的不斷完善，人們發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)執(zhí)行大多數(shù)程序時(shí)復(fù)雜指令集中的絕大多數(shù)指令都只在極少的時(shí)間才被用到，因此專門為這些指令設(shè)計(jì)硬件并不劃算。相反，使用精簡(jiǎn)指令集可以大大簡(jiǎn)化硬件的設(shè)計(jì)，從而使流水線設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)化，同時(shí)也讓流水線可以運(yùn)行更快。精簡(jiǎn)指令集其精簡(jiǎn)在于只保留最基本最必要的指令，將復(fù)雜功能完全交給上層的軟件算法和下層的專用外設(shè)去解決。

在1990年，由Acorn計(jì)算機(jī)公司、蘋果計(jì)算機(jī)、VLSI Technology合資成立了ARM（全稱：Advanced RISC Machines），隨后ARM發(fā)展成為全球領(lǐng)先的CPU IP提供商。因ARM架構(gòu)低功耗、低成本、高效率的特點(diǎn)與移動(dòng)端設(shè)備的要求相匹配，ARM拿下了當(dāng)時(shí)手機(jī)巨頭——諾基亞的訂單。在1994年，第一部采用ARM處理器的GSM手機(jī)——諾基亞6110上市并大獲成功，現(xiàn)今全世界超過95%的智能手機(jī)和平板電腦都采用ARM架構(gòu)處理器。

ARM公司自己不設(shè)計(jì)和銷售CPU芯片，收入來源主要是芯片設(shè)計(jì)IP授權(quán)許可及追蹤使用ARM技術(shù)銷售的芯片數(shù)量所得的交付使用費(fèi)，擁有ARM架構(gòu)授權(quán)的公司包括高通、蘋果、三星、微軟、海思等。2021年、2022年ARM公司年?duì)I收分別為27億美元、28億美元。

（三）RISC-V指令集：異軍突起的開源精簡(jiǎn)指令集

RISC-V于2010年誕生于加州大學(xué)伯克利分校，是一個(gè)基于精簡(jiǎn)指令集原則的開源指令集架構(gòu)，與大多數(shù)指令集相比，RISC-V指令集可以自由地用于任何目的，允許任何人設(shè)計(jì)、制造和銷售RISC-V芯片和軟件，且不會(huì)被收取高額的授權(quán)費(fèi)。RISC-V的設(shè)計(jì)使其很容易在不同的平臺(tái)上移植，因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)是相對(duì)簡(jiǎn)單和透明的，而且遵循了統(tǒng)一的規(guī)范和接口標(biāo)準(zhǔn)，使得軟件和硬件之間的互操作性更好。除了開放性、靈活性和可擴(kuò)展性之外，RISC-V還具有高性能和低功耗的優(yōu)勢(shì)。

此外，RISC-V架構(gòu)秉承簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)哲學(xué)，x86與ARM架構(gòu)為了能夠保持架構(gòu)的向后兼容性，其不得不保留許多過時(shí)的定義，導(dǎo)致其指令數(shù)目多，指令冗余嚴(yán)重，文檔數(shù)量龐大，所以要在這些架構(gòu)上開發(fā)新的操作系統(tǒng)或者直接開發(fā)應(yīng)用門檻很高。而RISC-V架構(gòu)則能完全拋棄包袱，借助計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)成為比較成熟的技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從輕上路，可以說是站在了巨人的肩膀上。RISC-V基礎(chǔ)指令集則只有40多條，加上其他的模塊化擴(kuò)展指令總共幾十條指令。RISC-V的規(guī)范文檔僅有145頁，而“特權(quán)架構(gòu)文檔”的篇幅也僅為91頁。

現(xiàn)階段的RISC-V更適用于芯片使用場(chǎng)景更碎片化、差異化的AIoT（人工智能物聯(lián)網(wǎng)）時(shí)代，使用RISC-V架構(gòu)的設(shè)計(jì)企業(yè)擁有更獨(dú)立的主導(dǎo)權(quán)，不會(huì)被競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手牽制。隨著半導(dǎo)體國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的加速以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用興起，眾多科技巨頭和初創(chuàng)公司等加快推進(jìn)開源生態(tài)，RISC-V架構(gòu)有望成為繼x86、ARM架構(gòu)之后芯片計(jì)算架構(gòu)的第三極。

