2010年的夏天，伯克利大學的研究團隊嘗試設(shè)計和開發(fā)一套完整的新指令集。四年后，RISC-V問世。

從最初的多方質(zhì)疑，到逐漸獲得學術(shù)圈、芯片和系統(tǒng)公司以及政策的認可和重視，近年來業(yè)界對于RISC-V的態(tài)度發(fā)生了180度的轉(zhuǎn)變。

在中國芯片核心技術(shù)被「卡脖子」的當下，RISC-V將成為中國與美國封鎖技術(shù)政策對抗最有效的技術(shù)武器。

它被行業(yè)給予重托，被視為中國未來十年里最具潛力的芯片平臺，大有超越ARM之勢。

撰文 | 四月

ARM架構(gòu) 和 RISC-V架構(gòu)都源自1980年代的精簡指令計算機RISC，正如上世紀末的Windows和Linux之爭。

PC時代成就了x86，移動互聯(lián)網(wǎng)時代ARM是絕對的主流。

但在物聯(lián)網(wǎng)和AI時代的新興領(lǐng)域，RISC-V和ARM正處于同一起跑線上，RISC-V憑著指令集開源、簡潔等特性很有可能可以擊敗ARM，或者至少能夠占據(jù)可觀的市場份額。

更為重要的是，在芯片核心架構(gòu)技術(shù)被「卡脖子」的當下，RISC-V將成為中國與美國封鎖技術(shù)政策對抗最有效的武器。

機器之心消息，RISC-V芯片設(shè)計公司芯啟科技日前在北京發(fā)布三款國產(chǎn)CPU IP產(chǎn)品，并同時對外開源，以促進國內(nèi)RISC-V芯片的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

發(fā)布活動由中關(guān)村芯園聯(lián)合北京芯啟、中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CRVIC）共同舉辦，在產(chǎn)品發(fā)布之余，各方還積極探討了基于RISC-V技術(shù)架構(gòu)的應(yīng)用發(fā)展方向和創(chuàng)新設(shè)計思路，RISC-V的工程經(jīng)驗以及在AI芯片設(shè)計中的經(jīng)驗等話題。

1 爆發(fā)式機遇

隨著美國對中興、華為等中國IT命脈企業(yè)立下重重技術(shù)鐵幕，一時間國內(nèi)輿論大嘩。越來越多的產(chǎn)業(yè)人士意識到：

以美國為代表的發(fā)達國家正在通過高附加值產(chǎn)業(yè)進行產(chǎn)業(yè)壟斷，以ARM、Synopsys、Cadence等為代表的知識產(chǎn)權(quán)交易商，通過苛刻的知識產(chǎn)權(quán)授權(quán)規(guī)則已經(jīng)阻礙并減緩我國集成電路設(shè)計商的技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。

所謂中國「自主研發(fā)」的芯片技術(shù)，到了關(guān)鍵時刻卻實實在在地被人卡著脖子。

如何利用好更為強大和開發(fā)的技術(shù)武器與之長期有效對抗，成為擺在我國集成電路從業(yè)者面前必須面對的重大問題。

談到芯片的「自主可控」，最為關(guān)鍵的技術(shù)在于芯片指令集架構(gòu)，通常簡稱為「芯片架構(gòu)」。它是溝通軟硬件運算之間的橋梁，是核心基礎(chǔ)軟硬件生態(tài)系統(tǒng)的基石，其重要性不言而喻。

在半導體行業(yè)的歷史上，曾出現(xiàn)過諸多的架構(gòu)，但隨著時間推移和市場競爭，類似于MIPS等架構(gòu)已經(jīng)逐漸退出舞臺。目前主流的架構(gòu)包括Intel的X86、ARM架構(gòu)，在日常生活中見到最多的是ARM，基本上所有的芯片公司都在采用ARM的架構(gòu)。

談到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)不能繞開ARM，但是在ARM基本上要一統(tǒng)天下，甚至侵入Intel的桌面PC和服務(wù)器業(yè)務(wù)的時候，免費開源的RISC-V誕生了。

