現階段CPU市場已被兩類架構占據。一是X86，由英特爾和AMD兩家公司掌握，在伺服器等領域占有壟斷地位，該類CPU擅長處理大數據；二是ARM，由英國ARM公司掌握，在移動設備領域有壟斷的地位，此類CPU擅長處理快數據。近年來，精簡、可擴展的RISC-V架構興起，或將成為CPU行業的「破局者」。
「未來RISC-V很可能發展成為世界主流CPU之一，從而在CPU領域形成X86、ARM、RISC-V三分天下的格局。」2019年12月18日，在北京舉行的2019國際晶片大會上，中國工程院院士倪光南如此展望開源晶片的前景。
倪光南院士
中美經貿摩擦中，我國ICT行業成為美國實施制裁的「頭部陣地」。美國企圖通過禁止企業向中國出口晶片和作業系統，打壓我國ICT行業創新發展勢頭。從中暴露出的關鍵自主技術短板問題已廣泛得到重視，中國晶片和作業系統自主生態建設亟不可待。時下，完全開源的RISC-V架構有望為中國ICT自主可控生態建設創造具體方案和可行道路。
一、RISC-V架構的緣起
RISC是精簡指令集計算的縮寫（Reduced instruction set computing），是計算機中央處理器（CPU）的一種設計架構，得名於20世紀80年代起美國加州大學伯克利分校計算機科學家大衛·帕特森教授主持的「Berkeley RISC」計劃。因主流的X86、ARM處理器架構授權要求較高，授權費也非常高昂，不利於研究工作的展開，帕特森教授決定零開始設計一套全新的處理器架構，並在設計成功之後將其免費開源。2011年，帕特森教授團隊推出第五代精簡指令集——RISC-V。
大衛·帕特森教授
傳統的ARM指令集不允許擴展開發，但RISC-V允許。且RISC-V由於是後發的架構，在技術上非常精簡且容易實現。更為關鍵的是，RISC-V是免費開源的。這些特點很快吸引了很多大公司參與其中。因此，基於RISC-V的CPU內核實現，既可以自己研發設計，也可也採用開原始碼進行設計，還可以直接購買第三方基於RISC-V設計好的成品配套。
RISC-V最大的好處即是向所有人開放，沒有任何個人或國家能控制RISC-V。一方面，RISC-V沒有X86和ARM架構高昂的授權費用；另一方面，基於RISC-V的自主研發工作不會受到商業糾紛和國家制裁的影響。RISC-V基金會董事會成員、英偉達工程副總裁弗蘭斯曾公開表示：「我們之所以喜歡RISC-V，並不是因為我們不想付ARM的許可費，而是你可以自己控制你的命運。有人提到了地緣政治問題，RISC-V就沒有地緣政治問題。」因而，歷來依賴ARM的華為、高通、谷歌等公司紛紛加入了RISC-V陣營，以分散風險、提升產業話語權。
2005年，RISC-V基金會成立。RISC-V基金會是一家非盈利中立機構和開放社區，主要負責日常維護RISC-V指令集標準手冊與架構文檔，參與RISC-V相關規範制定和軟硬體生態系統的發展，其開放式管理模式能夠有效促進RISC-V社區的交流和創新，形成生態系統，從而降低研發成本，打破晶片市場的壟斷。目前，全球已有200餘家知名科技公司加入RISC-V基金會。
RISC-V基金會創始會員
RISC-V基金會雖然倡導打破對ARM的依存，但日美歐採用遲緩，因此基金會對世界最大半導體市場——中國充滿期待。David Patterson 教授曾經說過：「RISC-V 的未來在中國，而中國的半導體晶片技術和市場發展也離不開 RISC-V。」日本SH諮詢（RISC-V基金會會員之一）CEO河崎俊平也表示：「RISC-V在中國的普及有可能成為在全世界普及的突破口」。
二、為什麼選RISC-V？
1.從技術角度出發
①結構精簡
