RISC-V:攪動半導(dǎo)體領(lǐng)域的一池春水

十年苦心經(jīng)營，RISC-V正在迎來屬于自己的光榮時代，AIoT、人工智能以及芯片國產(chǎn)化的趨勢下，我們正在見證一顆種子長成參天大樹，而中國則是最重要的一片土壤。

本文內(nèi)容來自Scale Partners與光錐智能聯(lián)合發(fā)布的《RISC-V主題相關(guān)行業(yè)研究》報告，旨在通過梳理全球芯片指令集發(fā)展脈絡(luò)探討RISC-V崛起原因，并借此觀察中國半導(dǎo)體行業(yè)近三年行業(yè)格局變化，推斷行業(yè)窗口期內(nèi)潛在機遇和風險，并希望為相關(guān)從業(yè)者及投資者提供幫助。

作為上世紀80年代美國發(fā)起星球大戰(zhàn)計劃的“副產(chǎn)品”，個人計算機在如今成為我們每天都離不開的東西，隨之受益的IBM、英特爾、微軟等科技巨頭，聯(lián)合開啟了屬于X86架構(gòu)的光輝時代，而如今，近半個世紀過去，盡管我們依然在使用X86架構(gòu)，但處理器停滯不前、芯片架構(gòu)臃腫和效率低下等種種問題，似乎正在逐漸顯現(xiàn)。

這種情況何時會改變？

蘋果在去年推出了基于ARM架構(gòu)的M1芯片，并以此為基礎(chǔ)帶來了全新的MacBook、Mac mini系列，再一次成為行業(yè)焦點。

而事實上，不論是X86架構(gòu)亦或是ARM架構(gòu)，二者作為如今市場霸主卻并不能安心，只因為在互相爭斗的這十年間，RISC-V這顆小小的種子發(fā)了芽，并且很可能在未來長成參天大樹，這個靜悄悄的對手，很可能在下個十年里成為行業(yè)大變革的關(guān)鍵。

加入戰(zhàn)場的角斗士

指令集作為指揮計算機工作、提供命令的指揮官，是芯片產(chǎn)業(yè)中不可或缺的基礎(chǔ)部分。其標準被分為復(fù)雜指令集（CISC）和精簡指令集（RISC）兩大類，分別誕生于60和70年代，發(fā)展至今，ARM占據(jù)RISC的90%市場份額，X86占據(jù)CISC的90%市場份額。

相對于這兩者，RISC-V 誕生于2010年，歷史很短。

2010年，一支來自加州大學伯克利分校的研究團隊遇到了一個問題，當時他們需要設(shè)計一款中央處理器，但在對比了市面上的ARM、MIPS、SPARC和X86指令集架構(gòu)之后，他們發(fā)現(xiàn)這些指令集不僅會涉及到專利問題，而且收費昂貴，要解決這一問題，要想出其他方法。

但當時X86基本難以獲得授權(quán)，ARM授權(quán)價格不菲，思來想去，這支團隊最終決定設(shè)計一套全新的指令集。

于是，這個小組僅用三個月時間就完成了一個全新指令集的開發(fā)，這就是之后大名鼎鼎的RISC-V。RISC是精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer）的簡稱，最初由加州大學伯克利分校教授David Patterson提出，而RISC-V是第五代精簡指令集計算機的縮寫。

從2010年誕生開始，RISC-V這個角斗士就表現(xiàn)出了和市面上其他玩家完全不同的獨特氣質(zhì)。作為開源項目，RISC-V遵從BSD協(xié)議，可以為任何組織機構(gòu)和商業(yè)組織使用，這意味著基于RISC-V指令集架構(gòu)開發(fā)的內(nèi)核、相關(guān)芯片以及開發(fā)工具既可以免費開源 ，也可以專有收費，這在當時可不多見。

開源僅僅只是RISC-V的武器之一，角斗士參與決斗，不僅要有堅實的盾還要有鋒利的矛，RISC-V一出世就有了三個吸引大眾眼球的重磅武器：開源免費、設(shè)計成本低、功耗低體積小。

首先，是開源免費。

RISC-V之所以能掀起精簡指令集的變革，其獨特架構(gòu)是重要原因，隨著半導(dǎo)體領(lǐng)域標準越來越下沉、開放性越來越高，從X86到ARM再到RISC-V這個過程的演進是從板卡、SOC到指令集，持續(xù)下沉、且持續(xù)開放，同時，這場變革開啟之后，RISC-V在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的位置愈發(fā)重要起來。

