RISC-V（發音為「risk-five」）是一個基於精簡指令集（RISC）原則的開源指令集架構（ISA），簡易解釋為開源軟體運動相對應的一種「開源硬體」。該項目2010年始於加州大學伯克利分校，但許多貢獻者是該大學以外的志願者和行業工作者。與大多數指令集相比，RISC-V指令集可以自由地用於任何目的，允許任何人設計、製造和銷售RISC-V晶片和軟體而不必支付給任何公司專利費。雖然這不是第一個開源指令集，但它具有重要意義，因為其設計使其適用於現代計算設備。設計者考慮到了這些用途中的性能與功率效率。該指令集還具有眾多支持的軟體，這解決了新指令集通常的弱點。
本期的智能內參，我們推薦西南證券的研究報告《布局RISC V，進軍IoT》，從RISC V的技術特點、設計理念、歷史沿革、優缺點等多方面解析RISC V架構。
一、什麼是RISC V？
CPU（中央處理器），也被稱為微處理器，相當於電子產品的大腦。在通信領域當中，幾乎所有的重要信息都要由這個「大腦」所掌控，CPU晶片和作業系統是網信領域最基礎的核心技術。 CPU主要有兩大指令集：複雜指令集（Complex Intruction Set Computer，CISC）架構——x86，精簡指令集（Reduced Intruction Set Computer，RISC）架構——ARM、MIPS和RISC-V 。而 RISC-V正是一種基於「精簡指令集（RISC）」原則的開源指令集架構。
▲CPU主流架構
CPU的架構一直以來是x86與ARM的天下，而自2010年RISC-V誕生以後 ，隱約在CPU架構呈現出三足鼎立的趨勢：
X86：傳統PC市場的主流，善於處理大數據，IP掌握在英特爾和AMD手中 。
ARM：移動（手機）市場，處理快數據為主，目前也使用在便攜筆記本中，IP大部分掌握在ARM公司。
RISC-V：當需要同時兼顧數據傳輸速度與傳輸量時，這兩類主流架構的勝任能力有限。RISC-V表現出了較強的優勢。
▲CPU架構三足鼎立趨勢
1981年，在David Patterson的帶領下，加州大學伯克利分校的一個研究團隊起草了RISC-1，是今天RISC架構的基礎。隨後在1983年發布了RISC-II原型晶片，1984年和1988年發布了RISC-III和RISC-IV。 RISC的設計理念也催生了一系列新架構，如MIPS、伺服器的王者IBM PowerPC以及現在統治嵌入式市場的ARM。2010年，加州大學伯克利分校的研究團隊設計並推出了一套基於BSD協議許可的免費開放的指令集架構RISC-V，其原型晶片也於2013年1月成功流片。
▲RISC發展歷程
RISC-V最大的特性就在於「精簡」。雖然與ARM同屬於精簡指令集架構，但因RISC-V是近年來才推出，沒有背負向後兼容的歷史包袱，架構短小精悍。相比於x86和ARM動輒幾百數千頁，RISC-V的規範文檔僅有145頁，且「特權架構文檔」的篇幅也僅為91頁。
RISC-V的優勢 ：
1、模塊化：RISC-V將不同的部分以模塊化的方式組織在一起，並試圖通過一套統一的架構來滿足各種不同的應用場景，這種模塊化是x86與ARM架構所不具備的。
2、指令數目少：受益於短小精悍的架構以及模塊化的特性，RISC-V架構的指令數目非常的簡潔。基本的RISC-V指令數目僅有40多條，加上其他的模塊化擴展指令也總共只有幾十條指令。
3、RISC-V全面開源，且具有全套開源免費的編譯器、開發工具和軟體開發環境（IDE），其開源的特性允許任何用戶自由修改、擴展，從而能滿足量身定製的需求，大大降低指令集修改的門檻。
同類產品中，ARM需要支付高昂的IP費用才可使用，甚至需支付「預付款」才可看到細節。
▲RISC-V的模塊化指令集
▲各指令集架構的代碼密度比較
▲三類架構對比
