全文共4632字，预计阅读时间14分钟

作者 | 朱星宇-新氦战略部实习生 

编辑 | Emily Cheng、Poppy Tan

声明：本文章发布目的在于传递更多信息，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责。如涉及作品内容、版权和其它问题，请及时与我司联系，我们将在第一时间处理！

计算机指令就是指挥机器工作的指示和命令，程序就是一系列按一定顺序排列的指令，执行程序的过程就是计算机的工作过程。而CPU指令集（ISA, Instruction Set Architecture）就是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。而指令集的先进与否，也关系到CPU的性能发挥，它也是CPU性能体现的一个重要标志。

不同的操作系统、应用软件都是建立在对应的底层处理器架构之上。例如英特尔的 CPU 和微软的 windows，ARM系列芯片和安卓系统及应用，苹果处理器与 IOS 系统及应用。CPU 指令集主要分有两大阵营，一是以 Intel 和 AMD 的复杂指令集（CISC）， 二是以 ARM、MIPS、PowerPC、RISC-V 为主的精简指令集（RISC）。

（长城证券研究所）

IP核是知识产权核或知识产权模块，在EDA技术开发中具有十分重要的地位。美国著名的Dataquest咨询公司将半导体产业的IP定义为“用于ASIC或FPGA中的预先设计好的电路功能模块”。IP核主要分为软核、固核和硬核。软核是用Verilog / VHDL等硬件描述语言描述的功能块，但是并不涉及用什么具体电路元件实现这些功能，因此用户可以综合出正确的门电路级设计网表，并可以进行后续的结构设计，具有很大的灵活性；固核的设计程度则是介于软核和硬核之间，除了完成软核所有的设计外，还完成了门级电路综合和时序仿真等设计环节。一般以门级电路网表的形式提供给用户；硬核是基于半导体工艺的物理设计，已有固定的拓扑布局和具体工艺，并已经过工艺验证，具有可保证的性能。其提供给用户的形式是电路物理结构掩模版图和全套工艺文件，是可以拿来就用的全套技术。

现在主流处理器架构是PC处理器x86和手机处理器 ARM，x86架构被 Intel 和 AMD 垄断，ARM 架构被 ARM 公司垄断。其他处理器设计公司想自主设计就要有授权。而ARM 的授权主要分为3种：

一是指令集架构级别的授权，苹果和华为就是指令集架构授权（华为-ARMV8）；

二是 IP 核（软核）授权，无法对指令集架构修改，只能修改IP核；

三是 IP 核（硬核）授权，一切不能改动，包括工艺参数选择，直接调用。

华为旗舰手机CPU芯片麒麟980、990均采用

ARM IP-Cortex-A76架构定制

2019年5月16日，美国商务部工业与安全局(BIS)将华为列入“实体清单”，ARM公司也一度拒绝授权给华为ARM新的指令集和IP核，这将造成两大影响：一是ARM发布下一代IP核（Cortex-A77）后，华为只能使用ARM V8架构自主设计IP核跟进或是采用原IP（Cortex-A76）进一步开发，研发速度和资金投入是关键。而高通可以直接通过这个新IP核（Cortex-A77）定制新一代芯片高通骁龙865。二是当ARM发布下一代指令集架构（例如 ARMV9、V10）时，华为需要在ARMV8的基础上自主开发出“ARMV9” 指令集架构，技术难度比IP核大很多。同时华为自创的“ARMV9”生态系统需要和ARM系统兼容。（ARM中国在19年9月宣称并不会中断与华为合作，未来华为依旧可以得到授权）

RISC-V是基于精简指令集 (RISC)建立的开放指令集架构 (ISA)，由加州大学伯克利分校的 David A. Patterson 教授提出，具有完全开源、架构简单、易于移植、模块化设计等优点，由硅谷相关公司于 2015 年发起并成立的 RISC-V 基金会统一维护。

分析机构Semico Research预测，到2025年，市场将总共消费624亿个RISC-V CPU内核2018年至2025年复合增长率高达146%，涵盖计算机、消费者，通讯、运输和工业等细分市场，其中工业领域将成为最大的细分市场，拥有167亿个内核，占总体销量的 26.76%。

