浙江圖靈算力研究院-RISC-V芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告 2024

1RISC-V芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告浙江圖靈算力研究院二。二四年2 3 5 5 22 28 50 54 75 101 104 104 3一.計算機指令集基本情況計算機的程序是由一系列的指令組成的，指令就是要計算機執(zhí)行某種操作的命令。從計算機組成的層次結(jié)構(gòu)來說，計算機的指令有微指令、機器指令和宏指令之分。指令系統(tǒng)是指機器所具有的全部指令的集合，它反映了計算機所擁有的基本功能。在計算機系統(tǒng)的設計和使用過程中，硬件設計人員采用各種手段實現(xiàn)指令系統(tǒng)，而軟件設計人員則使用這些指令系統(tǒng)編制各種各樣的系統(tǒng)軟件和應用軟件，用這些軟件來填補硬件的指令系統(tǒng)與人們習慣的使用方式之間的語義差距。因此，指令系統(tǒng)是軟件設計人員與硬件設計人員之間的一個主要分界面，也是他們之間互相溝通的一座橋梁。在計算機系統(tǒng)的設計過程中，指令系統(tǒng)的設計是非常關鍵的，它必須由軟件設計人員與硬件設計人員來共同完成。設計指令系統(tǒng)就是要選擇計算機系統(tǒng)中的一些基本操作（包括操作系統(tǒng)和高級語言中的）應由硬件實現(xiàn)還是由軟件實現(xiàn)，選擇某些復雜操作是由一條專用的指令實現(xiàn)，還是由一串基本指令實現(xiàn)，然后具體確定指令系統(tǒng)的指令格式、類型、操作以及對操作數(shù)的訪問方式。指令系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡單到復雜的演變過程。20世紀50至60年代，當時的計算機硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，由于技術的限制，計算機大多數(shù)都是采用分立元件的晶體管或電子4管組成，因為計算機的指令系統(tǒng)數(shù)量也不大，只有定點加減、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)移等十幾至幾十條指令，尋址方式也比較簡單。20世紀60年代中期，集成電路的出現(xiàn)，讓計算機的體積、價格、能耗等方面都得到了下降，整體的硬件功能也得到了一定的提升，整個指令系統(tǒng)變得更加豐富，增加了乘除運算、浮點運算、十進制運算、字符串處理等指令，指令數(shù)目多達一二百條，尋址方式也趨多樣化。當時的計算機速度很慢，特別是存儲速度非常慢，廣泛使用的慢速磁帶存儲設備以及大容量內(nèi)存的缺乏，讓計算機對每一字節(jié)空間的應用都很珍惜。在這樣的情況下，人們傾向于在一條指令中完成更多的工作，比如“從內(nèi)存和寄存器讀取數(shù)據(jù)相加后，寫入內(nèi)存”。這實際上是四條指令，首先是從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，其次是從寄存器讀取數(shù)據(jù)，第三是相加，最后才是寫入內(nèi)存。一條指令可以完成四項工作，這是當時計算機的主流設計方案。20世紀70年代，計算機的普及說明了整個計算機性能有了一個更大的提升，但是其中出現(xiàn)的軟件危機卻為指令系統(tǒng)帶來了新的轉(zhuǎn)機。IBM以及其他企業(yè)的從業(yè)人員發(fā)現(xiàn)，目前的PC發(fā)展方向存在一定的問題。如果按照現(xiàn)在指令集發(fā)展的方向繼續(xù)發(fā)展的話，那么現(xiàn)有的指令集系統(tǒng)會越來越復雜。而同時期編譯器的流行，讓這種情況發(fā)生了變化：5一方面指令集越來越復雜，一方面編譯器卻很少使用這么多復雜的指令集。而且如此多的復雜指令，CPU難以對每一個指令都做出優(yōu)化，甚至部分復雜指令本身耗費的時間反而更多。對這件事情的總結(jié)，就是后來著名的“8020”定律，也就是在所有的指令集中，只有20%最常用，80%基本上罕有問津。20世紀80年代，精簡指令集開始出現(xiàn)。這種指令集的優(yōu)勢在于將計算機中最常用的20%的指令集集中優(yōu)化，而剩下的不常用的80%則采用拆分為常用指令集等方式運行。隨著RISC微處理器迅速發(fā)展，人們又發(fā)現(xiàn)RISC指令系統(tǒng)并不能充分實現(xiàn)指令級并行處理，從而影響了計算機性能的進一步提高，又出現(xiàn)了超長指令字（VLIW）計算機指令系統(tǒng)。在上世紀80年代中末期，大量基于RISC的新指令集和產(chǎn)品的問世，讓人們看到了精簡指令集的威力。SGI的工作站基于MIPS，速度超群；IBM的Power系列堪稱巨型計算機的首選產(chǎn)品；還有DECAlpha架構(gòu)的處理器，都是RISC的代表之作。二.計算機指令集簡介（一）CISC和RISC指令集特點1.CISC指令集CISC是指復雜指令系統(tǒng)計算機（ComplexInstruction6SetComputer）。隨著計算機系統(tǒng)的復雜，要求計算機指令系統(tǒng)的構(gòu)造能使計算機的整體性能更快更穩(wěn)定。最初，人們采用的優(yōu)化方法是通過設置一些功能復雜的指令，把一些原來由軟件實現(xiàn)的、常用的功能改用硬件的指令系統(tǒng)實現(xiàn)，以此來提高計算機的執(zhí)行速度，這種計算機系統(tǒng)就被稱為復雜指令系統(tǒng)計算機，簡稱CISC。為了支持復雜指令集，CISC通常包括一個復雜的數(shù)據(jù)通路和一個微程序控制器。微程序控制器由一個微程序存儲器、一個微程序計數(shù)器（MicroPC）和地址選擇邏輯構(gòu)成。在微程序存儲器中的每一個字都表示一個控制字，并且包含了一個時鐘周期內(nèi)所有數(shù)據(jù)通路控制信號的值。這就意味著控制字中的每一位表示一個數(shù)據(jù)通路控制線的值。例如，它可以用于加載寄存器或者選擇ALU中的一個操作。此外每個處理器指令都由一系列的控制字組成。當從內(nèi)存中取出這樣的一條指令時，首先把它放在指令寄存器中，然后地址選擇邏輯再根據(jù)他來確定微程序存儲器中相應的控制字順序起始地址。當把該起始地址放入MicroPC中后，就從微程序內(nèi)存中找到相應的控制字，并利用它在數(shù)據(jù)通路中把數(shù)據(jù)從一個寄存器傳送到另一個寄存器。由于MicroPC中的地址并發(fā)遞增來指向下一個控制字，因此對于序列中的每個控制器都會重復一遍這一步驟。最終，當執(zhí)7行完最后一個控制字時，就從內(nèi)存中取出一條新的指令，整個過程會重復進行。由此可見，控制字的數(shù)量及時鐘周期的數(shù)目對于每一條指令都可以是不同的。因此在CISC中很難實現(xiàn)指令流水操作。另外，速度相對較慢的微程序存儲器需要一個較長的時鐘周期。由于指令流水和短的時鐘周期都是快速執(zhí)行程序的必要條件，因此CISC體系結(jié)構(gòu)對于高效處理器略有挑戰(zhàn)。CISC指令集主要具有以下特點。一是指令系統(tǒng)復雜。指令數(shù)較多，一般大于100條。尋址方式和指令格式較多，一般大于4種。二是絕大多數(shù)指令需要多個機器時鐘周期才能執(zhí)行完畢。三是各種指令都可以訪問存儲器。從計算機誕生以來，人們一直沿用CISC指令集方式。早期的桌面軟件是按CISC設計的，并一直沿用。桌面計算機流行的X86體系結(jié)構(gòu)即使用CISC。微處理器（CPU）廠商一直在走CISC的發(fā)展道路，早期典型代表企業(yè)包括英特微處理器中，程序的各條指令是按順序串行執(zhí)行的，每條指令中的各個操作也是按順序串行執(zhí)行的。順序執(zhí)行的優(yōu)點是控制簡單，但計算機各部分的利用率不高，執(zhí)行速度慢。Intel公司的X86系列CPU是典型的CISC體系的結(jié)構(gòu)，從最初的8086到后來的Pentium系列，每出一代新的CPU，8都會有自己新的指令，而為了兼容以前的CPU平臺上的軟件，舊的CPU的指令集又必須保留，這就使指令的解碼系統(tǒng)越來越復雜。CISC可以有效地減少編譯代碼中指令的數(shù)目，使取指操作所需要的內(nèi)存訪問數(shù)量達到最小化。