RISC-V是一種免費開源指令集架構(gòu)(ISA)。由加州伯克利分校的研究團隊開發(fā)與公布，于2011年5月正式發(fā)布第一版。該指令集設(shè)計非常簡單，采用了基礎(chǔ)指令集與擴展指令集的方式，基礎(chǔ)指令集只包含了不到50條指令。

「RISC-V可能真正能成為國產(chǎn)的自主的指令集架構(gòu)。」RISC-V推廣人，武漢聚芯微電子架構(gòu)師胡振波在接受媒體采訪時談道，RISC-V作為免費的架構(gòu)，將會和ARM產(chǎn)生競爭。在手機等傳統(tǒng)ARM的壟斷領(lǐng)域會保持強勢存在，在一些新興的邊緣領(lǐng)域，比如IoT、AI、邊緣計算領(lǐng)域，RISC-V將具有爆發(fā)空間。

「中國未來十年都會去全力支持這個技術(shù)」，品利基金半導體行業(yè)投資經(jīng)理陳啟向機器之心表示。這被行業(yè)視為最具潛力的芯片平臺，大有超越ARM之勢。

歷經(jīng)八年時間發(fā)展，RISC-V指令集「朋友圈」已經(jīng)逐步吸收到大量具備影響力的企業(yè)。2015年非盈利組織RISC-V基金會成立，旨在凝聚全世界力量構(gòu)建開放社區(qū)，推廣RISC-V架構(gòu)。

迄今已有100多個機構(gòu)加入，包括谷歌、華為、IBM、阿里巴巴、英偉達、高通、三星等企業(yè)，以及加州大學伯克利分校、麻省理工學院以及中科院計算所等學術(shù)機構(gòu)。

此外，美國之外的產(chǎn)業(yè)界和國家也在積極備戰(zhàn)RISC-V技術(shù)。全球第一大硬盤產(chǎn)商西部數(shù)據(jù)宣布將把每年各類存儲產(chǎn)品中嵌入的10億個處理器核換成RISC-V；印度將它作為事實國家指令集，以色列國家創(chuàng)新局選擇基于RISC-V研制為全國企業(yè)服務(wù)的處理平臺。

去年，我國發(fā)布了首個RISC-V支持政策并成立了中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。上周，清華和伯克利共同發(fā)起RISC-V國際開源實驗室，由圖靈獎David Patterson教授牽頭。

相對于ARM和x86，RISC-V強調(diào)開源和成本優(yōu)勢，并以簡單可擴展的指令集提供更高效的硬件。不過，RISC-V想要全方位進軍芯片市場，與ARM以及x86分庭抗禮，其背后的生態(tài)建設(shè)尤為關(guān)鍵，這也是當前RISC-V中國化面臨的最大問題之一。

2 對標ARM Cortex和NVDLA

芯啟此次開源的三顆IP為SAR-T6系列、SAR-D9系列和TNA-300，分別對標ARM Cortex-M4、ARM Cortex-A9和英偉達的開源神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器NVDLA。

• SAR-T6系列對標ARM Cortex-M4，面向AIoT終端、傳感器、機電MCU、輕量級智能以及眾核智能應(yīng)用。
• SAR-D9系列對標ARM Cortex-A9，面向醫(yī)療、通訊、工控、機電MCU、視頻音頻處理、輕量級智能、通用算法加速場景。
• TNA-300對標英偉達的開源神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器NVDLA，面向設(shè)備端AI方案。

芯啟科技團隊核心成員在芯片設(shè)計領(lǐng)域平均工作經(jīng)驗超過15年。研發(fā)成員來自于985、211重點大學的相關(guān)專業(yè)，并曾長期任職于華為等國內(nèi)著名軟硬件公司重要崗位。

目前，公司采用CPU 軟硬核 IP 授權(quán)的商業(yè)模式，提供嵌入式 CPU 指令設(shè)計、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、超大規(guī)模集成電路設(shè)計、軟件編譯器及工具鏈設(shè)計、系統(tǒng)芯片平臺設(shè)計等服務(wù)，同時自產(chǎn)一系列嵌入式 CPU核產(chǎn)品。

