阿里玄铁RISC-V指令集架构
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2020-12-23 03:03
平头哥是阿里全资的半导体芯片业务主体，主要针对下一代云端一体芯片新型架构开发数据中心和嵌入式 IoT 芯片产品，拥有面向行业应用以 CPU 、芯片平台、 OS 及算法为核心的全栈技术。目前发布产品包括玄铁系列 RISC V 处理器、无剑SoC芯片设计平台、含光 AI 芯片等，在各大行业领域得到应用。
RISC-V是一种指令集，Risk Five，V即罗马数字5。该指令集是RISC系列指令集的第五代产品。RISC-V是一种基于“精简指令集（RISC）”原则的开源指令集架构。指令集：存储在CPU内部，引导CPU进行运算，并帮助CPU更高效运行，介于软件和底层硬件之间的一套程序指令合集。
RISC-V 是2010 年新出现的开源精简指令集架构，架构设计上没有历史包袱，采用的理念和方法较为先进。和主流架构x86/ARM 相比，RISC-V 架构架构篇幅更少，基本指令集更少，支持模块化和拓展性，开源免费，满足差异化和定制化的需求。但RISC-V 架构出现时间晚，适配软件和工具方面沉淀不足，生态环境尚需构建。目前国内芯片厂商中，阿里平头哥基于RISC-V 架构推出了数据中心和嵌入式IoT芯片产品。
相比于移动端、PC 等消费终端应用，IoT 应用场景繁多，对处理器的需求较为碎片化，同时对功耗有着较高要求。我们认为，兼具精简和灵活的RISC-V 架构，满足IoT 对处理器的需求，能够从IoT 市场切入，从而不断扩大市场份额。随着RISC-V 基金会成员的快速增长，配套软件工具等生态环境不断完善，RISC-V 已经开始加速落地。
CPU（中央处理器），也被称为微处理器，相当于电子产品的大脑。在通信领域当中，几乎所有的重要信息都要由这个“大脑”所掌控，CPU芯片和操作系统是网信领域最基础的核心技术。
CPU主要有两大指令集：
复杂指令集（Complex Intruction Set Computer，CISC）架构——x86
精简指令集（Reduced Intruction Set Computer，RISC）架构——ARM、MIPS和RISC-V
CPU的架构一直以来是x86与ARM的天下，而自2010年RISC-V诞生以后，隐约在CPU架构呈现出三足鼎立的趋势。
X86：传统PC市场的主流，善于处理大数据，IP掌握在英特尔和AMD手中。
ARM：移动（手机）市场，处理快数据为主，目前也使用在便携笔记本中，IP大部分掌握在ARM公司。
RISC-V：当需要同时兼顾数据传输速度与传输量时，这两类主流架构的胜任能力有限。RISC-V表现出了较强的优势。
1981年，在David Patterson的带领下，加州大学伯克利分校的一个研究团队起草了RISC-1，是今天RISC架构的基础。随后在1983年发布了RISC-II原型芯片，1984年和1988年发布了RISC-III和RISC-IV。
RISC的设计理念也催生了一系列新架构，如MIPS、服务器的王者IBM PowerPC以及现在统治嵌入式市场的ARM。
2010年，加州大学伯克利分校的研究团队设计并推出了一套基于BSD协议许可的免费开放的指令集架构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“精简”。虽然与ARM同属于精简指令集架构，但因RISC-V是近年来才推出，没有背负向后兼容的历史包袱，架构短小精悍。相比于x86和ARM动辄几百数千页，RISC-V的规范文档仅有145页，且“特权架构文档”的篇幅也仅为91页。
1、模块化：RISC-V将不同的部分以模块化的方式组织在一起，并试图通过一套统一的架构来满足各种不同的应用场景，这种模块化是x86与ARM架构所不具备的。
2、指令数目少：受益于短小精悍的架构以及模块化的特性，RISC-V架构的指令数目非常的简洁。基本的RISC-V指令数目仅有40多条，加上其他的模块化扩展指令也总共只有几十条指令。
RISC-V全面开源，且具有全套开源免费的编译器、开发工具和软件开发环境（IDE），其开源的特性允许任何用户自由修改、扩展，从而能满足量身定制的需求，大大降低指令集修改的门槛。
同类产品中，ARM需要支付高昂的IP费用才可使用，甚至需支付“预付款”才可看到细节。
2015年，RISC-V基金会正式成立，吸引了包括英伟达、NXP、三星、Microsemi在内等企业的加入。迄今为止，该基金会已吸引了全球28个国家327多家会员加入。RISC-V基金会负责维护RSIC-V指令集标准手册与架构文档，每年RISC-V基金会都会举办各种专题讨论会和全球活动。
因为x86适合处理大量数据，在传统PC与服务器领域处于霸主地位。
在手机带来的科技革命趋势下，需要快速处理数据，ARM架构在手机处理器IP领域一统江湖。
在半导体的历史上，X86、ARM作为主流架构一直都占有着很大的市场。随着物联网时代的来临，而RISC-V作为新兴架构，以其精简的体量，或许在未来的IoT领域中能取得绝对的优势。
因为IoT领域对AI芯片即要求高计算能力，又需要低延迟。所以，IoT芯片设计速度要快、成本要低、能量身定制。
同时嵌入式市场具备少量多样的特点，在各细分应用场景并未形成真正壁垒，架构的选择五花八门。