此外CISC可以簡化編譯器結(jié)構(gòu)，它在處理器指令集中包含了類似于程序設計語言結(jié)構(gòu)的復雜指令，這些復雜指令減少了程序設計語言和機器語言之間的語義差別，而且簡化了編譯器的結(jié)構(gòu)。（2）CISC指令集主要問題一是CISC中各種指令的使用頻度相差很懸殊，大量的統(tǒng)計數(shù)字表明，大約有20%的指令使用頻度比較高，占據(jù)了80%的處理機時間。換句話說，有80%的指令只在20%的處理機運行時間內(nèi)才被用到。二是VLSI的集成度迅速提高，使得生產(chǎn)單芯片處理機成為可能。在單芯片處理機內(nèi)，希望采用規(guī)整的硬布線控制邏輯，不希望用微程序。而在CISC處理機中，大量使用微程序技術以實現(xiàn)復雜的指令系統(tǒng)，給VLSI工藝造成很大困難。三是雖然復雜指令簡化了目標程序，縮小了高級語言與機器指令之間的語義差距，然而增加了硬件的復雜程度，會使指令的執(zhí)行周期大大加大，從而有可能使整個程序的執(zhí)行時間反而增加。92.RISC指令集RISC是指精簡指令系統(tǒng)計算機（ReducedInstructionSetComputer是在20世紀80年代發(fā)展起來的，其基本思想是盡量簡化計算機指令功能，只保留那些功能簡單、能在一個節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行完成的指令，而把較復雜的功能用一段子程序來實現(xiàn)。由于CISC技術在發(fā)展中出現(xiàn)了問題，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計的先驅(qū)者們嘗試從另一條途徑來支持高級語言及適應VLSI技術特點。1975年IBM公司JohnCocke提出了精簡指令系統(tǒng)的設想。到了1979年，美國加州大學伯克萊分校由Patterson教授領導的研究組，首先提出了RISC這一術語，并先后研制了RISC-I和RISC-II計算機。1981年美國的斯坦福大學在Hennessy教授領導下的研究小組研制了MIPSRISC計算機，強調(diào)高效的流水和采用編譯方法進行流水調(diào)度，使得RISC技術設計風格得到很大補充和發(fā)展。RISC處理器所設計的指令系統(tǒng)應使流水線處理能高效率執(zhí)行，并使優(yōu)化編譯器能生成優(yōu)化代碼。RISC為使流水線高效率執(zhí)行，應具有下述特征1）簡單而統(tǒng)一格式的指令譯碼2）大部分指令可以單周期執(zhí)行完成3）只有LOAD和STORE指令可以訪問存儲器4）簡單的尋址方式5）采用延遲轉(zhuǎn)移技術6）采用LOAD延遲技術。RISC為使優(yōu)化編譯器便于生成優(yōu)化代碼，應具有下述特征：（1）三地址指令格式2）較多的寄存器3）對稱的指令格式。RISC的關鍵技術包括：一是延時轉(zhuǎn)移技術。在轉(zhuǎn)移指令之后插入了一條有效的指令，而轉(zhuǎn)移指令好像被延遲執(zhí)行了，因此，把這種技術稱為延遲轉(zhuǎn)移技術。采用指令延遲轉(zhuǎn)移技術時，指令系列的調(diào)整由編譯器自動進行，一般不需要人來干預。二是指令取消技術。采用指令延時技術，遇到條件轉(zhuǎn)移指令時，調(diào)整指令系列非常困難，在許多情況下找不到可以用來調(diào)整的指令。有些RISC處理機采用指令取消技術，在使用指令取消技術的處理機中，所有轉(zhuǎn)移指令和數(shù)據(jù)變換指令都可以決定下面待執(zhí)行的指令是否應該取消。如果指令被取消，其效果相當于執(zhí)行了一條空操作指令，不影響程序的運行環(huán)境。三是重疊寄存器窗口技術。基本思想是在處理機中設置一個數(shù)量比較大的寄存器堆，并把它劃分成很多窗口。每個過程使用其中相鄰的三個窗口和一個公共的窗口，而在這些窗口中有一個窗口是與前一個過程共用，還有一個窗口是與下一個過程共用的。與前一過程共用的窗口可以用來存放前一過程傳送給本過程的參數(shù)，同時也存放本過程傳送給前一過程的計算結(jié)果。同樣，與下一過程共用的窗口可以用來存放本過程傳送給下一過程的參數(shù)和存放下一過程傳送給本過程的計算結(jié)果。四是指令流調(diào)整技術。為了使RISC處理機中的指令流水線高效率的工作，盡量不斷流，優(yōu)化編譯器必須分析程序的數(shù)據(jù)流和控制流。當發(fā)現(xiàn)指令流有斷流可能時，要調(diào)整指令列。對有些可以通過變量重新命名來消除的數(shù)據(jù)相關，要盡量消除。如此可以提高流水線的執(zhí)行效率，縮短程序的執(zhí)行時間。五是硬件為主固件為輔。指令系統(tǒng)用微程序?qū)崿F(xiàn)的主要優(yōu)點是便于實現(xiàn)復雜指令，便于修改指令系統(tǒng)，增加了機器的靈活性和適應性。主要缺點是執(zhí)行速度低。RISC要求主要指令能在單周期內(nèi)執(zhí)行完成，采用微程序技術是不可能做到的。因此，RISC必須主要采用硬連線邏輯來實現(xiàn)指令系統(tǒng)。對于那些必須的復雜指令，也可用固件（微程序技術）實現(xiàn)。因此，目前商用的RISC處理機在實現(xiàn)指令系統(tǒng)時，一般都采用以硬件為主固件為輔的方法。早期的微處理器大部分為復雜指令集架構(gòu)，即設計盡可能復雜的指令來完成任務，原因之一是當時的編譯技術并不發(fā)達。而隨著編譯器技術以及其他技術的發(fā)展，研究人員漸漸發(fā)現(xiàn)多數(shù)的復雜指令只在很少的時候被用到，而且復雜的指令限制了處理器速度的進一步提高。精簡指令集技術應運而生，IBM801可能是第一個用精簡指令集的理念來設計的系統(tǒng)，并逐步發(fā)展成為了今天的Power架構(gòu)。RISC項目并設計了其第一代的處理器RISCI，這就是RISC這個名稱的由來。SunMicrosystem（現(xiàn)在的Oracle）的SPARC處理器架構(gòu)也有很多BerkeleyRISC影子在里面。差不多同時，斯坦福的教授JohnHennessy（現(xiàn)為Google董事長）和他的團隊也從課程設計出發(fā)設計了MIPS處理器的早期雛形，并最終孵化為MIPSTechnologies公司，后來被ImaginationTechnologies收購。MIPS架構(gòu)被廣泛用于路由器芯片中。而ARM作為迄今為止發(fā)展最好的RISC指令集，由于成功的商業(yè)化運作，現(xiàn)在已經(jīng)無處不在。（2）RISC指令集主要問題RISC的主要問題是編譯后生成的目標代碼較長，占用了較多的存儲器空間。但由于半導體集成技術的發(fā)展，使得RAM芯片集成度不斷提高和成本不斷下降，目標代碼較長已不成為主要問題。RISC技術存在另一個潛在缺點是對編譯器要求較高，除了常規(guī)優(yōu)化方法外，還要進行指令順序調(diào)度，甚至能替代通常流水線中所需的硬件聯(lián)鎖功能。（二）主流指令集架構(gòu)（ISA）介紹1.X86架構(gòu)基于CISC（復雜指令集）的X86架構(gòu)是一種為了便于編程和提高存儲器訪問效率的芯片設計體系，包括兩大主要特點：一是使用微代碼，指令集可以直接在微代碼存儲器里執(zhí)行，新設計的處理器，只需增加較少的晶體管電路就可以執(zhí)行同樣的指令集，也可以很快地編寫新的指令集程式；二是擁有龐大的指令集，X86擁有包括雙運算元格式、寄存器到寄存器、寄存器到存儲器以及存儲器到寄存器的多種指令類型，為實現(xiàn)復雜操作，微處理器除向程序員提供類似各種寄存器和機器指令功能外，還通過存于只讀存儲器(ROM)中的微程序來實現(xiàn)極強的功能，微處理器在分析完每一條指令之后執(zhí)行一系列初級指令運算來完成所需的功能。X86指令體系的優(yōu)勢體現(xiàn)在能夠有效縮短新指令的微代碼設計時間，允許實現(xiàn)CISC體系機器的向上兼容，新的系統(tǒng)可以使用一個包含早期系統(tǒng)的指令集合。另外，微程序指令的格式與高階語言相匹配，因而編譯器并不一定要重新編寫。相較RISC（精簡指令集）體系，X86指令體系也有其缺點。一是通用寄存器規(guī)模小，X86指令集只有8個通用寄存器，CPU大多數(shù)時間是在訪問存儲器中的數(shù)據(jù)，影響整個系統(tǒng)的執(zhí)行速度。而RISC系統(tǒng)往往具有非常多的通用寄存器，并采用了重疊寄存器窗口和寄存器堆等技術，使寄存器資源得到充分的利用。