RISC-V最大的特點是開放，它的開放性允許它自由地被用于任何目的，允許任何人設(shè)計、制造和銷售基于RISC-V的芯片或軟件，這在處理器領(lǐng)域具有深刻意義，因此得到了學術(shù)界以及更多公司的關(guān)注和參與。實際上，在RISC-V之前也曾出現(xiàn)過開源指令集，但沒有一個能夠進入主流圈，RISC-V之所以成為具有潛力的角斗士挑戰(zhàn)其他巨頭，在于它聚集了全球數(shù)量眾多的科技巨頭。

2015年，非盈利性組織RISC-V基金會成立，截至目前已經(jīng)有超過50個國家的300多家企業(yè)和機構(gòu)加入。從谷歌到特斯拉，從英偉達到阿里巴巴，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)。2020年11月9日舉辦的慕尼黑電子展會上，MIPS技術(shù)持有者Wave Computing明確表示，將在MIPS核心中增加RISC-V支持。作為老對手和同行，MIPS在2019年芯片出貨量達到了10億，這一切都預(yù)示著RISC-V在未來競爭中將會有一席之地，而這一次，中國的腳步尤其迅速。

其次，是設(shè)計成本低。

其一，架構(gòu)簡單。RISC-V發(fā)布時僅有47條基礎(chǔ)指令，追求簡潔至上的設(shè)計原則。為了保持向后的兼容性，當時的兩大巨頭ARM和X86都保留了許多過時的定義，而RISC-V可以說是站在巨人的肩膀上，借助已經(jīng)成熟的技術(shù)優(yōu)勢輕裝上陣。

其二，易于移植。RISC-V提供了特權(quán)指令和用戶指令，可以非常方便的將Linux和Unix移植到RISC-V平臺，如今還包含了ARM Mbed OS、FreeRTOS等平臺，便于開發(fā)者建立自己需要的生態(tài)。

其三，模塊化設(shè)計。RISC-V不僅短小精悍，而且擁有模塊化的設(shè)計，依托于簡單實用的基礎(chǔ)架構(gòu)，開發(fā)者可以根據(jù)需要靈活地選擇不同組合實現(xiàn)定制化需求，添加自己所需要的特定功能，大大拓展其深度。

其四，完整的工具鏈。RISC-V誕生于伯克利大學，很快便成為眾多大學共同推進的開源項目，并以此組建起學術(shù)界具有高度影響力的社區(qū)，社區(qū)中不但擁有完整的工具鏈，并且通過RISC-V基金會持續(xù)維護，減輕開發(fā)者負擔。

第三，則是功耗低 、體積小，這極大契合了當前物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下芯片的需求特點，成為RISC-V興起的最大推動力之一 。

RISV-V在中國

芯片危機或許是中國近三十年遭遇的最大科技問題之一，這場危機背后，暴露出半導(dǎo)體領(lǐng)域存在的四個方面被卡脖子的事實。

這是四道難以逾越的關(guān)卡：光刻機、電子設(shè)計自動化軟件、晶元、指令集。每一方面都是過去沒能實現(xiàn)突破并依賴于外部資源的領(lǐng)域，而RISC-V的出現(xiàn)，則為解決指令集問題提供了千載難逢的機遇。

首先，依托于開源開放的優(yōu)勢，中國企業(yè)正在借助RISC-V推進芯片國產(chǎn)化進程，并且，RISC-V更加明確的中立性也為之后的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。中立性曾是奠定ARM成為智能手機時代霸主的重要原則，但去年9月，由于英偉達發(fā)布聲明將斥資400億美元收購ARM，盡管目前收購案尚未最終確定，但以ARM為架構(gòu)進行開發(fā)一旦受到地緣政治影響則會對企業(yè)和國家造成非常多后續(xù)影響。

而為保證技術(shù)中立性，RISC-V早在去年三月就正式宣布RISC-V基金會已完成瑞士注冊，其法律實體過渡至瑞士，并將從美國遷出。官方表示這是為了防止任何國家、公司或個人對RISC-V進行任何限制或禁運，這也將成為RISC-V的另一個競爭優(yōu)勢。如此一來，RISC-V的中立性為中國企業(yè)推進RISC-V相關(guān)領(lǐng)域研究吃下了一顆定心丸。

RISC-V誕生在一個特殊的時間節(jié)點，2010年全球智能手機行業(yè)爆發(fā)式增長，AIoT領(lǐng)域也開始蓬勃興起。對于國內(nèi)科技企業(yè)來說，尋找更具靈活性、拓展性、可定制性的芯片架構(gòu)也開始成為重點。