02

國(guó)內(nèi)外龍頭重點(diǎn)布局RISC-V情況

（一）國(guó)際龍頭企業(yè)布局情況

相比于傳統(tǒng)閉源架構(gòu)，RISC-V具有更高的靈活性、可定制性和可擴(kuò)展性，這使得RISC-V成為了一個(gè)受到廣泛關(guān)注的新興技術(shù)。隨著谷歌、高通、英特爾、恩智浦、英飛凌等國(guó)際行業(yè)龍頭紛紛宣布入局并投入資源進(jìn)行研發(fā)和推廣，RISC-V正逐漸走進(jìn)主流市場(chǎng)。

1、SiFive。SiFive位于舊金山，是最早的RISC-V公司，創(chuàng)立于2007年，其創(chuàng)始人即是發(fā)明并開發(fā)RISC-V的加州伯克利大學(xué)團(tuán)隊(duì)。從2015年開始，該公司發(fā)布了許多基于RISC-V的處理器內(nèi)核，主要針對(duì)從單個(gè)客戶到主要制造商的各個(gè)級(jí)別的開發(fā)。2017年，SiFive發(fā)布了第一款支持Linux、Unix和FreeBSD的基于RISC-V的芯片——U54-MC Coreplex。2019年，SiFive為擴(kuò)展器產(chǎn)品組合，推出用于嵌入式架構(gòu)的64位微控制器S2 Core P系列。

SiFive目前擁有超過100個(gè)RISC-V處理器許可證，并且包括高通和SK海力士在內(nèi)的十大半導(dǎo)體公司中有六家是其客戶，其設(shè)計(jì)的芯片已開始商用，包括中國(guó)可穿戴設(shè)備公司華米科技生產(chǎn)的智能手表和韓國(guó)初創(chuàng)企業(yè)Fadu生產(chǎn)的存儲(chǔ)設(shè)備。當(dāng)前SiFive估值已超過25億美元，英特爾、高通、三星、SK海力士、西部數(shù)據(jù)等業(yè)界巨頭都是其投資者。

2、高通。2023年8月份RISC-V領(lǐng)域最爆炸性的新聞，是高通宣布將與恩智浦、北歐半導(dǎo)體、英飛凌以及博世聯(lián)合成立一家新公司，新公司計(jì)劃設(shè)立在德國(guó)，旨在推廣用于芯片設(shè)計(jì)的開源RISC-V架構(gòu)，通過開發(fā)下一代硬件來推動(dòng)RISC-V生態(tài)系統(tǒng)的擴(kuò)展。公告顯示，五家巨頭將先以汽車芯片為切入點(diǎn)，最終延伸到物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)領(lǐng)域，其目的是推動(dòng)RISC-V架構(gòu)在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用。

這家聯(lián)合公司的成立標(biāo)志著全球半導(dǎo)體行業(yè)的重要趨勢(shì)，不僅因?yàn)檫@五大傳統(tǒng)半導(dǎo)體巨頭公司的行業(yè)影響力，更重要的是高通作為ARM最大的客戶之一，已無法忍受ARM公司的多重收費(fèi)帶來的芯片設(shè)計(jì)成本負(fù)擔(dān)，芯片設(shè)計(jì)公司已經(jīng)開始站隊(duì)同屬精簡(jiǎn)指令集的RISC-V架構(gòu)。（ARM公司的“多重收費(fèi)”：芯片設(shè)計(jì)廠商從ARM的“架構(gòu)庫”里挑選合適的IP核，需先向ARM支付一筆數(shù)十到數(shù)百萬美元的許可費(fèi)才能得到授權(quán)，開始設(shè)計(jì)芯片；每次流片，都需向ARM支付一筆費(fèi)用；芯片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)后，還要根據(jù)芯片的銷售額繳納1-2%的版稅；還對(duì)部分客戶征收合作費(fèi)或年費(fèi)。此外，ARM依托市場(chǎng)壟斷地位，持續(xù)提升授權(quán)費(fèi)的定價(jià)。）