二是解碼器影響性能表現(xiàn)，解碼器的作用是把長度不定的X86指令轉(zhuǎn)換為長度固定的類似于RISC的指令，并交給RISC內(nèi)核。解碼分為硬件解碼和微解碼，對于簡單的X86指令只要硬件解碼即可，速度較快，而遇到復雜的X86指令則需要進行微解碼，并把它分成若干條簡單指令，速度較慢且很復雜。三是X86指令集尋址范圍小，約束用戶需要。四是X86的復雜指令集單個指令長度不同，運算能力強大，不過相對來說結(jié)構(gòu)復雜，影響執(zhí)行效率。相反，ARM的精簡指令集單個指令長度固定，只包含使用頻率最高的少量指令，性能一般但結(jié)構(gòu)簡單，執(zhí)行效率穩(wěn)定。（2）X86架構(gòu)主導PC、服務器CPU市場從企業(yè)角度看，Intel對X86架構(gòu)擁有較強的掌控力。一方面，持續(xù)的高額投入支撐絕對的技術優(yōu)勢。僅2015年，Intel在芯片研發(fā)方面投入就達121億美元，通過強大的研發(fā)實力支撐“Tick-Tock”戰(zhàn)略，持續(xù)優(yōu)化架構(gòu)、提升工藝實現(xiàn)CPU能力提升；同時通過并購獲取新技術，如以167億美元收購阿爾特拉（Altera）布局CPU+FPGA技術，以支撐數(shù)據(jù)中心應用。另一方面，專用CPU制造工藝使得其CPU芯片擁有更強的性能。Intel仍然堅持自主設計、自主制造、自主封裝和測試、自主銷售和推廣的IDM（垂直整合制造）模式，通過對CPU全流程的控制，尤其是自主設計和制造互相融合、互相促進、不斷優(yōu)化，發(fā)揮出CPU專用制造工藝的最大潛力。然而，必須指出的是X86架構(gòu)并未在移動終端領域形成優(yōu)勢。這主要是因為移動終端等消費市場突出低功耗、低成本、易定制、常升級的特性，ARM以開放式合作吸引眾多芯片設計企業(yè)和軟件企業(yè)構(gòu)成龐大生態(tài)體系，ARM架構(gòu)占據(jù)超過90%的市場份額。2.ARM架構(gòu)ARM精簡指令集是為了提高處理器運行速度而設計的芯片體系，它的關鍵技術在于流水線操作即在一個時鐘周期里完成多條指令。相較復雜指令集CISC而言，以RISC為架構(gòu)體系的ARM指令集的指令格式統(tǒng)一、種類少、尋址方式少。簡單的指令意味著相應硬件線路可以盡量做到最佳化，從而提高執(zhí)行速率，但因為指令集的精簡，所以許多工作必須組合簡單的指令，而針對復雜組合的工作便需要由編譯程序來執(zhí)行。而CISC體系的X86指令集因為硬件所提供的指令集較多，所以許多工作都能夠以一個或是數(shù)個指令來代替，編譯的工作因而減少了許多。ARM指令集架構(gòu)的主要特點：一是體積小、低功耗、低成本、高性能；二是大量使用寄存器且大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成，指令執(zhí)行速度更快；三是尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；四是指令長度固定，可通過多流水線方式提高處理效率。（2）ARM的發(fā)展情況ARM架構(gòu)CPU初期在技術上不占優(yōu)勢，在市場份額上更是完全比不上IntelCPU，其初期發(fā)展也很困難。然而在最先受到Nokia青睞后，逐步帶動了意法、英飛凌、TI等公司選用ARM產(chǎn)品。Intel公司的XScale（StrongARM）系列芯片、Motorola公司的DragonBall系列芯片與TI公司OMAP系列芯片都嵌入了ARM公司的IP核。最終讓它在功能終端時代站穩(wěn)了腳跟。隨著智能終端時代的到來，蘋果選用ARM架構(gòu)使其在智能終端時代快速擴張。在蘋果公司的帶動下，高通公司更是將ARM架構(gòu)芯片推上了技術和市場的新高度，高通的專利授權模式迅速將ARM芯片推廣到各個領域。ARM處理器小體積、低功耗、低成本、高性能和16/32位雙指令集等特點，適用于嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP（數(shù)字信號處理器）和移動式應用等諸多領域，在全球擁有超過1000家授權合作伙伴，ARM+Android的生態(tài)體系建設愈發(fā)完善，使得它在移動領域全面勝出。隨著移動市場的成功，ARM開始向服務器、物聯(lián)網(wǎng)領域滲透。在服務器領域已有多家公司開發(fā)基于ARM架構(gòu)芯片的產(chǎn)品；在物聯(lián)網(wǎng)領域，除了提供基礎芯片IP核之外，ARM公司還推出開源、免費的mbedOS等，產(chǎn)品至今推出一年有余，其參與企業(yè)數(shù)量、開發(fā)者數(shù)量、開發(fā)環(huán)境使用次數(shù)等均呈現(xiàn)出翻倍增長態(tài)勢，未來成長潛力巨大。3.MIPS架構(gòu)MIPS是高效精簡指令集計算機體系結(jié)構(gòu)中的一種，是較為純正的RISC指令集，與ARM架構(gòu)相比，MIPS的優(yōu)勢主要有五點：一是早于ARM支持64位指令和操作；二是MIPS有專門的除法器，可以執(zhí)行除法指令；三是MIPS的內(nèi)核寄存器比ARM多一倍，在同樣的性能下MIPS的功耗會比ARM更低，同樣功耗下性能比ARM更高；四是MIPS指令比ARM稍微多一些，執(zhí)行部分運算更為靈活；五是MIPS在架構(gòu)授權方面更為開放，允許授權商自行更改設計，如更多核的設計。同時，MIPS架構(gòu)也存在一些不足之處：一是MIPS的內(nèi)存地址起始有問題，這導致了MIPS在內(nèi)存和cache的支持方面都有限制，即MIPS單內(nèi)核無法面對高容量內(nèi)存配置；二是MIPS技術演進方向是并行線程，類似Intel的超線程，而ARM發(fā)展方向是物理多核，從目前核心移動設備的發(fā)展趨勢來看物理多核占據(jù)了上風；三是MIPS雖然結(jié)構(gòu)更加簡單，但是執(zhí)行指令流水線周期遠不如ARM高效；四是MIPS學院派發(fā)展風格導致其商業(yè)進程遠遠滯后于ARM，當ARM與高通、蘋果、NVIDIA等芯片設計公司合作大舉進攻移動終端的時候，MIPS還停留在高清盒子、打印機等小眾市場產(chǎn)品中；五是MIPS自身系統(tǒng)的軟件平臺也較為落后，應用軟件與ARM體系相比要少很多。（2）MIPS架構(gòu)在競爭困境中發(fā)展MIPS架構(gòu)是1980年代初期由美國斯坦福大學研發(fā)出來的，并在1984年成立了MIPS計算機公司。1992年，MIPS計算機公司被SGI收購，并于1998年脫離SGI成為MIPS技術公司。1999年，MIPS公司發(fā)布MIPS32和MIPS64架構(gòu)標準，為未來MIPS處理器的開發(fā)奠定了基礎。2012年，MIPS技術公司由于經(jīng)營問題尋求出售，最終80%專利被ARM聯(lián)合其他公司以3.5億美元收購，剩余20%專利和架構(gòu)授權被Imagination公司以1億美元收購。相對于CISC來說，基于RISC的處理器的執(zhí)行指令要少的多，MIPS架構(gòu)作為32位和64位RISC處理器架構(gòu)的先驅(qū)，在微結(jié)構(gòu)、64位和多線程技術方面有其優(yōu)勢，因而其技術專利持續(xù)受到芯片設計與架構(gòu)設計企業(yè)的青睞。2012年BridgeCrossing代表了以ARM為主的IBM、Intel、Google、惠普、思科、愛立信、Verizon等26家其他架構(gòu)設計企業(yè)收購其80%專利，正是為了今后躲避專利風險。雖然MIPS架構(gòu)有其特色，但一直并未形成規(guī)模化的硬件開發(fā)環(huán)境。一方面，在X86和ARM生態(tài)的擠壓下，支持MIPS指令集的外圍硬件新產(chǎn)品較之前大幅下降，嚴重影響了MIPS架構(gòu)產(chǎn)品的市場空間；另一方面，MIPS架構(gòu)大量的架構(gòu)授權也造成被授權的芯片廠商常常自己修改一部分EJTAG協(xié)議，并且只對少數(shù)指定的第三方公開修改的部分，因而造成MIPS開發(fā)工具支持不夠廣泛的局面，難以形成規(guī)?；慕y(tǒng)一生態(tài)體系。在2012年Imagination收購MIPS團隊和業(yè)務后，有效提升了MIPS處理器的開發(fā)實力，并且主導建立了MIPS開源社區(qū)PRPL基金會，旨在共同推進MIPS架構(gòu)與IP的持續(xù)向前發(fā)展。