深度：RISC-V指令集架構和生態（附下載）

指令集架構發展背景，外部環境：（1）貿易戰背景下，自主可控勢在必行；（2）政策驅動，集成電路產業迎來發展機遇；（3）新一代信息技術加速滲透，新興領域對芯片提出了更高的需求。內部因素：（4）從產業內部角度來看，主流指令集架構復雜，硬件實現難度大，授權費用高企，芯片企業成本居高不下。

RISC-V指令集架構技術特性：在于簡潔、模塊化、可擴展及開源，通過有限指令集的組合和擴展，構建適合任何領域的微處理器。

RISC-V產業生態逐步完善。國際產業——多個RISC-V開源版本及商用IP誕生；科技巨頭和初創公司紛紛布局；行業應用紛紛落地。國內產業——華為、中興等大企業，及部分中小型企業（如C-SKY）與創客群體加入RISC-V基金會；國內首個開源的RISC-V處理器誕生——蜂鳥E200（面向極低功耗與極小面積的場景而設計）。

RISC-V滿足個性化、定制化芯片新需求。基于RISC-V的極簡、模塊化和可擴展特性，使得低功耗、小面積，同時具有個性化和差異化的定制芯片成為可能，碎片化場景（IOT、AI）應用大有可為。

我國RISC-V產業發展建議：協同構建RISC-V技術應用推廣的產業發展環境；協同建立RISC-V測試評估體系；建立健全各項保障體系，上升至國家戰略高度。

RISC V內涵分析

RISC-V 是一種全新的、簡單且開放免費的指令集架構，于 2010年主由美國加州大學伯克利分校的 Krste Asanovic 教授、 Andrew Waterman 和 Yunsup Lee 等開發人員發明，并且得到了計算機體系架構領域泰斗 David Patterso n 的大力支持；驅動因素

主流指令集架構極為復雜和冗繁；

專利和授權費用高企；

其他開源架構問題較多：OpenRISC 是一種開源的處理器核，而非一種指令集架構，并且許可證為GPL ，意味著所有的指令集改動后都必須開源（ RISC V 許可證為 BSD License 授權，可開源也可用于商用）；SPARC 功耗面積代價過大，對 x86 替代性不強。目標：

成為一種完全開放的指令集，可以被任何學術機構或商業組織所自由使用。

成為一種真正適合硬件實現且穩定的標準指令集。

為了 RISC V 架構的順利推廣， 2015 年成立了 RISC V 基金會。 負 責維護標準的 RISC V 指令集手冊與架構文檔，并推動 RISC V 架構的 發展 。 目前，基金會包括 108 家會員單位，其中白金會員 18 家，普通 會員 90 家，并且會員數量在持續高速增長。 中國多家大中型企業級科 研機構也加入了 RISC V 基金會，如中興、華為、杭州中天、中科院 計算所等 。

RISC-V技術特性

縱向比較（RISC V vs RISC從流水線、指令集整體性能、架構篇幅三個維度進行比較。指令集經典的五級流水線包括：取指、譯碼、執行、訪存和寫回。

取指指令取指是指將指令從存儲器中讀取出來的過程；譯碼 將從存儲器中取出的指令進行翻譯的過程；執行 對指令進行真正運算的過程 ；訪存 存儲器訪問指令將數據從存儲區中讀出，或者寫入存儲器的過程；寫回 將指令執行的結果寫回通用寄存器組的過程。

取指階段： RISC V 通過對指令編碼的規整、簡化，提高取指速度。 同時，在指令編碼增加必要的要素、或通過對指令功能的明確定義，減少了取指時的判斷時間，從而提高取指速度，降低損失 。

譯碼、執行階段： RISC V 擁有規整和簡潔的指令編碼，提高了譯碼速度，降低了硬件設計負擔。 同時，依托可選的壓縮指令子集，RISC V 提高了代碼密度，執行階段無需區分指令長度，提高了執行效率。

訪存階段： RISC V 通過對指令的簡化和限制，雖然降低了部分性能，但也降低了訪存部分硬件實現的難度。

RISC-V 的技術特性在于簡潔、模塊化、可擴展及開源，通過有限指令集的組合和擴展，構建適合任何領域的微處理器。

多個RISC V開源版本及商用 IP誕生

技術 RISC V 指令集架構極簡、開源、模塊化的技術特性，眾 多商業公司及初創公司加入到 RISC V 架構的開發和設計競爭中，出現了多個 RISC V 開源版本和商用 IP 。主要呈現以下特點：