（二）國(guó)內(nèi)企業(yè)布局情況

國(guó)內(nèi)RISC-V從零起步，經(jīng)過5年的發(fā)展，現(xiàn)初具規(guī)模，已成為中國(guó)芯片領(lǐng)域最受歡迎的架構(gòu)，呈現(xiàn)出全產(chǎn)業(yè)鏈上下游全面布局的態(tài)勢(shì)，在全球100億顆RISC-V核心出貨量中，中國(guó)占比約50%。面對(duì)RISC-V架構(gòu)的興起，我國(guó)芯片廠商紛紛押注，包括阿里平頭哥、華為等龍頭企業(yè)，以及兆易創(chuàng)新、北京君正、芯來科技、奕斯偉等芯片廠商。

1、阿里平頭哥。平頭哥半導(dǎo)體有限公司于2018年9月成立，是阿里巴巴集團(tuán)的全資半導(dǎo)體芯片業(yè)務(wù)主體，其前身來自于達(dá)摩院和中天微，在被阿里巴巴全資收購(gòu)以前，中天微在芯片領(lǐng)域已經(jīng)深耕了18年，擁有十多年的處理器IP研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)期從事32位高性能低功耗嵌入式CPU研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，這也使得平頭哥率先擁抱RISC-V架構(gòu)并取得行業(yè)領(lǐng)先成績(jī)。

2019年7月，平頭哥發(fā)布當(dāng)時(shí)業(yè)界性能最強(qiáng)的RISC-V處理器玄鐵910，在性能指標(biāo)上，直接讓長(zhǎng)期受限于低端芯片市場(chǎng)的RISC-V逼近了如日中天的ARM；2021年5月，平頭哥推出RVB-ICE、RVB-D1、RVB2601三款開發(fā)板，為開發(fā)者和企業(yè)提供了體驗(yàn)RISC-V技術(shù)的橋梁；在2022 RISC-V中國(guó)峰會(huì)上，阿里平頭哥發(fā)布首個(gè)高性能RISC-V芯片平臺(tái)“無劍600”及SoC原型“曳影1520”。

作為全球最早一批布局RISC-V架構(gòu)的公司，平頭哥不僅打造了一套完整的RISC-V架構(gòu)處理器核產(chǎn)品家族，還推動(dòng)這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Android、Debian、Ubuntu等主流操作系統(tǒng)的全兼容，為全新的軟件應(yīng)用和終端設(shè)備提供生態(tài)基礎(chǔ)，也讓RISC-V得以和x86、ARM兩大主流架構(gòu)并駕齊驅(qū)。

2、兆易創(chuàng)新。兆易創(chuàng)新成立于2005年，于2016年上市，經(jīng)過多年內(nèi)生外延發(fā)展，公司目前業(yè)務(wù)主要包括存儲(chǔ)器、MCU、傳感器三大部分。兆易創(chuàng)新當(dāng)前市值超600億元，2021年、2022年?duì)I收分別為85億元、81億元，凈利潤(rùn)超20億元。

兆易創(chuàng)新是國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的MCU企業(yè)之一，其產(chǎn)品是國(guó)內(nèi)32位通用MCU領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，主要是ARM Cortex-M系列32位通用MCU產(chǎn)品，公司已成功量產(chǎn)38大產(chǎn)品系列、超過450款MCU。2019年8月，兆易創(chuàng)新率先將開源指令集架構(gòu)RISC-V引入通用微控制器領(lǐng)域，正式推出全球首個(gè)基于RISC-V內(nèi)核的GD32V系列32位通用MCU產(chǎn)品。這是兆易創(chuàng)新攜手RISC-V處理器內(nèi)核IP和解決方案廠商芯來科技面向物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合開發(fā)的一款商用RISC-V處理器內(nèi)核，同時(shí)提供從芯片到程序代碼庫、開發(fā)套件、設(shè)計(jì)方案等完整工具鏈支持并持續(xù)打造RISC-V開發(fā)生態(tài)。