該開源社區(qū)聯(lián)合了博通、Cavium、Ikanos、InedaSystems、君正、Lantiq、NevalesNetworks、PMC和高通等14家MIPS設計企業(yè)的力量，并將最新的免費工具鏈、相關程序庫、通用平臺、調(diào)試器、探針和軟件，以及開發(fā)環(huán)境提供給所有的MIPS使用者，形成完備的設計鏈。4.POWER架構(gòu)POWER架構(gòu)是由IBM設計的一種RISC處理器架構(gòu)，全稱為“PerformanceOptimizationWithEnhancedRISC”。POWER在大型機領域獨具優(yōu)勢，并且歷代POWER處理器都在技術突破上獨領風騷。POWER1一經(jīng)推出，便成為當時最強大的服務器處理器，與當時HP的PA-RISC、Sun的Sparc、Intel的486等RISC處理器不同，POWER1進行了功能劃分，實現(xiàn)了超標量計算的能力。它還有單獨的浮點寄存器，可適應從低端到高端的UNIX工作站。POWER3是全球首款64位架構(gòu)處理器，開始應用銅芯片和SOI（絕緣體上硅）技術。直至POWER7依然追求最高性能，不僅具備亂序執(zhí)行、智能線程等技術，還實現(xiàn)了SMP（對稱多處理技術）的硬件一致性處理。在高端服務器領域，POWER的大規(guī)模SMP系統(tǒng)性能大幅超越X86。POWER系統(tǒng)在硬件層面的可靠性、可用性、可維護性（RAS）方面明顯強于X86系統(tǒng)。Intel只提供處理器，整機需要廠商自己設計，因此，大多中小廠商依靠Intel的公版方案做白牌整機方案，這與IBM從芯片開始設計的整機方案無法相比。此外，POWER機器使用AIX操作系統(tǒng)（IBM為POWER專門開發(fā)的類UNIX操作系統(tǒng)在系統(tǒng)穩(wěn)定性、軟件方案集成度（例如備份軟件、集群文件系統(tǒng)等）、廠商技術支持能力等方面強于開放平臺，非常適合關鍵性應用行業(yè)。在小型機領域，因為X86利用巨大市場分攤軟硬件研發(fā)成本，使得其性價比優(yōu)勢極大，導致POWER的市場競爭Windows/Linux的進取是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。與此同時，由于Google的崛起，云計算的興盛，現(xiàn)在分布式系統(tǒng)的成熟度越來越高，系統(tǒng)已經(jīng)越來越不依賴幾臺小型機來提供穩(wěn)定性和可靠性，而是通過集群來提供，性能也能夠通過分布式的處理來解決。所以，X86的使用越來越廣泛，而且最新的一些低成本和高效能的新技術都在X86體系下得到應用（X86市場占有率高而POWER系列由于其封閉的特性，反而難以得到應用，POWER系列的小型機優(yōu)勢越來越不明顯。（2）IBM開放POWER架構(gòu)由于基于POWER架構(gòu)芯片的IBM服務器業(yè)務在IntelX86架構(gòu)服務器業(yè)務的沖擊下，無論是營收還是市場份額均處在大幅下滑狀態(tài)。為了分攤成本，2013年8月，在POWER8發(fā)布之后，IBM決定向外部開發(fā)者開放POWER芯片架構(gòu)，允許第三方企業(yè)對這一產(chǎn)品進行改進，促成了OpenPOWER基金會（聯(lián)盟）成立。隨著IBM于2014年初將其X86服務器業(yè)務出售給聯(lián)想之后，POWER系列（芯片及服務器）僅為IBM尚具硬件業(yè)務的主攻方向。OpenPOWER基金會是一家全球性的開放式研發(fā)成員組（Mellanox）等，旨在促進和鼓勵基于POWER架構(gòu)的協(xié)作創(chuàng)新。OpenPOWER基金會會員能夠定制POWER處理器、并基于POWER平臺開發(fā)自己的硬件系統(tǒng)、固件、操作系統(tǒng)、中間件、云平臺以及企業(yè)應用軟件，從而在硬件、軟件和整體解決方案三個層面，以最大限度滿足其業(yè)務和組織需OpenPOWER基金會從一開始就定位為它并不是一個屬于IBM的組織，IBM也只是其中的一分子。OpenPOWER為此成立了理事會，負責OpenPOWER的核心運營。POWER的開放與X86相比有三個特點。一是POWER的開放程度遠遠高于Intel的X86架構(gòu)，Intel暫時是不可能開放其核心技術的。在開源POWER生態(tài)圈，IBM跟合作伙伴的合作從最底層的芯片開始，有非常豐富多樣的合作模式，可以形成多種生態(tài)系統(tǒng)。二是可實現(xiàn)差異化的高性能產(chǎn)品。X86系統(tǒng)競爭已經(jīng)非常激烈，而且同質(zhì)化現(xiàn)象嚴重。IBM提供特殊的API讓用戶為特定負載定制有特殊I/O的處理器。三是可協(xié)助應用遷移。在開源POWER之前，IBM就與合作伙伴開始力推各種新老應用向POWERLinux的遷POWER技術的Linux開發(fā)中心。三.RISC-V架構(gòu)發(fā)展簡介（一）RISC-V的提出及早期發(fā)展歷程1.RISC-V提出背景在計算機科學的初期階段，復雜指令集（CISC）架構(gòu)占據(jù)了主導地位，如Intel的x86系列。x86是一種計算機中央處理器（CPU）指令集架構(gòu)，最初由英特爾公司開發(fā)。它是早期IBMPC機的主要處理器架構(gòu)之一，現(xiàn)在仍然廣泛應用于Windows和Linux等多種操作系統(tǒng)的平臺中。x86作為一種CISC架構(gòu)，支持大量不同的指令，可以快速執(zhí)行各種不同的計算。隨著1980年代計算需求的增長和技術的進步，簡單而高效的計算機架構(gòu)一直是業(yè)界的興趣所在。與CISC架構(gòu)形成對比的是，精簡指令集（RISC）架構(gòu)強調(diào)指令的簡潔性和高效執(zhí)行。例如，Arm架構(gòu)就是RISC架構(gòu)的一個典型代表，通過簡化指令集來提高處理器的性能和能效比，尤其在移動和嵌入式設備領域表現(xiàn)卓越。RISC架構(gòu)的一個顯著特點是通常使用固定長度的指令，這一點簡化了指令的解碼過程，并因此提高了處理速度。2000年前后，x86和Arm成為了市場上的兩大主導架構(gòu)。x86主要應用于個人電腦和服務器領域，而Arm則在移動設備和嵌入式系統(tǒng)中占據(jù)了主導地位。這一時期，芯片架構(gòu)的發(fā)展受到了專利和版權的嚴格控制，這種控制限制了架構(gòu)的創(chuàng)新和定制化發(fā)展。在2010年左右，加利福尼亞大學伯克利分校的DavidPatterson教授與KrsteAsanovi?教授領導的團隊著手探索一種新型的指令集架構(gòu)。他們的愿景是創(chuàng)造一種既高效又靈活的指令集，能夠適應不斷變化的技術需求，同時擺脫x86和Arm的限制，RISC-V應運而生。2.發(fā)展過程2010年，作為對當時市場狀態(tài)的直接響應Asanovic教授啟動了開源計算機系統(tǒng)的研究項目，與他的幾位研究生YunsupLee、AndrewWaterman等一起開始為期3個月的暑期項目，從零開始設計一套指令集，為學術界和工業(yè)用戶提供幫助。DavidPatterson作為伯克利RISC的發(fā)起人，也參與了該項目，RISC-V是他在伯克利基于RISC長期合作研究項目的第五代。Patterson在1981年發(fā)表了RISC-I和RISC-II，1984年參考SOAR架構(gòu)發(fā)布了第三代這一階段，參與項目的學生提供了初始軟件、模擬和CPU設計。RISC-V基于精簡指令集計算原則，旨在創(chuàng)建一種通用而高效的計算框架，提供一種開源、高效且靈活的指令集架構(gòu)。它繼承了前幾代RISC架構(gòu)的優(yōu)點，如簡潔的指令集和高效的執(zhí)行路徑，同時通過引入開源的概念，打破了由少數(shù)幾家公司控制的架構(gòu)發(fā)展模式。區(qū)別于市場主導的x86和Arm架構(gòu)，RISC-V的開源特性允許無版權約束的使用、修改和分發(fā)，從而激發(fā)了全球技術社區(qū)的廣泛興趣。其設計理念的簡約性和強大性，也預示著現(xiàn)代計算技術的一場重大變革。起源于學術界的RISC-V與x86和Arm形成了鮮明對比。