因此，这是RISC-V绝佳的突破口。RISC-V的开源能降低成本，也能让用户自由修改，可定制化，RISC-V生态与敏捷设计同源。目前，国内外已有多家芯片企业投入大量资金研发RISC-V在IoT领域的应用。
未来的物联网大概会有300亿个设备被链接起来，那么物联网安全并不是奢侈品，而是必需品。而RISC-V的开源特性允许广泛的受众检查其体系结构，并在它们成为大范围的安全事件之前纠正它们。RISC-V可以通过提供“修复”核心而无需实际更改核心的机会来影响我们现有的网络犯罪流行。
根据SiFive首席执行官Naveed Sherwani的预测，两年之后RISC-V就会进军手机市场，与高通、苹果、三星、联发科等ARM公司抢智能手机处理器市场，同时有可能威胁低功耗笔记本处理器。
目前ARM公司的营收数据略有下滑，2017与2018年，ARM的设计IP市占率分别下滑1.6%及1.5%。因此，ARM也作出了相应的改善策略。2019年7月，Arm推出新的授权模式“Flexible Access”：对于中低阶芯片的授权，未来客户不再需要缴纳“预付款”才能看到设计细节。
虽然目前RISC-V的高性能市场一片空白，但RISC-V本身用来设计高性能芯片是没有问题的，学术界已经有基于RISC-V架构的511核处理器（Celerity）。只是基于RISC-V的低门槛特点，进入的企业体量较为小巧，没有足够的资金做长期布局与研发，高性能等需要较长研发时间的领域尚无人尝试。
根据SiFive首席执行官Naveed Sherwani的预测，5年后RISC-V指令的处理器就有可能进军服务器市场，AMD、英特尔这样的x86处理器公司也许将要担心。
硬盘本身并不需要像SSD那样庞大的计算资源，但是由于新的磁记录技术，更复杂的功能（例如，基于NAND Flash的缓存，健康管理，QoS），它们的处理要求也在增长增强等。这对存储器中控制芯片的计算能力要求变高了。
2017年，根据IDC和希捷的数据，2016年全球产生了16.1个ZB（ZetaBytes）数据，到2025年全球数据球体将增长一个数量级到163个ZB。并且需要实时处理和低延迟的数据量正在增长。
虽然数据可以就近传输到附近的服务器汇总进行处理，这需要更为强大的服务器，但服务器本身对处理快数据的效率不高，因此硬盘不仅存储数据，还需要处理它。
2018年基于RISC-V的软件工具和IP全球营收5000万美元，2025年将达到20倍
目前RISC-V被认为最适合应用在IoT市场。因为IoT市场的情况更为灵活，是一个“碎片化”的市场，客户需求相对多样化，目前尚无任一架构统一市场，而RISC-V具有低功耗、低成本、灵活可扩展及安全可靠的特性。
虽然RICS-V本身是开源免费的，但是用户对RICS-V的架构进行使用和修改后可以进行销售。
CPU架构的影响力主要是依赖他生长的一整套生态系统，比如基于x86的Windows，基于ARM的Android。RISC-V现在最缺的是生态系统，特别是IoT碎片化的性质，没有一个统一的软件栈生态。
RISC-V基金会其实对此并不做任何定义，生态系统的搭建交予使用者来自行发挥。并且生态系统并非一蹴而就，根据RISC-V基金会亚太区副秘书长郭雄飞所言，唯有RISC-V MCU大规模量产，开发者真正随手可得，相应的软件生态才能大规模爆发。
ARM、MIPS和RISC-V皆属于精简指令集（RISC）架构。
在智能手机时代，由于MIPS选择消费电子时，Arm选择了手机市场，即使ARM与MIPS的诞生时间相差些许，但更晚出现的Arm成为了智能手机时代的标签。
MIPS和RISC-V两者的架构也相差不大。因此，在2018年12月MIPS宣布开源之后，MIPS可能成为RISC-V在AI时代强有力的竞争者。并且基于MIPS指令集的芯片已经有100亿颗的出货，这意味着MIPS处理器在机顶盒、录音笔、智能手表等市场已经非常成熟。未来，政策、生态、软件等方面的因素是两个指令集在AI时代竞赛的重要考量。
目前所有的通用x86架构处理器技术都掌握在英特尔和AMD公司手中，ARM则也受到美国政策的限制。同时信息安全也是近几年来一直在强调的话题。在政府、海关、金融、铁路、民航、医疗、军警等重要部门，保障其通信安全尤为重要。
但RISC-V的开源特性，使得国内企业可以继续使用。同时因为其模块化的设计，可以直接应用模块，使用门槛不高。并且对于新时代IoT等趋势的驱动下，RISC-V对比其余架构存在较大的优势，国内企业提前布局，或可成为该行业巨头之一。自2018年开始，在国内的半导体技术圈里，已经掀起了一场关于RISC—V的讨论热潮。
9月20日上午，中国RISC-V产业联盟(China RISC-V Industry Consortium，CRVIC)成立大会在张江的上海集成电路行业协会会议室成功召开。吸引芯原控股、芯来科技、上海赛昉科技、杭州中天微、北京君正、兆易创新、紫光展锐等多家单位加入，芯原控股有限公司担任联盟首任理事长单位。
设立联盟为搭建产业交流平台，推动RISC-V广泛应用；推动RISC-V人才培养，建立高校培养计划；推动会员协同发展，建立长效合作机制；承接RISC-V全球基金会活动，深化国际合作交流。RISC-V在IoT等新兴领域拥有得天独厚的优势。
参考来源：驭势资本 中金公司研究部
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