據(jù)介紹，芯啟基于改良后的RISC-V架構(gòu)CPU IP 的主要亮點包括：

1、全自主可控：開源指令集RISC-V，支持客戶自主定義；微架構(gòu)自主，完全自行開發(fā)，客戶可通過技術(shù)服務(wù)深度定制和修改。

2、硅成本更低（50%-70%）。

3、性能更優(yōu)，提升20%。

4、提供設(shè)計的完全自由度。硬件方面包括指令集、微架構(gòu)、片上架構(gòu)，工具鏈包括編譯工具鏈、開發(fā)調(diào)試工具鏈、SDK環(huán)境，軟件包括OS移植性等。

具體來看，三顆芯片的主要性能包括：

• 1）SAR-T6IoT系列強調(diào)超低功耗、高性能，16/32位RISC-V基礎(chǔ)指令集，40nm工藝，針對物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器等場景，中斷響應(yīng)速度2個指令周期，典型主頻600Mhz，計算性能達到1.67 DMIPS/Mhz，采用32位指令/數(shù)據(jù)分離總線，三級流水線單發(fā)射架構(gòu)。
• 2）SAR-T6GPA系列強調(diào)低功耗、高性能，采用單精度浮點協(xié)處理器+緊耦合的數(shù)據(jù)程序存儲器結(jié)構(gòu)，16/32位RISC-V基礎(chǔ)指令集，40nm工藝，針對工業(yè)監(jiān)控、機電、家電等場景，采用三級流水線架構(gòu)，典型主頻600Mhz，64位指令/數(shù)據(jù)分離總線，計算性能達到1.8 DMIPS/Mhz。
• 3）SAR-D932D系列強調(diào)低成本、高性能，采用32位寄存器結(jié)構(gòu)，16/32位RISC-V基礎(chǔ)指令集，40nm工藝，針對便攜式音/視頻，圖像處理產(chǎn)品，采用雙發(fā)射9級流水線結(jié)構(gòu)，動態(tài)預分支預測技術(shù)，4路64位指令/數(shù)據(jù)分離總線，計算性能達到2.8 DMIPS/Mhz，2-64K可配置Icahce/DTCM。

在今年底，芯啟還計劃推出SAR-Q1064 AI芯片，強調(diào)超高性能，適用于智能處理器產(chǎn)品。

SAR-Q1064采用64位寄存器結(jié)構(gòu)，16/32位RISC-V基礎(chǔ)指令集，計算性能達到4.0 DMIPS/Mhz。采用SMP架構(gòu)，動態(tài)分支預測技術(shù)，4路128位指令/數(shù)據(jù)分離總線，采用四分射10級流水線結(jié)構(gòu)，2-64K可配置Icahce/Dcache，典型主頻1GHz。

上述四款芯片均選擇40nm工藝，芯啟方面表述，主要為了在成本可控的情況下將性能優(yōu)勢潛力發(fā)揮到最優(yōu)。

芯啟的開源方式包括兩種，一種是通過與中關(guān)村芯園的國產(chǎn)IP應(yīng)用服務(wù)平臺合作，通過平臺將國產(chǎn)CPU IP及對應(yīng)設(shè)計服務(wù)向產(chǎn)業(yè)輸出。活動現(xiàn)場，芯啟科技與中關(guān)村芯園的國產(chǎn)IP應(yīng)用服務(wù)平臺正式簽署了合作協(xié)議。

與此同時，中關(guān)村芯園的國產(chǎn)IP應(yīng)用服務(wù)平臺開啟面向芯片設(shè)計用戶的支持計劃，承諾提供0元授權(quán)、完備IP技術(shù)交付和可擴展的技術(shù)服務(wù)支撐。芯啟作為RISC-V架構(gòu)領(lǐng)域首批提供技術(shù)支持的企業(yè)，加入到芯園的服務(wù)鏈條中。

這里簡單介紹中關(guān)村芯園公司背景，對于半導體產(chǎn)業(yè)人士而言不失為一個備選的合作伙伴。芯園由中關(guān)村發(fā)展集團作為控股股東組建，作為國家集成電路設(shè)計北京產(chǎn)業(yè)化基地，其服務(wù)和業(yè)務(wù)具備一定的公益性質(zhì)。