x86，由英特爾和AMD主導，長期以來一直是個人電腦和服務器市場的主導架構(gòu)；Arm架構(gòu)，因其高能效比而在移動設備和嵌入式系統(tǒng)中占據(jù)主導地位。相比之下，RISC-V作為一個后起之秀，憑借其開放性和靈活性，在各個市場領域迅速嶄露頭角。2015年谷歌、惠普、IBM、微軟、甲骨文、英偉達、高通等公司與加州大學伯克利分校合作成立RISC-V基金會，旨在基于RISC-V指令集架構(gòu)構(gòu)建一個開放、協(xié)作的軟硬件創(chuàng)新社區(qū)，推動RISC-V指令集標準不斷完善、在不同行業(yè)內(nèi)被采用。2018年11月，RISC-V基金會宣布與Linux基金會進行聯(lián)合合作。作為合作的一部分，Linux基金會為RISC-V國際協(xié)會提供運營、技術和戰(zhàn)略支持，包括成員管理、會計、培訓項目、基礎設施工具、社區(qū)服務、市場營銷、法律以及其他開放標準服務和專業(yè)知識。這一合作也延續(xù)至今。2018年，RISC-V基金會吸收來自全球社區(qū)參與者的建議，對地緣政治格局進行詳盡的考慮，為保障對RISC-V長期的戰(zhàn)略投資，必須確保知識產(chǎn)權訪問的連續(xù)性。RISC-V基金會在2018年12月峰會上首次提出將注冊地遷移到中立國家瑞士，緩解人們對于政治干擾開放合作模式的擔憂。2019年11月，RISC-V基金會正式宣布總部注冊地將從美International，簡稱RVI）。作為一個非盈利的會員組織，RISC-V國際協(xié)會不涉及對任何產(chǎn)品或服務的商業(yè)利益；RISC-V國際協(xié)會遵守所有美國法律，在美國沒有任何出口限制。2020年3月，RISC-V國際協(xié)會在瑞士成立，同時，RISC-V國際協(xié)會開始轉(zhuǎn)向構(gòu)建一個全新的、更具包容性的會員結(jié)構(gòu)。RISC-V國際協(xié)會的成員可以訪問和參與RISC-V指令集規(guī)范及擴展、相關硬件和軟件的開發(fā)。RISC-V國際協(xié)會設有一個由會員代表組成的董事會，以及一個由技術工作組負責人組成的技術委員會。RISC-V國際協(xié)會鼓勵企業(yè)、機構(gòu)及個人愛好者加入其生態(tài)系統(tǒng)，共同開啟處理器創(chuàng)新的新時代，通過開放標準和開源協(xié)作實現(xiàn)。RISC-V國際協(xié)會貢獻全球標準許可證，這種開源許可方法，不受任何地理法規(guī)的限制，促進全球社區(qū)共同合作。RISC-V的初始目標是設計一個可以在學術領域使用的開源指令集架構(gòu)，使用者無需支付版稅既可在任何硬件或軟件設計中部署。與商業(yè)IP不同的是，RISC-V指令集標準項目的每個設計都做了相應決策解釋RISC-V指令集采用BSD許可協(xié)議，BSD許可協(xié)議英文為BerkeleySoftwareDistributionLicence，源于加利福尼亞大學伯克利分校的UNIX操作系統(tǒng)，是自由軟件中使用最廣泛的許可協(xié)議之一。RISC-V創(chuàng)始團隊認為指令集作為軟硬件接口的說明和規(guī)范，應該是開放的。RISC-V選擇的BSD許可協(xié)議允許使用者修改和重新發(fā)布源代碼，同時也允許基于開源代碼進行商業(yè)軟件的開發(fā)和銷售。指令集規(guī)范定義了32位和64位地址空間變體。規(guī)范還包括對128位地址空間變體的描述，作為32位和64位變體的衍生。截至2023年，對這種大型內(nèi)存系統(tǒng)的實際經(jīng)驗還很少，因此128位ISA標準還處于計劃狀態(tài)。全球開發(fā)者和商業(yè)公司對RISC-V持續(xù)的關注并不僅僅因為它是一項偉大的新芯片技術，更因為它是一個全球性的開放標準，可以將軟件移植到該標準上，并且允許任何人自由開發(fā)自己的硬件來運行軟件。RISC-V國際組織不管理或提供任何開放的RISC-V實現(xiàn)，它只維護RISC-V指令集標準規(guī)范，RISC-V軟件由各自的開源軟件項目管理。為了建立一個不斷增長的龐大用戶社區(qū)，積累設計和軟件經(jīng)驗，RISC-V指令集的設計滿足各種對算力不同需求的場景，如緊湊型、高性能和低功耗的設計實現(xiàn)，而不會為了某個特定微架構(gòu)進行過度設計。大量貢獻者的需求也助力RISC-V被用于解決許多可能用途。對設計者而言，指令集位于硬件和軟件之間，是計算機中的關鍵接口。如果有一個開放可供所有人使用的指令集，可以通過使軟件復用從而顯著降低軟件成本。這種開發(fā)方式也會觸發(fā)硬件提供商之間的競爭升級，他們可以節(jié)省在共性開發(fā)方面的支持投入，從而投入更多資源專注于硬件設計。據(jù)RISC-V國際協(xié)會2023年數(shù)據(jù)顯示，目前已有基于RISC-V的硬件114款（包含SoC、IP、FPGA支持RISC-V架構(gòu)的軟件工具50+類，包含開發(fā)工具、操作系統(tǒng)、固件等。這種開源策略大大促進了RISC-V的接受度和應用范圍，激發(fā)了全球范圍內(nèi)的合作和創(chuàng)新。目前，RISC-V已經(jīng)在RISC-V國際協(xié)會的管理下成為開放的行業(yè)標準。RISC-V的開源模式為計算行業(yè)帶來了新的動力。它不僅促進了技術的快速發(fā)展和迭代，還為各公司和研究機構(gòu)提供了與老牌企業(yè)同臺競技的機會，通過這種方式，RISC-V正在重新定義芯片設計和制造的生態(tài)系統(tǒng)。（二）RISC-V主要特點1.指令集簡介RISC-V是一個典型三操作數(shù)、加載-存儲形式的RISC架構(gòu)，包括三個基本指令集和6個擴展指令集，其中RV32E是RV32I的子集，不單獨計算。集指令與RV32I一樣，16個寄存器，用于嵌入式集M8AFDQC“I”開頭的指令集定義為標準整數(shù)指令集（前綴RV32或者RV64取決于整數(shù)寄存器的寬度，分別表示32位架構(gòu)算指令，整數(shù)加載，整數(shù)存儲，控制流指令，這部分指令對于所有的RISC-V實現(xiàn)都是完全一樣的。“M”開頭的擴展為包含整數(shù)的乘法和除法，并且添加了對整數(shù)寄存器中的數(shù)據(jù)相乘或者相除的指令?！癆”開頭的擴展為包含原子指令，其中的指令有為實現(xiàn)處理器間同步的原子性讀，修改和寫入存儲器指令?！癋”開頭的擴展為單精度浮點指令，包括單精度浮點數(shù)的加載和存儲以及單精度浮點數(shù)的算術運算。“D”開頭的擴展為雙精度指令，擴展單精度的寄存器以及雙精度數(shù)的計算，加載和存儲。標準整數(shù)指令集以及包含的這四個擴展(“IMAFD”)指集合。RV32G和RV64G是Berkeley開發(fā)的編譯器工具鏈的默認指令集。除了標準的指令集和上述的標準擴展，想要開發(fā)出一個能夠為所有應用場景帶來非常大的好處的指令集的可能性是很小的。盡管，一些新的指令可能在特定的領域中非常有用。由于能效的壓力越來越促使開發(fā)出更針對特定領域的指令集，所以盡可能簡化ISASpecification中所要求的部分是非常重要的。盡管其他的架構(gòu)通常把它們的指令集認為是單個的不可分割的整體，當需要添加新的指令時就更新一個版本，但是RISC-V指令集將盡可能的保持整數(shù)指令和標準擴展指令集不變，作為替代，添加新的可選指令集時在更高的層次上添加。比如，所有的基礎整數(shù)指令將會一直作為一個完整的單獨的指令集，而不管之后其他任何的指令集的改變?；局噶罴拿Q后綴都是I，表示Integer（整數(shù)任何一款采用RISC-V架構(gòu)的處理器都要實現(xiàn)一個基本指令集，根據(jù)需要，可以實現(xiàn)多種擴展指令集，例如：如果實現(xiàn)了RV32IM，表示實現(xiàn)了32位基本指令集和乘法除法擴RV32G來表示，表示實現(xiàn)了通用標量處理器指令集。以下簡要介紹RV32I的基本情況。RV32I指令集有47條指令，能夠滿足現(xiàn)代操作系統(tǒng)運行的基本要求，47條指令按照功能可以分為如下幾類。（1）整數(shù)運算指令：實現(xiàn)算術、邏輯、比較等運算。（2）分支轉(zhuǎn)移指令：實現(xiàn)條件轉(zhuǎn)移、無條件轉(zhuǎn)移等運算，并且沒有延遲槽。（3）加載存儲指令：實現(xiàn)字節(jié)、半字、字的加載、存儲操作，采用的都是寄存器相對尋址方式。