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。根据Tractica的预测，基于RISC-V的IP和软件工具的全球收入将在2025年增加到11亿美元，高于2018年的5200万美元。

在芯片架构领域，ARM的垄断地位越发明显，缺乏竞争导致ARM IP授权越来越贵，许多ARM的客户例如高通、Google等纷纷加入了开源架构RlSC-V的阵营。RISC-V的这些特点其相继吸引来 IBM、NXP、西部数据、英伟达、高通、三星、谷歌、华为、阿里、Red Hat 与特斯拉等 100 多家科技公司加入其阵营，行业也不断在围绕它构建生态系统，对 ARM 等竞争对手造成了巨大的冲击。2015年，RISC-V 基金会正式成立。截至19年8月12日，该基金会已吸引了全球28个国家327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。

RISC-V基金会成员

1981年，美国加州大学伯克利分校的David Patterson教授提出了精简指令集RISC的观点，这与X86那类复杂指令集CISC是相对的，RISC主张精简指令种类和格式，倡导硬件应重点加速常用的指令，达到降低功耗、提高效率的目的。

2010年，同样是在美国加州大学伯克利分校，Krste Asanovic教授正在为选择何种指令集来开展他的一系列教育项目而烦恼。在比较过后，因为X86是封闭的，Arm架构授权费太贵，社区化运营的OpenRISC要求所有的指令集改动后必须开源，限制条件颇多。最后Krste教授决定结合现代设计需求，在RISC架构的基础上，抛掉不必要的历史包袱，自己做个开源的CPU指令集架构来使用。

2014年，Krste团队成功推出了一套基于BSD协议许可的免费开放的指令集架构RISC-V。

2015年，融合了产学研各界的RISC-V基金会正式成立。

2017年，印度政府表示将大力资助基于 RISC-V 的处理器项目，使 RISC-V 成为印度的事实国家指令集。

2018年7月，上海成为国内第一个将 RISC-V 列入政府扶持对象的城市。

2018年10月17日，中国 RISC-V产业联盟（China RISC-V Industry Consortium，简称 CRVIC）在上海张江正式成立，芯原微电子担任联盟首任理事长单位，君正、晶心、芯来、致象尔微担任副理事长单位，截止 2019 年底，联盟已有 130 余家会员单位。

2018年11月8日，中国开放指令生态（RISC-V）联盟（China RISC-V Alliance，简称 CRVA）成立，由中国工程院院士、中科院计算技术研究所研究员倪光南任理事长，阿里（中天微）、百度、北京大学、长虹集团、清华大学、腾讯、中芯国际、紫光展锐等为副理事长单位，旨在以 RISC-V 指令集为抓手，联合学术及产业界推动开源开放指令芯片及生态的健康发展。

2020年1月13日，中国开放指令生态（RISC-V）联盟2019年会暨武汉产学研创新论坛在武汉顺利召开。武汉RISC-V产学研基地、RISC-V联盟武汉分中心、湖北省RISC-V产学研基地在本次大会上揭牌成立。会上，中国工程院院士、中国开放指令生态（RISC-V）联盟理事长倪光南表示“未来RISC-V很可能发展成为世界主流CPU架构之一，从而CPU领域形成Intel、Arm、RISC-V三分天下的格局。”

2020年3月20日，RISC－V基金会首席执行官Calista Redmond正式宣布，RISC－V基金会总部正式迁移到瑞士。此前RISC－V基金会总部位于美国，而RISC－V基金会迁移至瑞士就是为了避免受到美国芯片霸权主义的影响，确保美国以外的大学、政府和公司可以应用并开发其开源技术。

随着物联网时代的来临，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。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。后摩尔时代，基于领域的架构设计(DSA, Domain Specific Architecture)的设计理念逐渐成为共识和趋势；芯片需求海量化的同时，逐渐呈现出APP化的趋势，需要满足三个方面的特性：1.有效解决具体实际场景的问题；2.更快的市场响应速度；3.特性差异化和成本优势；使用RISC-V开放架构的处理器内核能够很好地满足AIoT芯片差异化和成本优势的要求。