2015年，RISC-V 基金會正式成立，吸引了包括英偉達、NXP、三星、Microsemi在內等企業的加入。迄今為止，該基金會已吸引了全球28個國家327多家會員加入。 RISC-V基金會負責維護RSIC-V指令集標準手冊與架構文檔，每年RISC-V基金會都會舉辦各種專題討論會和全球活動。
▲RISC-V基金會內部已有較為完善的生態圈
二、RISC-V優缺點
因為x86適合處理大量數據，在傳統PC與伺服器領域處於霸主地位， 在手機帶來的科技革命趨勢下，需要快速處理數據，ARM架構在手機處理器IP領域一統江湖。 在半導體的歷史上，X86、ARM作為主流架構一直都佔有著很大的市場。隨著物聯網時代的來臨，而RISC-V作為新興架構，以其精簡的體量，或許在未來的IoT領域中能取得絕對的優勢。
▲不同架構與數據、應用擴展方式
RISC-V的應用之一：IoT的「碎片化」需求， 因為IoT領域對AI晶片即要求高計算能力，又需要低延遲， 所以，IoT晶片設計速度要快、成本要低、能量身定製。同時嵌入式市場具備少量多樣的特點，在各細分應用場景並未形成真正壁壘，架構的選擇五花八門。 以上原因成就了RISC-V絕佳的突破口。RISC-V的開源能降低成本，也能讓用戶自由修改，可定製化，RISC-V生態與敏捷設計同源。目前，國內外已有多家晶片企業投入大量資金研發RISC-V在IoT領域的應用。
▲ IoT領域結構
未來的物聯網大概會有300億個設備被連結起來，那麼物聯網安全並不是奢侈品，而是必需品。而RISC-V的開源特性允許廣泛的受眾檢查其體系結構，並在它們成為大範圍的安全事件之前糾正它們。 RISC-V可以通過提供「修復」核心而無需實際更改核心的機會來影響我們現有的網絡犯罪流行。
RISC-V的應用之二：手機市場 。根據SiFive執行長Naveed Sherwani的預測，兩年之後RISC-V就會進軍手機市場，與高通、蘋果、三星、聯發科等ARM公司搶智慧型手機處理器市場，同時有可能威脅低功耗筆記本處理器 。 目前ARM公司的營收數據略有下滑，2017與2018年，ARM的設計IP市佔率分別下滑1.6%及1.5%。因此，ARM也作出了相應的改善策略。2019年7月，Arm 推出新的授權模式「Flexible Access」：對於中低階晶片的授權，未來客戶不再需要繳納「預付款」才能看到設計細節 。
RISC-V的應用之三：伺服器市場 。雖然目前RISC-V的高性能市場一片空白，但RISC-V本身用來設計高性能晶片是沒有問題的，學術界已經有基於RISC-V架構的511核處理器（Celerity）。只是基於RISC-V的低門檻特點，進入的企業體量較為小巧，沒有足夠的資金做長期布局與研發，高性能等需要較長研發時間的領域尚無人嘗試。
根據SiFive執行長Naveed Sherwani的預測，5年後RISC-V指令的處理器就有可能進軍伺服器市場，AMD、英特爾這樣的x86處理器公司也許將要擔心。
▲ 基於RISC-V架構的511核處理器（Celerity）
RISC-V的應用之四：存儲市場 。硬碟本身並不需要像SSD那樣龐大的計算資源，但是由於新的磁記錄技術，更複雜的功能（例如，基於NAND Flash的
緩存，健康管理，QoS），它們的處理要求也在增長增強等。這對存儲器中控制晶片的計算能力要求變高了。
硬碟本身並不需要像SSD那樣龐大的計算資源，但是由於新的磁記錄技術，更複雜的功能（例如，基於NAND Flash的緩存，健康管理，QoS），它們的處理要求也在增長增強等。這對存儲器中控制晶片的計算能力要求變高了。
雖然數據可以就近傳輸到附近的伺服器匯總進行處理，這需要更為強大的伺服器，但伺服器本身對處理快數據的效率不高，因此硬碟不僅存儲數據，還需要處理它。