（4）控制與狀態(tài)寄存器訪問指令：實現(xiàn)對系統(tǒng)控制與狀態(tài)寄存器的原子讀-寫、原子讀-修改、原子讀-清零等操（5）系統(tǒng)調(diào)用指令：實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用、調(diào)試等功能。2.指令集優(yōu)勢RISC-V技術的核心優(yōu)勢之一在于其精簡的指令集，它減少了處理器執(zhí)行指令的數(shù)量，從而提高了執(zhí)行效率。這種精簡化意味著每個指令能夠以更低的硬件成本實現(xiàn)更高的執(zhí)行速度，特別是在處理器的流水線設計中。此外，簡化的指令集還意味著更低的功耗，這在移動設備和嵌入式系統(tǒng)中尤為重要，因為這些系統(tǒng)通常對能源效率有更高的要求。RISC-V的規(guī)范文檔僅長145頁，而其“特權架構(gòu)文檔”（Volume2,PrivilegedSpecificationversion20211203）篇幅更是精簡至91頁。基礎的RISC-V指令集數(shù)量限制在40余條之內(nèi)，包含模塊化擴展的整體指令數(shù)也僅為幾十條。這種精簡性意味著工程師在進行軟硬件開發(fā)時能夠更快地熟悉和掌握RISC-V，從而加快開發(fā)驗證的過程。所以采用RISC-V技術的芯片和軟件研發(fā)周期得以縮短，同時降低了研發(fā)成本，這對于提高設計效率和促進技術創(chuàng)新具有重要意義。（2）高度可擴展RISC-V架構(gòu)的另一關鍵特性是其高度的可擴展性。這一特性意味著可以根據(jù)特定應用需求添加或刪除指令子集，從而優(yōu)化處理器的性能。例如，對于需要高度數(shù)學運算能力的應用，可以添加專門的浮點運算指令；而對于簡單的控制應用，則可以僅使用基礎的指令集。這種可擴展性使得RISC-V能夠靈活適應從低功耗微控制器到高性能計算機的廣泛應用場景。（3）開源開放RISC-V的開源開放特性為其廣泛的應用提供了基礎，這種開源模式使得任何個人或組織都可以自由使用和修改RISC-V，無需擔心專利費用或版權問題。這不僅降低了進入門檻，還促進了技術的創(chuàng)新和共享。如今，RISC-V不僅在嵌入式系統(tǒng)和移動設備中得到應用，還開始進入云計算、數(shù)據(jù)中心、AI等高性能計算等更廣闊的領域。（4）模塊化RISC-V的模塊化特性是其設計中的一個關鍵方面，它允許處理器設計以一種高度靈活和有效的方式進行。這種模塊化體現(xiàn)在可以按照構(gòu)建塊的形式添加或移除功能模塊，從而使硬件設計可以根據(jù)特定應用的需求進行定制，優(yōu)勢在于提高了整體設計的可重用性和適應性，允許開發(fā)者針對特定場景或需求選擇適合的指令集和功能模塊。此外，模塊化設計也極大地簡化了處理器的定制和升級過程。工程師可以根據(jù)新的技術需求或市場變化，輕松地引入新的功能模塊或升級現(xiàn)有模塊，而無需從頭開始重新設計整個系統(tǒng)。這種靈活性不僅加快了開發(fā)周期，還降低了迭代成本，使得RISC-V架構(gòu)特別適合于快速發(fā)展和不斷變化的技術環(huán)境。RISC-V的模塊化特性因此成為了其廣泛應用于各種計算設備和系統(tǒng)中的關鍵點，無論是簡單的嵌入式系統(tǒng)還是復雜的高性能計算平臺，RISC-V的模塊化設計都提供了一種高效、靈活且經(jīng)濟的解決方案。（5）通用性和兼容性RISC-V指令集的設計不僅注重當前的應用需求，也考慮到了未來的兼容性和可持續(xù)發(fā)展。其通用性確保了RISC-V能夠廣泛應用于各種計算任務，而兼容性則意味著即使在技術不斷發(fā)展的情況下，現(xiàn)有的軟件和硬件仍然可以保持通過這些核心特性，RISC-V指令集展現(xiàn)了其在現(xiàn)代計算領域中的獨特優(yōu)勢。精簡而高效的指令集、靈活可擴展的設計、開放和模塊化的架構(gòu)以及通用性和兼容性的考量共同構(gòu)成了RISC-V獨特的設計，這些原則不僅使其在技術上領先，也為其廣泛應用于計算產(chǎn)業(yè)提供了堅實的基礎。3.不同指令集架構(gòu)比較在RISC-V發(fā)布之前，實際上已經(jīng)有幾種開源指令級架構(gòu)，包括SPARCV8、OpenRISC，其中SUN發(fā)布的開源多核多線程處理器OpenSparcT1、OpenSparcT2，以及歐空局的LEON3采用的就是SPARCV8，OpenRISC也有同名的開源處理器。與同樣開源的SPARCV8和OpenRISC相比，RISC-V在軟件工具鏈和軟件生態(tài)環(huán)境上并沒有優(yōu)勢，但也沒有明顯缺失。其ISA上的主要優(yōu)勢是兼顧了嵌入式、多核和異構(gòu)并行的需求。這是RISC-V面向?qū)W術研究的實際需求，也得益于其從2010年開始設計，沒有兼容性需求的后發(fā)優(yōu)勢。此外，OpenRISC的許可證為GPL，這意味著所有的指令集改動都必須開源。而RISC-V的許可證是較為寬松的BSDLicense授權。是是是是是是是是是是是是是是是是是是是是是是是（2）與商業(yè)指令集架構(gòu)比較為了比較RISC-V和X86、ARM等商業(yè)指令集的執(zhí)行效率，UCB的研究團隊選擇了ARMv7、ARMv8、IA-32、x86-64四類指令集架構(gòu)與RISC-VRV64G和RV64GC在SPECCINT2006benchmark平臺進行測評，比較動態(tài)指令數(shù)獲取和動態(tài)指令字節(jié)獲取的情況。動態(tài)指令數(shù)獲取測評結(jié)果顯示，RV64G指令集比x86-64指令集執(zhí)行指令數(shù)高16%，比IA-32高3%，比ARMv8動態(tài)指令字節(jié)獲取評測結(jié)果顯示，RV64G指令集具有4字節(jié)固定指令長度，每個程序比x86-64指令集多獲取23%指令字節(jié)。x86-64指令集不夠密集，平均每個指令集長度為3.71字節(jié)。ARMv7和ARMv8與RV64G指令集類似，都是4字節(jié)固定指令長度。采用RISC-V壓縮指令集擴展的RV64GC指令集，比x86-64指令集少獲取8%指令字節(jié)。4.軟硬件支持目前2023年RISC-V軟件生態(tài)系統(tǒng)得到了比較快速的發(fā)展，主要體現(xiàn)在編譯器和工具鏈，系統(tǒng)庫，內(nèi)核和虛擬化，語言運行時環(huán)境，Linux發(fā)行版集成，調(diào)試和分析工具，模擬器和仿真器，系統(tǒng)軟件等方面。軟件生態(tài)環(huán)境方面，2023年6月，歐洲Linux基金會、RISC-V國際協(xié)會和許多科技界的大廠聯(lián)合起來，推動了一個支持RISC-V的軟件生態(tài)系統(tǒng)項目，該項目被稱為RISC-VSoftwareEcosystem，簡稱RISE，其使命是加速開源軟件在RISC-V架構(gòu)上的發(fā)展，旨在加速RISC-V架構(gòu)的軟件生態(tài)建設及應用商業(yè)化進程，成員將聯(lián)合推動RISC-V芯片在移動通信、消費電子、數(shù)據(jù)中心及汽車等領域的市場化落地。硬件生態(tài)環(huán)境方面，高性能成為RISC-V芯片主旋律。當前，已經(jīng)有眾多頭部科技企業(yè)開始為自家應用場景自研專用RISC-V芯片。為應對人工智能的發(fā)展對算力的巨大需求，RISC-V芯片提供商推出多款面向數(shù)據(jù)中心場景的芯片。5.知識產(chǎn)權分析RISC-V采用BSDLicense發(fā)布，由于允許衍生設計和開發(fā)閉源，對商業(yè)公司的吸引力應該高于GPL發(fā)布的OpenRISC和OpenSPARC。RISC-V團隊申明不會申請或者試圖申請RISC-V兼容處理器實現(xiàn)相關的專利。同時RISC-V團隊也表示，由于處理器實現(xiàn)可能各不相同，他們認為實現(xiàn)RISC-V兼容處理器并不需要任何專利許可，他們也無法保證ISA或者架構(gòu)設計，不被其他什么人提起訴訟或?qū)＠麢嗬?。僅從聲明和描述上就可以發(fā)現(xiàn)如下問題：無法阻止其它人申請與RISC-V兼容處理器實現(xiàn)相關的專利。也沒有明確的專利聯(lián)盟或者交叉授權模式可以借用，以保證在未來不受到專利訴訟請求。BSDLicense并不是類似ARM授權協(xié)議的保護傘。