相對其對手——移動端霸主ARM，精簡和靈活是RISC-V的兩大優勢。RISC-V指令集在最初設計時，研發團隊就明確表示要追求簡約，丟棄歷史包袱。RISC-V的基本指令僅40餘條，並且採用了模塊化的指令集，能滿足從微控制器到超級計算機等各種複雜程度的處理器需求，支持從FPGA、ASIC乃至未來器件等多種實現方式。RISV-V架構開發文檔篇幅少於300頁，而ARM架構的開發文檔篇幅高達數千頁。與之相比，RISC-V沒有歷史包袱，從誕生起就具備一定的後發優勢。
RISC-V與X86、ARM對比
②硬體設計難度降低
RISC-V的開源化使得開發人員能夠輕易從網際網路上得到大量的、有參考借鑑意義的代碼和項目，從而極大降低開發的難度、縮短周期。這使得一些新興研究在高校等研究機構里的開展具備更多可行性。同時， RISC-V還具有模塊化的特點，非常適合物聯網等新領域應用。目前許多基於RISC-V架構的創新都是通過在現有指令架構上增加子集的方式實現。
③系統驗證兼顧客觀公正與成本
在系統結構方向上的研究，最困難或者最具爭議的問題之一，就是對所設計的系統的驗證。一般來說，在計算機系統結構領域，為了對所提出的系統的性能進行驗證，研究人員有三種選擇：採用離散事件仿真；採用基於FPGA（現場可編程邏輯門陣列）的原型驗證；流片並形成完整的系統進行驗證。其中最後一種驗證方式最為嚴格，但其需要大量的資金投入，且具有極高的複雜度和漫長的周期。離散事件仿真法因為只涉及軟體，具有「短平快」的特點，被廣泛採納。然而，離散事件仿真法卻又具有主觀性強、結果爭議大等缺點。RISC-V以及其大量開源實現，適用FPGA原型驗證方法，系統驗證結果可以一定程度上兼顧客觀公正與成本。
④催生新型體系結構
在摩爾定律走向極限這一背景下，採用定製加速器幾乎成為從系統結構角度提升計算性能的唯一手段。「採用自頂而下的設計範式、從應用的角度去設計並開發軟硬協同的完整系統」，將會成為計算機系統結構「黃金十年」的主基調，並帶來大量新型計算機體系結構的誕生。RISC-V從指令集的設計上來看，適應以上基調，並為加速器預留了幾條指令。結合硬體設計難度較低、系統驗證兼顧客觀公正與成本的特點，RISC-V將極大輔助和「催生」新型體系結構。
2.從市場角度出發
隨著信息技術的發展，各類軟、硬體產品快速爆發，ICT設備有著在硬體產品上形成統一軟體抽象的發展趨勢。這種軟體抽象過去主要是作業系統，隨著工控系統、物聯網設備的進一步發展，未來該種軟體抽象的形式可能發生巨大變化。歸根到底，該變化的實質是為了轉移硬體的控制權，通過軟體的大量出售獲取高額利潤。儘管此時主導者仍然是硬體廠商，硬體廠商仍難以一己之力打造一套完整軟體生態。若投入巨大研發成本後無法產出優質產品，則會進一步導致廠家無法盈利，從而無法維持新產品的開發，甚至影響企業生存發展。
在上述規律的支配下，硬體產品變得高度貨品化，競爭激烈，利潤逐步降低。硬體廠商喪失利潤空間。硬體自身喪失定價權，而軟體企業則逐漸構建起用戶別無選擇的平台，因而更容易產生壟斷。
計算機和手機市場已經按此規律發展，長期以往將形成不均衡的市場，陷入發展困局。開源架構的創新可一定程度上緩解此類困局。目前，軟體開源化的趨勢已勢不可擋，時下最火熱的5G和人工智慧領域也對開源有著極高需求，RISC-V為應用的開發提供了極佳的平台。
3.從產業安全角度出發
眾所周知，即使華為等公司已獲得ARM長期授權，，但同樣存在變數。根據中美貿易摩擦中美國商務部施行的出口管制有關規定，只要產品和技術中的美國技術成分超過25%，就有可能受到美國出口管制的限制。從這個角度來看，ARM架構中美國技術成分超過25%，可能會受到影響。
軟體是一種商品，可能會受到美國出口管制禁令的影響。但是，開放的原始碼屬於言論自由的範疇，受美國憲法第一修正案保護。RISC-V既不是開原始碼，也不是單純的軟體產品，其本質是一套開放的、免費的指令集，是一套定義處理器軟硬體之間接口規範的開放標準。因此，只要不是從美國廠商處購買的軟、硬體，自主設計的軟、硬體均不會受到美國的出口管制禁令的影響。