公司圍繞集成電路設(shè)計，為企業(yè)提供EDA License租賃、IP評估與授權(quán)、生產(chǎn)流片（MPW、工程批、批量生產(chǎn)）、封裝測試代理、IC人才培訓、芯片應(yīng)用等全產(chǎn)業(yè)鏈的公共技術(shù)服務(wù)支撐。

IP開源的第二種方式則是通過芯啟科技官網(wǎng)獲得開源資料包。目前，超低功耗版本T6 IoT設(shè)計已經(jīng)在芯啟網(wǎng)站實現(xiàn)開源，其余設(shè)計開放評估，網(wǎng)址為。

3 基于RISC-V的AI芯片如何開發(fā)？

RISC-V在處理器領(lǐng)域堪稱「歷史上最為徹底的」 開放程度，「大道至簡」被視為RISC-V架構(gòu)之魂，架構(gòu)短小精悍。

「能屈能伸」是RISC-V指令集的最大特性，相比其他成熟的商業(yè)架構(gòu)，RISC-V最大一個不同在于它是一個模塊化的架構(gòu)。不同的部分以模塊化的方式組織在一起，從而試圖通過一套統(tǒng)一的架構(gòu)滿足各種不同的應(yīng)用。

這種模塊化是x86與ARM架構(gòu)所不具備的。

以ARM的架構(gòu)為例，ARM的架構(gòu)分為A、R和M三個系列，分別針對于Application（應(yīng)用操作系統(tǒng)）、Real-Time（實時）和Embedded（嵌入式）三個領(lǐng)域，彼此之間并不兼容。但是，模塊化的RISC-V架構(gòu)能夠使得用戶能夠靈活選擇不同的模塊組合，以滿足不同的應(yīng)用場景。

雖然RISC-V看上去已經(jīng)是「老少咸宜」，但要真正將其產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品化，仍然有不少坑要淌。

芯啟科技聯(lián)合創(chuàng)始人、總經(jīng)理楊旭光向機器之心簡單回顧了團隊在RISC-V的研發(fā)歷程。在2015年，首先基于RISC-V展開研發(fā)布局，2016年初基于RISC-V為公安等政企客戶提供了定制的安全芯片設(shè)計并進行了流片，成功交付客戶完成驗收。

在設(shè)計與研發(fā)初期，芯啟面對GitHub上的上百個開源工程版本的選擇有些迷茫。

不同開源工程意味著可能對應(yīng)的是不同的開發(fā)語言，每個版本又有不同的分支，每個分支每天還面臨著大量更新，如何找到適合自己的版本，以及如何跟進版本更新成為關(guān)鍵。

最初，芯啟選擇了伯克利的Rocket工程版本，采用Chisel語言編寫，其特點在于抽象靈活，代碼量小，維護簡單，可以自己造類庫和擴充功能。

但同時也存在其缺點，通讀性差，可交付性差，工程化應(yīng)用還不成熟。這種語言適合在設(shè)計前期階段快速探索，不太適合在工程中使用。類似地，BOOM工程也適合研究使用，也不太適合工程化。

經(jīng)過早期的探索和學習，以RISC-V標準為源頭，吸收RISC-V的模塊化理念，2017年團隊開始開始選擇自主創(chuàng)新，反思傳統(tǒng)RISC-V架構(gòu)中的10多處不足進行迭代革新。

近兩年，團隊基于對RISC-V CPU開源架構(gòu)的消化、吸收和創(chuàng)新，形成了芯啟科技完全自主可控的嵌入式CPU技術(shù)積累，可以靈活的根據(jù)需求對指令集和微架構(gòu)進行增刪裁剪，全面掌握了嵌入式CPU發(fā)展的主動權(quán)，推出了完全自主可控的系列CPU產(chǎn)品。

同時，公司在AI領(lǐng)域發(fā)力，推出了完全自主可控的AI加速引擎，全力助力傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的AI賦能升級。

據(jù)介紹，芯啟TNA（Tiny Neutral Network Accelerator） AI處理器架構(gòu)的研發(fā)思路包括兩個層面：

• 一是自主掌握主要核心，實現(xiàn)用RISC-V替代ARM，用多種專用加速引擎組成，實現(xiàn)AI處理加速；
• 二是開展嵌入式優(yōu)化，打開「專精」方向，以RISC-V協(xié)調(diào)并行調(diào)配，提升AI算力投射和適配算法的靈活性，并為面積、成本和功耗做折中。