其License框架的代表BSD操作系統(tǒng)在發(fā)展過程中就受到AT&T的專利訴訟威脅，雖然通過重寫和刪除代碼，歷經(jīng)數(shù)年時間最終得以解決（其中還包括著名的Berkeley法學院資源的幫助）。但這一過程也導致了Linux壓倒BSD成為主流開源操作系統(tǒng)。Linux在2004年也受到Microsoft和SCO的專利威脅，但由于IBM加入Linux一方而緩解了危機。因此未來商業(yè)化的RISC-V兼容處理器幾乎肯定會受到專利訴訟的威脅。從以上軟件領域的例子可以看到，即使開源，或者使用不同開源License模型，如果沒有商業(yè)聯(lián)盟的交叉專利庫作為后盾，幾乎無法達成和解。由于微處理器實現(xiàn)相關的專利可能涉及微體系結(jié)構(gòu)、電路和布圖等多個層次，用開放的ISA并不能確保處理器產(chǎn)品不受專利訴訟威脅。老牌技術公司如IBM、Intel已經(jīng)在微處理器設計實現(xiàn)的各個方面申請、購買和交叉授權了相當多的專利，并用增量設計延長SIMD指令字的打包等專利的時效。這也是為何ARM要聯(lián)合Imagination聯(lián)合收購MIPS專利的原因之一。6.RISC-V國內(nèi)外標準情況截止2023年12月31日，RISC-V現(xiàn)有標準均由國際組織RISC-VInternational（RVI）發(fā)布。由于RISC-V指令集架構(gòu)被定義為一個基礎指令集和若干可選擴展指令集的組合,并在一種權限模式下進行工作，RVI發(fā)布標準包括指令集規(guī)范（表3.3和3.4）和非指令集規(guī)范（表3.5）兩大類。當前已發(fā)布《RISC-V指令集手冊第一卷：非特權指令集》（20191213版本）和《RISC-V指令集手冊第二卷：特權架構(gòu)》（20211203版本）包含目前主要基礎指令集。截止至2023年12月，獲得批準已經(jīng)發(fā)布的指令集拓展規(guī)范28項（表3.4）。后續(xù)這些獲得批準的拓展將合并進入RVI的正式發(fā)布規(guī)范。截止至2023年10月，RISC-V國際協(xié)會已經(jīng)發(fā)布非指令集規(guī)范8項，優(yōu)先解決軟硬件編程接口、調(diào)試接口等生態(tài)建設的基礎需求。1TheRISC-VInstructionSetManualVolumeI:UnprivilegedISA月2構(gòu)TheRISC-VInstructionSetManualVolumeII:PrivilegedArchitecture月編號1RISC-V整數(shù)條件運算擴展RISC-VIntegerConditional(Zicond)operationsextension2新HardwareUpdatingofPTEA/DBits(Svadu)3VCycleandInstretPrivilegeModeFiltering(Smcntrpmf)4原子比較和交換指令AtomicCompare-and-Swap(CAS)Instructions(Zacas)5VCryptographyExtensionsVolumeII:VectorInstructions6展"Zfa"StandardExtensionforAditionalFloating-PointInstructions7VAdvancedInterruptArchitecture8“Zvfh/Zvfhmin:”VectorExtensionforHalfPointArithmetic/VectorExtensionforMinimalHalf-PrecisionFloating-PointArithmetic9TemporalLocalityHintsRISC-V特性RISC-VProfilesRISC-V代碼尺寸縮減RISC-VCodeSizeReduction集RV32EandRV64EBaseIntegerInstructionSets展“Ztso”StandardExtensionforTotalStoreOrderingRISC-V等待保留集拓展RISC-VWaion-Reservation-Set(Zawrs)extensionZmmul擴展ZmulExtension強PMPEnhancementsformemoryaccessandexecutionpreventiononMachinemode(Smepmp)VBaseCacheManagementOperationISAExtensionsVBit-ManipulationISA-extensionsVCountOverflowandMode-BasedFilteringExtensionRISC-VCryptographyExtensionsVolumeI:Scalar&EntropySourceInstructionsRISC-V狀態(tài)啟用拓展RISC-VStateEnableExtensionV"stimecmp/vstimecmp"ExtensionVVectorExtensionTheRISC-VInstructionSetManualVolumeII:PrivilegedArchitecture"Zfh"and"Zfhmin"StandardExtensionsforHStandardExtensionsforFloating-PointinIntegerRegisters示“Zihintpause”PauseHint1EficientTraceforRISC-V2RISC-VABI規(guī)范RISC-VABIsSpecification3VAdvancedInterruptArchitecture4VExternalDebugSupport25范RISC-VIOMUArchitectureSpecification6RISC-VPlatform-LevelInterruptControllerSpecification7RISC-V二進制接口規(guī)范RISC-VSupervisorBinaryInterfaceSpecification8RISC-VUEFI協(xié)議規(guī)范RISC-VUEFIProtocolSpecification（2）國內(nèi)標準現(xiàn)狀面對RISC-V技術迅速發(fā)展和市場需求，國內(nèi)也涌現(xiàn)出多個組織整合國內(nèi)企業(yè)力量，推動RISC-V發(fā)展并與國際對接。其中有中國電子工業(yè)標準化技術協(xié)會RISC-V工作委員中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CRVIC）等。（RVEI）會于2023年6月12日在北京成立，是由中國電子工業(yè)標準化技術協(xié)會牽頭，聯(lián)合上海海思、阿里達摩院、奕斯偉、中國移動、開源芯片研究院、中科院軟件所、賽迪、電子一所、電子四院、電子五所等企事業(yè)單位共同發(fā)起組建的具有全國性、行業(yè)性、非營利性的社會團體。截止到2023年12月該組織已吸納國內(nèi)超過60家成員單位，并組織27位院士形成戰(zhàn)略委員會指導工作。RISC-V工委會主要開展RISC-V產(chǎn)業(yè)領域的標準研制、符合性評估、知識產(chǎn)權保護、人才培養(yǎng)、產(chǎn)業(yè)研究等方面工作，引導國內(nèi)RISC-V產(chǎn)業(yè)走向協(xié)同創(chuàng)新，形成產(chǎn)業(yè)合力，實現(xiàn)優(yōu)勢互補、資源共享、協(xié)同推進，共同營造產(chǎn)業(yè)良好生態(tài)環(huán)境，帶動產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展。中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟（CRVA）旨在召集從事RISC-V指令集、架構(gòu)、芯片、軟件、整機應用等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)企事業(yè)單位及相關社會團體，自愿組成一個全國性、綜合性、聯(lián)合性、非營利性的社團組織。聯(lián)盟由中科院計算所牽頭，聯(lián)合北京大學、清華大學、阿里-中天微、百度、中芯國際等近20家研究機構(gòu)和企業(yè)于2018年共同發(fā)起成立，目前已有一批企業(yè)構(gòu)建了開源芯片關鍵技術。