RISC-V将成中国芯片弯道超车新领航标

当时间进入2023年初，作为中国半导体从业者的我们，是否耳边总会听到这样一句话：

RISC-V将会成为中国芯片弯道超车道路上的新领航标？

关于这个问题，或许我们需要为此细细道来：

RISC-V，图片来自Google

开宗明义，定义先行。

首先，我们先来了解一下什么是RISC-V：

RISC：Reduced Instruction Set Computer，即精简指令集计算机。

RISC-V是基于RISC原理建立的免费开放指令集架构(ISA)，V是罗马字母，代表第五代RISC(精简指令集计算机)，可读作RISC-FIVE。

它是一款高质量、免许可证、开放的RISC ISA，是一套由RISC-V基金会维护的标准，适用于所有类型的计算系统。

如果说：Wintel（微软+英特尔）定义了PC时代，ARM+安卓定义了智能手机时代；

那么RISC-V或将其原本的规则完全打碎，以一种开源、简单、灵活的形式给更多人使用。

RISC-V与传统技术，图片来自Google

首先，我们需要了解什么是以RISC-V为代表的开源ISA：

芯片设计软件是一支支应用程式，需要有硬件才能运作，由于两者使用语言的不同，软件程式没办法与硬体的CPU直接沟通，得先转换为对方能理解的硬件语言，CPU才能依据收到的程式指令来执行。

这个用来与处理器沟通的主要介面，也就是指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA），才能让芯片设计软件在处理器上执行。

与传统封闭ISA架构不同的是：RISC-V最早是来自学术圈发起的一个开源晶片专案，由美国加州大学柏克莱分校一个Par Lab实验室团队率先提出的一个研究成果；包含RISC-V处理器实作和新的开源硬件描述语言Chisel，后来也支持以BSD授权方式开源释出，证明了其商业化的可能。

其次，RISC-V的设计原则，也符合我们所谓的“大道至简”：

RISC-V本身设计也相当简洁，只需要较少指令就能在硬体上执行；这样的好处是，CPU设计更容易，也较不占空间，执行速度也可以更快。

目前的“RISC-V架构文档”分为“指令集文档”（riscv-spec-v2.2.pdf）和“特权架构文档”（riscv-privileged-v1.10.pdf）。

“指令集文档”的篇幅为145页，而“特权架构文档”的篇幅也仅为91页；虽然“RISC-V的架构文档”还在不断地丰富，但是相比“x86的架构文档”与“ARM的架构文档”，RISC-V的篇幅可以说是极其短小精悍。

RISC-V提供了一些自选指令的扩充，采用者可视应用需求，自行搭配组合常用的RISC-V指令，目前常见扩充指令，像是有整数乘除法、不可中断指令（Atomic）、单精度／双精度浮点运算、压缩指令等等。

单是标准指令加上扩充指令（M、A、F、D、C），仅不到140个指令就能实作出一颗完整功能的CPU，相较之下，Arm指令集数目最少数百个以上，例如，ARMv8就超过500个指令，指令格式种类也比RISC-V多一倍。

最后，从技术上来看，RISC-V最大特色就是其可扩充的灵活性：

不像Arm架构指令集，除了一般常用指令之外，RISC-V指令集本身预留了一个客制指令空间（custom instructions）的扩充弹性，让设计者可以自行客制指令。

以32位元RISC-V指令集为例，RISC-V本身提供相当于4个25位元长度的指令扩充空间，可供用户替CPU增加专用指令，单是一个25位元的空间，就可以定义300个指令，4个合计就多达1,200个指令；这也意味着，CPU使用上的运用弹性将会大大提升。

那么，RISC-V对于我国的半导体产业而言又意味着什么：

当前 RISC-V 成员列表，图片来自IEEE

众所周知，寻找一个被商业认可、突破国外”技术垄断“的芯片技术，是我国半导体行业当下的首要任务：

随着物联网、5G 通信、人工智能等技术的兴起，越来越多的物联网和嵌入式设备成为 RISC-V 最先落地的领域和最大的应用市场。

各国研究机构及企业纷纷加入研究和开发行列，像百度、腾讯、华为等都加入了RISC-V国际基金会，发力RISC-V芯片，目前25 个 RISC-V 国际顶级成员中有 13 个来自中国，包括阿里云、华为技术有限公司和中兴通讯、腾讯、百度等等。

RISC-V 不仅打破了现有指令集架构环境下英国 ARM 公司和美国Intel公司的两强垄断格局，而且建立了一个开放的生态及框架来推动全球合作和创新。

基于以上，我们当然也要在RISC-V 技术拓展之路上加紧步伐向前迈进：

2021 年，在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》中，我国首次明确将“开源”列入五年发展规划；

“十四五”期间，将支持数字技术开源社区等创新联合体发展，完善开源知识产权和法律体系，鼓励企业开放软件源代码、硬件设计和应用服务。

2020 年 2 月，广东省人民政府办公厅印发的《加快半导体及集成电路产业发展若干意见的通知》中明确将 RISC-V 芯片设计列入广东省重点发展方向。

与此同时，在国内泛在计算领域，RISC-V 的研究及应用或已深入实际生活中：

以南京南站、杭州东站、白云机场为例，一种高精度，三维立体的定位及引导系统已经开始测试使用了。

正如中国科学院院士梅宏所说：“当前人机物融合泛在计算的新阶段，带来了信息化发展的新蓝海，也呼唤新型操作系统的发展，我将其称之为泛在操作系统。而其中随着RISC-V 的出现则让已精准定位为前提的智慧城市成为了可能。”

以中国科学院计算技术研究所（以下简称“计算所”）泛在计算团队为例，其在开展了基于 RISC-V 内核在物联网设备中的应用与智慧城市等的泛在计算实践的研究之余，也在前往RISC-V 核心的轻量级神经网络处理器的研究道路上不断探索。

中国芯片精简指令集计算机指令集架构

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