TNA強調(diào)以海量端設(shè)備能接受的價格，提供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、訓練部署、核心芯片、硬件設(shè)計、智能功能組合成的「交鑰匙工程」，提供直觀具象的AI功能，工作環(huán)境尊重傳統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計方案與使用習慣，并提供客戶在成本、算力、AI功能等方面的差異化選擇權(quán)力。

從基礎(chǔ)做起，內(nèi)部重新規(guī)范，梳理研發(fā)概念，解決團隊對接問題，包括軟硬件開發(fā)概念對接、算法優(yōu)化研發(fā)目標一致、未來對接客戶需求更加清晰。從底層模塊做起，形成IP和組合IP的自主體系。

依靠團隊在CPU技術(shù)方面的技術(shù)積累和項目牽引，芯啟目前已經(jīng)完成了自有深度學習加速模塊設(shè)計，并集成進自主CPU指令架構(gòu)，已經(jīng)向主流院校和AI廠商輸出相關(guān)成果，定制完成支持AI原語計算的指令模塊。

通過四年在RISC-V領(lǐng)域的技術(shù)積累，芯啟具備提供大量基于RISC-V標準指令及自定義擴展指令的CPU內(nèi)核模塊IP的能力。

攝于芯啟辦公室

擁有多項關(guān)鍵專利技術(shù)和自主IP，其中包括CPU IP（SAR-T6、SAR-D9、SAR-Q10），算法協(xié)處理器IP（機器學習算子、張量計算算子）、AI算法加速（卷積、池化、激活、全連接）。

4 三大路徑確保生態(tài)發(fā)展

在芯片設(shè)計之外，中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書長滕嶺 還分享了RISC-V應(yīng)用生態(tài)的發(fā)展途徑，以及后續(xù)是否可能受到出口管制的分析。

RISC-V本質(zhì)是一套關(guān)于處理器軟硬件接口規(guī)范的開放標準，真正能夠被使用起來的是不同「微架構(gòu)」的處理器IP，有商業(yè)、開源、自行開發(fā)三種實現(xiàn)方式。

• 方式一是購買商業(yè)IP，受美國出口管制法律（EAR）的管制，類似于Arm停止向華為出售IP和提供服務(wù)。潛在風險是美國和EAR管轄IP廠商收到管制，但國內(nèi)IP廠商不會受到美國的管制。對于這些風險，對策是可購買本土RISC-V IP，可轉(zhuǎn)向開源IP或自行開發(fā)IP（技術(shù)要求極高）。
• 方式二是采用開源IP，方式三是自行開發(fā)IP，這兩種方式的言論自由受《憲法第一修正案》保護，開源組織受地方法律管制。
• 方式二類似于特定網(wǎng)站不向華為開放以及部分標準組織暫停華為會員資格，目前不受管制。潛在風險是若對源代碼管制可能屬于危險，代碼托管平臺可能受管制，美國開源廠商的對外服務(wù)可能受管制，美國開源廠商的對外服務(wù)可能受管制，會員資格也可能受到管制。

對于這些風險，有效的的應(yīng)對策略包括 建立國內(nèi)代碼托管平臺、國內(nèi)大力發(fā)展開源和積極擁抱RISC-V。

方式三類似于JEDEC等標準組織暫停華為會員資格，目前未受管制。潛在風險是標準是開放的，無法管制，不過風險僅限于停止會員資格，影響使用商標和參加會議等。

相應(yīng)對策主要有兩點，一是基金會總部地點考量，二是積極擁抱RISC-V，對指令集的后續(xù)發(fā)展施加更多影響，并構(gòu)建基于RISC-V發(fā)展標準的能力。

綜合來看，作為開源指令集，RISC-V技術(shù)本身基本不會受到技術(shù)封鎖的影響。 基于RISC-V完全開放和諸多授權(quán)免費的特性，隨著RISC-V平臺的進一步壯大和開放，對于國內(nèi)外的芯片設(shè)計企業(yè)而言，不失為爭取更多開發(fā)自由和自主權(quán)的擇優(yōu)之選。