基于 RISC V 開源或商用的 Core ，與 ARM 架構相比，具有更高的性能，更低的功耗和更小的面積，支持多種配置接口，可擴展性強，安全系數更高。

多數開源處理器僅提供了處理器核的實現，沒有提供配套的 SoC 。

科技巨頭和初創公司紛紛布局

眾多科技巨頭和初創公司加入到RISC V 的競爭中，以擺脫 ARM 、X86 架構在移動端和 PC 端的壟斷地位。 縱觀全球RISC V 商業公司，有如下特點：

1、 從地區分布來看，多數公司集中在美國、歐洲和亞洲，其中以美國為主。

2、 從 原處理器架構來看，眾多原依托于 ARM 架構的大型科技公司加入到 RISC V 競爭中，主要是由于 ARM 高昂的授權費和版稅。另外，Intel 宣布投資 SiFive ，積極布局 RISC V 。

3、 從應用領域來看， RISC V 多數應用集中在新興領域，如物聯網、人工智能。

• a)基于 Intel 、 ARM 分別在服務器、 PC 及移動領域的霸主地位，軟件生態難以撼動；

• b)RISC V 極簡、可擴展、模塊化的特性，適用于物聯網、人工智能領域對芯片低功耗、個性化和定制化的需求。

4、從技術層面來看，行業內已大范圍開始使用 基于 RISC V 架構的嵌入式控制內核，逐漸進入設備的頂層芯片，驗證了 RISC V 架構的安全性和穩定性。如 NVIDIA 、 Google 、 CEVA 和 Codasip 。

5、產業生態逐步完善：伴隨 RISC V 架構的商業化推進，出現了眾多提供 RISC V 跟蹤解決方案 IP 核的公司（如 UltraSoc ），提供嵌入式分析功能，大幅度減少芯片開發成本，提升盈利能力。

6、 從地區分布來看，依然集中在美國；從商業模式來看，以基于 RISC V架構開發芯片為主，僅 SiFive 一家公司開發 IP 核；應用領域方面，依然集中在物聯 網、人工智能領域。

RISC-V行業應用紛紛落地

隨著RISC V 生態的逐步 完善，眾多行業應用紛紛落地。

Ashling Systems 與 Imperas Software 合作為 RISC V 軟件開發提供集成工具及解決方案；

CEVA 宣布其 RivieraWaves 藍牙和 Wi Fi IP 平臺現可提供可選的集成開源 RISC V MCU

GreenWaves Technologies 推出基于 RISC V 的 GAP8 物聯網應用處理器；

Trinamic 授權 Codasip 的 Bk3 RISC V 處理器用于下一代運動控制應用；

Imperas Software 的基于 RISC V 的 RV64GC 高 性能可擴展平臺套件，可快速運行 Linux 。

RISC-V滿足個性化、定制化芯片新需求

目前主流指令集架構芯片的應用領域及市場地位：

嵌入式領域，ARM 獨占鰲頭。綜合 Gartner 、 IDC 等研究機構的數據， ARM 估計 2017 年大約有 340 億臺設備使用了該公司授權的指令集芯片，芯片總量高達 410 億枚。全球超過 90% 的智能手機和平板電腦都采用了 ARM 授權的指令集架構。

PC領域， Intel 和 AMD 等公司采 用的 x86 架構占據了絕對主導地位。

基于RISC V 極簡、開源、模塊化及可擴展的技術特性，對芯片產業產業了眾多影響：

1、 基于 RISC V 的極簡、模塊化和可擴展特性，使得低功耗、小面積，同時具有個性化 和差異化的定制芯片成為可能，碎片化場景（ IOT 、AI ）應用大有可為 。

2、 開源導致參與主體較多，初期呈現百家爭鳴態勢。基于 RISC V的芯片會形態眾多，良莠不齊現象嚴重，設計和工藝技術強的廠商受益（手稿：設計涉及 RTL 編碼、 layout 、半導體制程、封裝等一系列技術，同時測試標準也不一樣） 。

3、 可擴展性導致基于 RISC V 的芯片功能豐富度提高 。

4、 開源的 RTL 代碼以及無預測性內存訪問導致芯片安全系數提高 。

5、 基于原主流架構的芯片生態格局一時難以撼動，新興領域會有一席之地。尤其在物聯網領域，對 ARM 架構 的芯片具有一定的替代作用。

 

我國芯片產業發展薄弱，主要知識產權受制于人由來已久。面對中美貿易摩擦，我國發展自主可控勢在必行，發展自主知識產權，建立我國自有指令集架構標準，構建芯片產業生態，壯大我國半導體、集成電路產業。目前，我國芯片產業主要呈現以下特點：

1、 90%靠進口：據 International Business Strategies Inc. 估計，中國使 用的總價值 1900 億美元的芯片中，近 90% 是來自進口或在華外企生產。

2、 CPU指令集群雄割據：集齊了全球大部分有一定影響力的指令集，包括 ARM、 MIPS 、 PowerPC 、 SPARC 、 RISC V 、 X86 等指令集。代表廠商：龍芯、君正、華為海思、展訊。面臨的主要問題：缺乏自主知識產權、缺乏統一的指令集標準。

參考來源：山西證券

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