目前RISC-V被認為最適合應用在IoT市場。因為IoT市場的情況更為靈活，是一個「碎片化」的市場，客戶需求相對多樣化，目前尚無任一架構統一市場，而RISC-V具有低功耗、低成本、靈活可擴展及安全可靠的特性。
雖然RICS-V本身是開源免費的，但是用戶對RICS-V的架構進行使用和修改後可以進行銷售。根據Tractica的預測，基於RISC-V的IP和軟體工具的全球收入將在2025年增加到11億美元，高於2018年的5200萬美元。
但是， RISC-V最大的缺點是目前尚缺少生態系統。CPU 架構的影響力主要是依賴他生長的一整套生態系統，比如基於x86的Windows，基於ARM的Android。RISC-V現在最缺的是生態系統，特別是IoT碎片化的性質，沒有一個統一的軟體棧生態。
RISC-V基金會其實對此並不做任何定義，生態系統的搭建交予使用者來自行發揮。並且生態系統並非一蹴而就，根據RISC-V基金會亞太區副秘書長郭雄飛所言，唯有RISC-V MCU大規模量產，開發者真正隨手可得，相應的軟體生態才能大規模爆發。
▲三大架構與生態系統
而且，在AI晶片賽道上，RISC-V有個最強的競爭者 MIPS。 ARM、MIPS和RISC-V皆屬於精簡指令集（RISC）架構。在智慧型手機時代，由於MIPS選擇消費電子時，Arm選擇了手機市場，即使ARM與MIPS的誕生時間相差些許，但更晚出現的Arm成為了智慧型手機時代的標籤。 MIPS和RISC-V兩者的架構也相差不大。因此，在2018年12月MIPS宣布開源之後，MIPS可能成為RISC-V在AI時代強有力的競爭者。並且基於MIPS指令集的晶片已經有100億顆的出貨，這意味著MIPS處理器在機頂盒、錄音筆、智能手錶等市場已經非常成熟。未來，政策、生態、軟體等方面的因素是兩個指令集在AI時代競賽的重要考量。
▲MIPS架構與MIPS公司的發展歷程
RISC-V是國內晶片自主可控一次彎道超車的機會 。目前所有的通用x86架構處理器技術都掌握在英特爾和AMD公司手中，ARM則也受到美國政策的限制。同時信息安全也是近幾年來一直在強調的話題。在政府、海關、金融、鐵路、民航、醫療、軍警等重要部門，保障其通信安全尤為重要。
但RISC-V的開源特性，使得國內企業可以繼續使用。同時因為其模塊化的設計，可以直接應用模塊，使用門檻不高。並且對於新時代IoT等趨勢的驅動下，RISC-V對比其餘架構存在較大的優勢，國內企業提前布局，或可成為該行業巨頭之一。自2018年開始，在國內的半導體技術圈裡，已經掀起了一場關於RISC—V的討論熱潮。
9月20日上午，中國RISC-V產業聯盟(China RISC-V Industry Consortium，CRVIC)成立大會在張江的上海集成電路行業協會會議室成功召開。吸引芯原控股、芯來科技、上海賽昉科技、杭州中天微、北京君正、兆易創新、紫光展銳等多家單位加入，芯原控股有限公司擔任聯盟首任理事長單位。
設立聯盟為搭建產業交流平臺，推動RISC-V 廣泛應用；推動RISC-V 人才培養，建立高校培養計劃；推動會員協同發展，建立長效合作機制；承接RISC-V 全球基金會活動，深化國際合作交流。
智東西認為，RISC-V的五大特點，精簡、安全、開源、下遊市場和生態決定了RISC-V在物聯網時代將會大放異彩，而且RISC-V指令集可能是最適合中國國情的，它的方針與我國秉持的開放共享、互利共贏的發展理念完美貼合。PC時代成就了x86，移動網際網路時代ARM是絕對的主流，即將到來的IoT時代，哪種指令集架構會成功？不少人看好RISC-V。RISC-V這個全球開放的架構沒有智慧財產權的限制，對中國而言是一個很好的機會，隨著RISC-V在中國越來越火爆，相信不遠的未來我們就能看到基於RISC-V的自主可控晶片的誕生。
特別申明：轉載只是為了更好的傳播新聞資訊之目的，未與作者取得聯繫，如有侵權，請原作者速與我們聯繫，我們將第一時間刪稿！