為進一步削弱地緣政治的影響，2019年11月，RISC-V基金會宣布，計劃將總部從美國德拉瓦州遷往瑞士，以削弱地緣政治影響。RISC-V基金會執行長（CEO）卡利絲塔·雷蒙德表示，這項決定的初衷是確保美國以外的大學、政府和公司能夠繼續開發RISC-V開源晶片架構技術。
RISC-V基金會CEO卡利絲塔·雷蒙德
4.從自主可控晶片角度出發
2018年12月，歐盟推出「歐洲處理器計劃」（European Processor Initiative，簡稱EPI），以減輕在晶片領域對美國的依賴；2019年1月，歐盟宣布擬將RISC-V架構用於超級計算機構建，以打破美國在超算領域的壟斷。此「換道超車」的思路未嘗不可在各國範圍內取得廣泛勝利。
5.從透明、可核查的安全角度出發
業界認為，硬體設計錯誤會帶來很多漏洞，而從軟體層面設計補丁也並非萬無一失的做法。RISC-V架構即是為透明、可核查的系統安全建設需求而開發。2017年4月，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）啟動SSITH（通過硬體和固件進行系統安全集成）計劃，尋求在硬體中建立黑客防禦框架。在此計劃中，DARPA希望供應商提供基於RISC-V處理器在內的開源硬體開發的原型設計，以保證軟體和硬體的透明度，使所有人都能進行安全審查。DARPA此舉無疑是對RISC-V架構的一大正面宣傳。
三、RISC-V的現階段布局
（一）外國對RISC-V的布局
從國家層面看，2017年，印度將RISC-V作為國家指令集；以色列國家創新局也選擇基於RISC-V研製為全國企業服務的處理平台。
從企業層面看，英偉達公司將使用RISC-V指令集製作下一代GPU中的周邊微控制器，西部數據公司計劃在下一代存儲計算晶片中使用RISC-V核，並宣布預計每年將出貨超過10億片RISC-V晶片。此外，西門子、三星、谷歌、IBM、特斯拉、高通、恩智浦、日立等大型公司都在RISC-V指令集晶片上有所布局。
（二）中國對RISC-V的布局
在中國，使用RISC-V指令集製作的晶片也開始初露頭角。2019年7月18日，中科物棲展示了基於RISC-V的AIoT晶片和整機方案；7月25日，阿里巴巴旗下半導體公司平頭哥推出基於RISC-V打造的玄鐵910晶片，並表示未來將向全球開發者開放其內核代碼，以開展晶片原型設計架構創新。玄鐵910內核代碼將可用於設計製造高性能端上晶片，應用於5G、人工智慧以及自動駕駛等領域。
2018年7月，上海市經濟信息委發布《上海市經濟信息化委關於開展2018年度第二批上海市軟體和集成電路產業發展專項資金（集成電路和電子信息製造領域）項目申報工作的通知》，將從事RISC-V相關設計和開發的公司作為扶持對象。
現階段，我國已成立中國開放指令生態(RISC-V)聯盟(CRVA)和中國RISC-V產業聯盟(CRVIC)兩大聯盟，以促進國內各界對RISC-V的關注和支持，提升中國在RISC-V標準和技術開發中的參與度，加快完善國內RISC-V「IP核—晶片—軟體—整機—系統」產業生態體系。
四、RISC-V能給中國帶來什麼？
（一）存在的機遇
2018年中國集成電路市場規模1550億美元，國產集成電路規模僅238億美元，集成電路自足率僅有 15%。根據《中國製造2025》規劃，到2020年中國半導體的自足比例要達到40%，2025年要達到70%。RISC-V架構下各類設備應用將為實現這一目標助力。
我們已邁入5G時代，物聯網和AI晶片將迎來井噴式爆發。物聯網碎片化挑戰和異構計算趨勢是RISC-V的發展機遇。物聯網的碎片化導致各種場景下對CPU的需求不一而同，且市場體量很大、每一個細分市場各具規模，大數據、邊緣計算、區塊鏈等細分領域都在蓬勃發展，對於開源晶片來說均是非常好的應用場景。因此，嵌入式應用前景廣闊，低功耗、低成本和定製化需求越來越大。RISC-V具有模塊化、可擴展的特點，可為物聯網應用的不同需求「量體裁衣」。雖然目前RISC-V在物聯網中的應用沒有消費類火爆，但英偉達、谷歌、西部數據等領先企業的積極布局將會帶動RISC-V產業生態的發展。此外，人工智慧應用也推動了異構計算的發展，RISC-V的特性也非常切合異構計算的設計需求。