2018年10月，中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CRVIC）在上海成立，同年11月，中國開放指令生態(tài)聯(lián)盟（CRVA）宣布成立。隨后的一年，華米黃山一號、阿里巴巴玄鐵910等基于RISC-V開發(fā)的處理器相繼發(fā)布，中國科技公司在對RISC-V的開發(fā)中漸漸找到各自的方式。

近幾年，受到國際局勢影響，中國半導(dǎo)體國產(chǎn)化進程開始加速，從產(chǎn)業(yè)鏈上下游的情況來看，中國廠商在芯片知識產(chǎn)權(quán)開發(fā)，芯片設(shè)計、終端品牌和平臺環(huán)節(jié)均已有所布局。天眼查數(shù)據(jù)顯示，截止去年年底，國內(nèi)共有2.1萬家企業(yè)擴充了半導(dǎo)體業(yè)務(wù)，國內(nèi)科創(chuàng)板前五大行業(yè)中半導(dǎo)體位列第三，企業(yè)數(shù)達22家，占科創(chuàng)板企業(yè)總數(shù)的10%。

Scale Partners合伙人劉英航透露，目前國內(nèi)“不了解或未布局RISC-V的大廠幾乎沒有，而即便沒有量產(chǎn)產(chǎn)品，通常也加入了產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，這無疑對芯片國產(chǎn)化進程起到了加速作用。

作為原本曾經(jīng)復(fù)雜而昂貴的產(chǎn)業(yè)，芯片制造在很多年間都不是熱門賽道。但是，如今RISC-V的發(fā)展，正在為更多公司和機構(gòu)提供標準工具。

正因如此，2019年，中國才有了阿里平頭哥、芯來、紫光展銳等公司和產(chǎn)品異軍突起，歐洲公司也在虎視眈眈，其他國家如印度等也加大了在RISC-V上的投入。

站在巨人肩膀看未來

從架構(gòu)上來看，ARM與RISC-V終有一戰(zhàn)，它們起源于同宗，應(yīng)用領(lǐng)域也大體相同，但幸運的是物聯(lián)網(wǎng)時代到來讓它有了發(fā)展的潛力。ARM與RISC-V已經(jīng)在布局物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域進行了競爭，但從目前市場情況來看，由于目前物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景碎片化，距離這個市場的全面爆發(fā)還有一段時間。

但是站在巨人的肩膀上，RISC-V騰飛的速度比ARM更加快速。從ARM和RISC-V進軍個人電腦市場的時間點上看，ARM在2000年左右開始騰飛，到2011年進軍個人電腦市場大概用了十年時間，而RISC-V從2010年誕生到現(xiàn)在剛剛度過了第一個十年。

目前，RISC-V的商業(yè)模式已經(jīng)初步形成，形成三種知識產(chǎn)權(quán)模式，分別是開放免費、需要授權(quán)以及封閉的設(shè)計。

目前看來，雖然RISC-V生態(tài)尚不如ARM強大，但它卻十分具有競爭力，不僅在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域RISC-V逼得ARM改變了授權(quán)模式，也正在改變計算機教育領(lǐng)域。

RISC-V基金會CEO曾強調(diào)過，“RISC-V是免費且開放的，因此沒有任何一個實體可以控制RISC-V技術(shù)，公司、學術(shù)界和機構(gòu)都可以自由地在RISC-V指令集架構(gòu)上進行創(chuàng)新。共同推動迅速發(fā)展的計算前沿?！斑@讓不少高校開始采用RISC-V作為其課堂教材。

因為沒有版權(quán)使用費，美國眾多高校的微機原理教科書和許多研究生階段課程都開始使用RISC-V，并從底層開始向?qū)W生們解釋計算機硬件的工作原理。過去，教師們上這樣的課都是用憑空造出的架構(gòu)規(guī)避授權(quán)問題，但造成的結(jié)果是當學生們真正接觸到計算機硬件會發(fā)現(xiàn)真實情況并不一致，因此在教育領(lǐng)域流行起來的RISC-V正悄悄改變著學生的習慣，長期下來，當他們在開始工作之后，很可能會繼續(xù)使用RISC-V架構(gòu)。

這是一個微小但潛移默化的信號。

AIoT：RISC-V的商業(yè)化應(yīng)用土壤

另一方面，物聯(lián)網(wǎng)的崛起也為RISC-V在內(nèi)的上游產(chǎn)業(yè)鏈提供了新的土壤。2019年全球物聯(lián)網(wǎng)總連接數(shù)達到120億，預(yù)計到2025年全球物聯(lián)網(wǎng)總連接數(shù)將達到246億，Semico預(yù)測，到2025 年，采用RISC-V架構(gòu)的芯片數(shù)量將增至624億顆，并進入包括計算機，消費者，通訊，運輸和工業(yè)市場在內(nèi)的細分市場。