3、北京奕斯偉計(jì)算。奕斯偉計(jì)算是一家以RISC-V為核心的新一代計(jì)算架構(gòu)芯片與方案提供商，其大股東為奕斯偉集團(tuán)，持股占比20.6%。奕斯偉計(jì)算作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的芯片設(shè)計(jì)及解決方案提供商，具備底層技術(shù)開發(fā)及芯片設(shè)計(jì)能力，堅(jiān)定布局RISC-V架構(gòu)和IP等核心技術(shù)，積極參與RISC-V開源軟件生態(tài)建設(shè)，推動(dòng)RISC-V架構(gòu)芯片產(chǎn)品的規(guī)模化應(yīng)用，主要圍繞智慧家居、智慧園區(qū)、智能交通、無線通信、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景，為客戶提供以RISC-V為核心的新一代計(jì)算架構(gòu)芯片與方案。

目前，奕斯偉計(jì)算已形成軟硬一體的全棧平臺(tái)，擁有32位和64位系列化CPU IP。32位自研CPU IP覆蓋從超低功耗電子標(biāo)簽，再到高能效無線連接等多種嵌入式應(yīng)用場(chǎng)景；64位高性能自研CPU IP也在多媒體、無線路由、邊緣計(jì)算等應(yīng)用場(chǎng)景落地；車規(guī)級(jí)32位、64位的CPU IP應(yīng)用于車用微控制器、輔助駕駛、車聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景，進(jìn)一步拓展和豐富RISC-V的應(yīng)用生態(tài)。

03

RISC-V產(chǎn)業(yè)分析

（一）RISC-V是我國(guó)芯片實(shí)現(xiàn)自主可控的重要路徑

在貿(mào)易戰(zhàn)背景下，自主可控成為必然趨勢(shì)，RISC-V的出現(xiàn)被認(rèn)為是中國(guó)處理器領(lǐng)域追求自主可控的重要選擇，通過RISC-V架構(gòu)可以擺脫國(guó)外x86和ARM的壟斷。x86和ARM作為處理器芯片的兩大架構(gòu)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)積累了大量的專利墻，新的公司要設(shè)計(jì)x86芯片，很難避開海量的專利封堵，但RISC-V是全新并且開源的。

此外，國(guó)內(nèi)外在RISC-V上的起步時(shí)間幾乎一樣，國(guó)內(nèi)企業(yè)有足夠時(shí)間積累自己的專利池，推出國(guó)產(chǎn)的私有IP和芯片，有助于國(guó)內(nèi)廠商快速設(shè)計(jì)出包含自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的定制化處理器內(nèi)核。因此，搶抓RISC-V發(fā)展機(jī)遇，是我國(guó)芯片實(shí)現(xiàn)自主可控的重要路徑。

（二）RISC-V是未來十年的黃金賽道

2015年，非盈利性組織RISC-V基金會(huì)成立，截至目前已經(jīng)有超過100個(gè)國(guó)家的3000多家企業(yè)和機(jī)構(gòu)加入。從谷歌到特斯拉，從英偉達(dá)到阿里巴巴，在聚集了數(shù)量眾多的科技巨頭之后，越來越多同行開始采用RISC-V架構(gòu)。

得益于全球企業(yè)和機(jī)構(gòu)的持續(xù)貢獻(xiàn)，RISC-V技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展速度遠(yuǎn)超眾人預(yù)期。目前，RISC-V架構(gòu)芯片的出貨量已達(dá)成100億顆里程碑，僅用十二年就走完了傳統(tǒng)架構(gòu)30年的發(fā)展歷程，據(jù)預(yù)測(cè)，2025年RISC-V架構(gòu)芯片更有望突破800億顆。可以說如今的RISC-V之于半導(dǎo)體，就像Linux之于個(gè)人電腦操作系統(tǒng)，安卓之于手機(jī)操作系統(tǒng)一樣，其獨(dú)特的開源特性受到全球開發(fā)者們青睞。

編輯：黃飛

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