得益於RISC-V的可擴展性及精簡特性，大至超級計算機晶片，小至手機充電器晶片都可以基於RISC-V架構進行開發。開源指令集能夠降低設計成本、敏捷開發能夠縮短開發周期，從而可加速硬體開發，加快產品疊代，進而能夠降低整體設計門檻，縮短從應用創意到成品晶片推出的時間。紫光展銳已成功開發出RISC-V架構無線耳機晶片「春藤5882」；威海優微科技基於RISC-V推出的UPD350 PD快速充電晶片已通過USB-IF協會USB PD3.0 DRP雙向認證……從垂直行業應用出發，在低成本、開發周期短的產品基礎上不斷疊代升級，企業有望通過技術積累不斷上探市場空間。如此，技術應用型企業有望實現對已開發國家的「彎道超車」。
另一方面，中國要掌握IT生態話語權，也可以從RISC-V出發，建立自主硬體體系，隨後通過軟體開闢大規模的新市場，憑藉世界規模最大的市場和性價比優良的產品主導市場話語權，建立強健、抵抗力強大的生態體系。
新時代、新需求創造了很多新的機遇，持續在正確的道路上砥礪前行，中國晶片終有一天會實現高質量發展。
（二）面臨的挑戰
1.晶片研發本身存在技術壁壘
我國集成電路產業發展較晚，雖然在部分領域已經形成一定規模，但在高端晶片領域仍幾乎被國外企業控制。從進口結構來看，絕大多數計算機和伺服器通用處理器中95%的高端專用晶片，70%以上智能終端處理器以及絕大多數存儲晶片依賴進口。
儘管RISC-V架構為敏捷創造了可能性，但歸根到底，晶片開發仍舊是一項複雜工程，具備較高技術壁壘。
從設備和材料方面看，中國國產半導體製造設備自給率不足10%，矽片、光刻膠等材料嚴重依賴進口；從設計軟體看，半導體設計所需要的自動化（EDA）軟體也處於由新思科技等美國企業壟斷的狀態，找不到類似RISC-V這樣的替代工具。對於海思半導體等中國半導體設計企業而言，EDA軟體的採購是業務存續方面的一大風險。目前開源EDA工具中尚缺少IR drop分析、動態功耗評估、電子遷移分析等功能，並且適應開源軟體體系中GCC編譯器（一款開放編譯器）水平的EDA工具尚未出現。
通用CPU被稱作是集成電路中的「珠穆朗瑪峰」，對集成電路和軟體產業具有基礎性和帶動性作用。晶片微架構需要長期積累，設計架構應用、作業系統、編譯、邏輯和電路等具體工作需要做到融會貫通，這不是短期內能取得快速突破的，我國由於缺少自主高端CPU技術和完整產業生態，在信息產業嚴重受制於人。在自主CPU的研發道路上，國內以龍芯為代表的企業手握自主創新的「槍桿子」走過了坎坷的歷程，儘管海思、龍芯等品牌已初露鋒芒，但應當認清仍需長期追趕的現實。
2.依賴進口的風險已充分暴露
中美貿易戰和川普政府對我國高科技企業實施的出口限制政策都促使中國主要科技公司尋找可靠的供應鏈替代，從中暴露出的風險已得到重視。現階段，X86和ARM兩大架構在計算機和移動設備領域具有絕對壟斷優勢，ARM架構未來還將擴大到物聯網設備。現行的制裁措施對企業的影響較為有限，尚不至於危及生存。但是，以最壞的情況假設，如果美國持續擴大貿易制裁的範圍、採取更惡劣的制裁措施，將對我國ICT行業造成毀滅性打擊。從產業和供應鏈安全角度出發，自主可控生態仍是需要持續關注和建設的重要議題。
3.警惕「偽自研」渾水摸魚
國內不止一次存在過「換殼上市」甚至造假的事件，企業和個人將舶來的技術包裝成「新技術」「新產品」，這不僅是對「創新」二字的褻瀆，更會對我國科技安全埋下重大隱患。
2006年，「漢芯事件」被揭露，上海某高校教授發布的「漢芯」系列晶片被調查出造假事實。該團隊以虛假科研成果呈現給有關部委、學者和公眾，誇大其性能和功能，騙取大量資金和榮譽，極大傷害我國各界人士對自主創新的熱忱期盼。