同時，采用RISC-V架構(gòu)的芯片預(yù)計到2025年芯片數(shù)量將增至624億顆，預(yù)計2018年至2025年復(fù)合增長率高達146%。

相比之下，ARM芯片最近三年每年出貨量在200億顆以上，但增長速度放緩，RISC-V芯片在單價上預(yù)計會低于ARM及X86芯片，而數(shù)量則會遠超ARM芯片。

此前，在接受雷鋒網(wǎng)采訪時，GreenWaves Technologies CEO Loic Lietar曾表示，基于RISC-V開發(fā)的處理器相比手機、PC上的高性能處理器，其應(yīng)用于傳感設(shè)備的微控制器對生態(tài)的依賴性沒有那么高，這也是在AIoT領(lǐng)域RISC-V快速打開局面的原因之一。

RISC-V的指令集如此小巧精悍，以至于能夠有機會擊敗包括ARM在內(nèi)的所有競爭對手。英偉達在研究中也發(fā)現(xiàn)，選擇RISC-V可以制造出比其他任何產(chǎn)品都小的芯片，還能將功耗降至最低。而功耗，正是在物聯(lián)網(wǎng)場景中對芯片非常重要的衡量指標之一。

因此，未來我們很可能見到更多使用RISC-V的定制硬件，它們可能在你的硬盤里、顯卡里和汽車里，甚至在某一天成為家用電腦的主架構(gòu)。中國工程院院士倪光南此前預(yù)測，未來 RISC-V 很可能發(fā)展成為世界主流CPU之一，從而形成CPU領(lǐng)域X86、ARM、RISC-V三分天下的格局。

另外，由于應(yīng)用于AIoT產(chǎn)品上的處理器并不會像手機或電腦一樣需要安裝和卸載各種應(yīng)用程序，因此在兼容性上不會有太大問題。Loic Lietar還提到，RISC-V已經(jīng)能夠移植到ARM Mbed OS、FreeRTOS，因此可以適應(yīng)終端在不同生態(tài)圈的發(fā)展需求。

彎道超車，醞釀變革

顯然，如今的RISC-V之于半導(dǎo)體，就像Linux之于個人電腦操作系統(tǒng)，安卓之于手機操作系統(tǒng)一樣，其獨特的開源特性受到全球開發(fā)者們青睞。

而當越來越多企業(yè)開始進入這一市場，芯片制造商、工具供應(yīng)商、大學和代工廠也開始進行支持——這是一個良好的信號，發(fā)令槍響之后，只有更多玩家跑起來，這場比賽才會有新紀錄誕生。

再來看看當年的安卓系統(tǒng)為何成功吧，在開源之后，智能手機開始興起與普及。下游終端為上游產(chǎn)業(yè)鏈打開了增長空間，在谷歌的推動下，安卓系統(tǒng)在發(fā)展初期得到了摩托羅拉、三星、HTC、索尼愛立信等眾多手機品牌廠商的支持，隨后不到十年，安卓的接力棒又交到了華為、小米、OPPO、vivo的手上。

開源的價值在于，無論終端廠商更替如何，其內(nèi)在將延續(xù)下來，并不斷進化，而這些特點，RISC-V同樣具備。

RISC-V很可能是處理器端最后的趨勢變革，是中國半導(dǎo)體國產(chǎn)化超車的最重要的機會。

不論是國內(nèi)生態(tài)聯(lián)盟建立，還是阿里、紫光展銳等企業(yè)的加速深入，都表明RISC-V在國內(nèi)遇到了最適合其發(fā)展的時代，背后則是舉國之力在推動其前進。

同時，我們也認為RISC-V是物聯(lián)網(wǎng)最好的選擇，通過從物聯(lián)網(wǎng)切入再往上走向手機與PC，這條路大有可為。

但是，盡管有經(jīng)濟、科技、國家推動帶來的諸多信心，當下我們依然要意識到RISC-V的生態(tài)是一個長期構(gòu)建的過程，需要Foundry（在集成電路領(lǐng)域是指專門負責生產(chǎn)、制造芯片的廠家）的培養(yǎng)、系統(tǒng)的支持，以及細分賽道的量產(chǎn)多輪推動，這既是挑戰(zhàn)，也可以成為機會。

現(xiàn)在讓我們再回頭看，一個用十年時間默默發(fā)育的種子，現(xiàn)如今正在攪動半導(dǎo)體領(lǐng)域的一池春水，更大波瀾也許很快就會出現(xiàn)。
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