在 RISC-V 的压力之下，ARM 也在调整业务模式。2019年7月，ARM 推出了 Flexible Access 业务模式。无需让合作伙伴在使用该技术之前预先支付许可费用，只需在产品准备好生产并开始发货时，向 ARM 支付许可费用和专利费用；在 2019 年的 ARM 技术大会上，ARM 宣布将在部分 ARMv8 Cortex-M 系列 CPU 内核中引入自定义指令功能，即客户能够编写自己的定制指令来加速其特定用例、嵌入式和物联网应用程序。“加入自定义指令功能”、“下调 IP 授权费”就是ARM应对 RISC-V 采取的举措。

在可见的未来，ARM 可能依然会占据中高端市场，但 RISC-V会在一些碎片化的市场领域，比如高校教育培训、物联网等领域占据比较大的份额。这是因为像物联网这样严重碎片化的应用场景，对客制化的需求非常大。而由于 RISC-V 天生的开放特性，使得其很适合于这种需要软硬件客制化的应用场景。

除了物联网领域，RISC-V还将在以下领域大显身手。

• 物联网安全：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。

• 手机市场：2019年12月12日年度RISC-V峰会上，三星披露了将SiFive RISC-V内核用于即将推出的各种应用芯片。其中之一是即将推出的5G RF前端模块进行的毫米波（mmWave）射频处理器，它将用于2020年三星旗舰5G智能手机。三星表示RISC-V内核还将用于AI图像传感器，安全管理，AI计算和控制。【根据SiFive CEO 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。】

  
  

• 服务器市场：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。】

  
  

• 存储市场：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，因此对存储器中控制芯片的计算能力要求变高了。需要实时处理和低延迟的数据量正在增长，因此硬盘不仅存储数据，还需要处理数据。【西部数据发布了两款新的SweRV核心产品SweRV Core EH2、SweRV Core EL2，都属于微控制器专用CPU。西数表示，EH1、EH2、EL2核心都会在近期出现在大量产品中，而这些核心都会继续对外开放，以壮大RISC-V的生态。】

RISC-V 目前最大的短板在于基于这一架构的生态发展还处于初级阶段。所谓 RISC-V 的生态包括开放架构标准、硬件生态、工具链软件生态、应用软件生态等内容。其中，硬件生态包括开源内核 IP、开源 SoC、商业 IP 等；工具链软件生态包括编译器、汇编器、链接器、调试器等开源工具链和商业工具链；应用软件生态就是操作系统、开发环境、应用软件等。

在这张 RISC-V 生态“拼图”上，除了最核心的开放架构标准，其余都需要从业者去完善。虽然正在完善这张“拼图”的玩家尚有一些，如赛昉（SiFive）中国、芯来科技、平头哥、台湾晶心科技（Andes）等，但整体而言生态发展还在起步阶段。

生态最重要的作用就是能让用户“快速上手”，比如参考设计等，即向智能门锁、手表、手环、电机控制、平衡车控制等特定市场打造的软硬件方案。当公司向客户推广的时候，客户第一时间就会问有没有参考方案。对于客户来说有了参考方案，只需要略微修改就可以定制出自己的方案。”没有参考设计，合作很难深入谈下去，但目前而言，拿出参考方案并不容易。

好消息是 RISC-V 的生态已在逐渐完善。使用 RISC-V 架构设计芯片的企业越来越多，从硬件 IP 到软件工具链，再到操作系统以及开发环境，都为设计企业带来了更多的选择，既有免费的开源版本，也有稳定高效的商业版本。并且由于软硬部分都是基于同一套体系架构标准，所以国内外很多公司和组织的技术演进、合作创新都在不断促进生态的完善。

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。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 作为新兴架构，拥有在 IoT 等新兴领域深耕的客观条件。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。随着人工智能、5G、边缘计算、区块链等技术的发展和成熟，将对传统计算需求形成巨大挑战，并创造出新的计算技术需求，国内 CPU 企业如能在此期间不断拓展产品谱系，将大有可为。