漢芯一號晶片與項目主持者陳進
2018年，一家名為瀾起科技的公司推出名為「津逮」的伺服器CPU，僅將英特爾至強CPU與自研ASIC（專用集成電路）封裝，就標榜安全可控。事實上，津逮CPU僅是在英特爾CPU上加裝了一個安全模塊，用於檢查計算指令是否符合預期，而運算功能仍依賴英特爾CPU。此前，英特爾CPU已被曝出存在諸如「騎士」「熔斷」「幽靈」「PortSmash」「Spoiler」等漏洞，並得到了英特爾公司的確認。尚無法保證英特爾晶片中是否不存在別的漏洞，以及利益衝突者不會尋找並利用新的漏洞。一旦黑客利用漏洞滲透入我國關鍵基礎設施，政府工作、工業生產和人民日常生活，都將受到嚴重威脅。不過，有跡象表明，我國敏感設備的自主化替換已得到重視。
之所以會有以次充好、虛假宣傳的現象，是因為部分企業和個人被利益沖昏了頭腦。任何技術在沒有得到充分驗證前，都無法被稱為自主可控的。特別是本土技術團隊技術儲備不足、未能經歷磨練、消化吸收能力嚴重不足的情況下，更不應急於宣傳安全可控，顧了效率低了質量。
一方面，要加強監管，通過嚴格的審查制度和監管手段將不利於自主創新的虛假成果扼殺在搖籃；另一方面，要摒棄急功近利的觀念，避免過度技術炒作刺激下催生的野蠻生長。
4.堅守和諧發展、重視產權保護
帕特森教授弟子譚章熹博士曾表示：「現在RISC-V生態的最大競爭者其實是像ARM這樣的對手，而不是RISC-V本身這個行業裡面的公司。」RISC-V架構在編譯器、作業系統等等層面還不盡完善，因而需要RISC-V基金會等聯盟中的企業共同合作開發、共同分享。在一種商業模式的初期，需要有大量公司達成共識、共同維護與完善，共同推動技術和模式走向成熟。長遠來講，這對生態、對企業的商業利益都將大有裨益。
而根據ICT行業此前的發展經驗，行業生態還需進一步建設完善。一方面，某些研發實力很強、在產品端和市場端具有強大推動力的企業掌握大量資源，不利於資源分配，甚至滋生給同行斷供的不公平競爭行為。另一方面，對於智慧財產權的保護仍應是持續建設的重點。若企業的產權能夠得到有力保障、盜版行為得到有效打擊，將有利於企業的生存和市場的發展，這也是市場建設的根本之一。
除政策支持、法律保障，國內RISC-V兩大產業聯盟也將起到重大推進作用，促進企業間的合作共贏，為RISC-V架構生態的健康、蓬勃發展作出充分調和作用。
五、總結
從PC網際網路時代，到移動網際網路時代，再到現在的物聯網時代，每一次技術浪潮，都伴隨著處理器晶片平台和作業系統的巨大變革。在PC時代，英特爾的X86架構晶片與微軟Windows作業系統獨霸天下；在移動網際網路時代，得益於ARM所採取的IP授權的形式以及安卓系統的開放，ARM架構的處理器成為以智慧型手機為代表的移動網際網路設備的標配。而隨著物聯網時代的到來，很多物聯網設備中 「作業系統」與「應用」已密不可分，這也直接導致了物聯網處理器晶片的架構出現了百花齊放的局面。而RISC-V是否能夠達到全球的廣泛期盼，仍需拭目以待。
從實踐上看，技術都是疊代演進的，產品的橫空出世是無稽之談，晶片的開發需要長期疊代演進。RISC-V架構發展至今也是一步一個腳印，不存在一步登天。RISC-V是否能將幫助自主可控晶片與作業系統生態走向春天，需要多方共同關注與付出。
作者丨唐乾琛
研究所簡介
國際技術經濟研究所（IITE）成立於1985年11月，是隸屬於國務院發展研究中心的非營利性研究機構，主要職能是研究我國經濟、科技社會發展中的重大政策性、戰略性、前瞻性問題，跟蹤和分析世界科技、經濟發展態勢，為中央和有關部委提供決策諮詢服務。「全球技術地圖」為國際技術經濟研究所官方微信帳號，致力於向公眾傳遞前沿技術資訊和科技創新洞見。
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