中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟自成立以來已舉辦多場RISC-V峰會和論壇，對推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展、聚集產(chǎn)業(yè)資源、促進技術交流發(fā)揮影響和作用。中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CRVIC）于2018年由芯原微電子（上海）股份有限公司牽頭，聯(lián)合君正、上海格易、復旦大學、同濟大學等60余家企業(yè)高校以及華芯投資上海分公司、上海集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金等投資機構(gòu)共同發(fā)起成立。聯(lián)盟致力于解決中國RISC-V領域共同面對的關鍵問題，建立RISC-V計算平臺，促進形成貫穿IP核、芯片、軟件、系統(tǒng)、應用等環(huán)節(jié)的RISC-V產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。（3）國內(nèi)標準發(fā)展情況國內(nèi)RISC-V標準的發(fā)展與國外相比，主要體現(xiàn)為以下3個方面：我國擁有龐大應用市場，發(fā)展?jié)摿薮?，標準化需求迫切。RISC-V是一種通用架構(gòu)，適用于多個領域，從嵌入式系統(tǒng)到高性能計算。中國的市場規(guī)模巨大，涵蓋了龐大的消費市場和工業(yè)市場。中國市場在各個領域都有強大的需求，RISC-V可以滿足這些需求，包括物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算等。隨著RISC-V的日益普及，其生態(tài)系統(tǒng)正不斷演變和豐富，包括硬件實現(xiàn)、編譯器、操作系統(tǒng)等的發(fā)展。越來越多的公司和研究機構(gòu)也開始投入資源，以推動RISC-V技術的創(chuàng)新和應用。隨著時間的推移，RISC-V有望成為一種更加多樣化和靈活的計算架構(gòu)，服務于各種不同的市場和應用需求。與此同時，擴展指令集面臨碎片化的風險，產(chǎn)品之間過度自定義開發(fā)，標準化程度不夠，導致適配成本效率增加。亟需在產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期建立相關標準，在一定范圍開展研發(fā)工作，加強產(chǎn)品技術互通，消除企業(yè)間離散碎片的情況，降低研發(fā)成本，避免資源浪費。RISC-V作為繼x86、Arm后開辟的新賽道，標準化工作均處于摸索階段。一是RISC-V相對于傳統(tǒng)的計算機體系結(jié)構(gòu)如X86和Arm來說是一種相對年輕的架構(gòu)。x86和ARM架構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展和演化，而RISC-V出現(xiàn)相對較晚，需要時間來發(fā)展和積累更多的實踐經(jīng)驗。二是標準化是一個復雜且漫長的過程。在國際上制定和采納新的架構(gòu)標準需要廣泛的合作和協(xié)商，以確?；ゲ僮餍院鸵恢滦浴＿@方面的工作需要時間，各方需要解決技術和政治問題。三是RISC-V的靈活性使得不同公司和組織可以根據(jù)其需求自定義指令集和處理器。這導致了多樣性和復雜性，不同實現(xiàn)可以具有不同的標準擴展或自定義指令，使得標準化工作更具挑戰(zhàn)性。四是不同應用領域?qū)軜?gòu)的需求各不相同，RISC-V需要逐漸調(diào)整和完善以滿足這些需求。這也需要時間來開發(fā)和測試適用于不同領域的標準，雖然RISC-V市場已初具規(guī)模，但仍需時間來檢驗標準的可行性。國內(nèi)企業(yè)基本采用RVI發(fā)布的指令集標準，國內(nèi)企業(yè)標準應用程度較高，但標準貢獻程度較低。在RVI高級會員中，我國有12家企業(yè)參與其中，但由于多數(shù)國內(nèi)企業(yè)參與國際標準制定經(jīng)驗較少。其中，阿里達摩院在RVI較為活躍，阿里巴巴玄鐵RISC-V技術專家團隊在RVI中8個技術委員會，30余個技術小組參與技術討論、管理及方案制定等工作，在1個技術委員會及13個技術小組擔任主席或副主席職位。在標準建設、指令集、軟件、安全等多個技術方向，參與IOMMU、CMO、Matrix等技術標準制定。華為海思在RVI的董事會和技術指導委員會均占有一席之地，并且RVI在安全方面的橫向委員會主席AndrewDellow也曾在海思長期任職，目前擔任海思安全技術專家顧問。在RVI日常工作中，華為海思推動RVI安全工作組重組，并在芯片安全領域促進多項標準發(fā)布。（4）國內(nèi)RISC-V標準發(fā)展趨勢國內(nèi)目前標準化工作處于起步階段，骨干企業(yè)多以參與國外技術組織標準化工作為主。根據(jù)中國電子工業(yè)標準化技術協(xié)會RISC-V工作委員2024年標準工作計劃，隨著RISC-V發(fā)展和各個國家關注，一是緊跟國際標準化工作，根據(jù)產(chǎn)業(yè)成熟度不斷固化完善指令集標準。以國際發(fā)布基礎指令集ISA標準為主，以國內(nèi)擴展集為輔，在行業(yè)起步階段適當鼓勵自主創(chuàng)新，同時與國際組織積極對接，不斷豐富較為統(tǒng)一的自主指令集體系。二是利用測試評價標準化手段對RISC-V產(chǎn)品進行協(xié)調(diào)統(tǒng)一。在標準研制過程中側(cè)重軟硬件兼容性標準，以標準為牽引推動RISC-Vsystemready（類比ARMSystemReady，Armsystemready是一種標準認證測試，以一系列硬件和初步標準基礎：基礎系統(tǒng)架構(gòu)（BSA）及基礎啟動需求（BBR）為規(guī)格，外加一系列的補充資料。確保后續(xù)軟件層正常運行。標準認證測試系統(tǒng)符合SystemReady標準，進而確保操作系統(tǒng)（OS)和后續(xù)軟件層正常運作）。協(xié)議、接口等兼容性技術突破，打通RISC-V產(chǎn)業(yè)上下游技術不兼容壁壘，進而將國內(nèi)碎片化企業(yè)、技術和產(chǎn)品整合成統(tǒng)一協(xié)調(diào)的市場，形成國內(nèi)自主的RISC-V標準體系。三是加快發(fā)展應用標準，圍繞應用企業(yè)需求，推動標準從實際出發(fā)，促進標準應用落地。通過應用為牽引帶動產(chǎn)業(yè)鏈上下游標準發(fā)展，推動標準體系進一步豐富并擴展至更多應用領域，為未來的計算領域帶來更多可能性。（5）標準體系架構(gòu)我國擁有龐大應用市場，RISC-V應用前景廣闊，而國際標準則集中分布在指令集底層架構(gòu)，并無針對產(chǎn)業(yè)鏈上下游的統(tǒng)一標準體系。因此，各企業(yè)之間亟需統(tǒng)一標準實現(xiàn)技術產(chǎn)品間相互兼容，打通上下游技術障礙。圍繞RISC-V行業(yè)健康、統(tǒng)一發(fā)展的關鍵之舉，國內(nèi)RISC-V標準組織RVEI從行業(yè)應用、人才培養(yǎng)、安全可信、基礎技術研究、符合性評估等幾大維度系統(tǒng)構(gòu)建體系框架（如圖83）。其中基礎技術標準由底層到頂層覆蓋RISC-V芯片指令集、IP、基礎軟件到上層應用領域等幾個層面，符合性評估和安全標準貫穿基礎技術所有方面，滿足RISC-V芯片研制過程中各企業(yè)在任何層級均能達到相互兼容和安全的需求，從而構(gòu)建一個統(tǒng)一、健康的標準生態(tài)環(huán)境。同時，評測工具的標準和人才培養(yǎng)相關工作的開展將為產(chǎn)業(yè)和上層標準工作提供工具支撐和人才儲備。（三）基于RISC-V架構(gòu)芯片的發(fā)展情況現(xiàn)狀1.Occamy2023年5月9日，由歐洲航天局支持，由蘇黎世聯(lián)邦理工學院和博洛尼亞大學的工程師開發(fā)的Occamy處理器已宣布流片。OccamyCPU主要作為歐空局EuPilot計劃的一部分進行開發(fā)，是歐洲航天局正在考慮用于航天計算的芯片之一。OccamyCPU是AdaptevaEpiphany處理器系列的最新版本，采用了28nm工藝，擁有432個可編程的RISC-V處理核心。OccamyCPU可提供0.75FP64TFLOPS的性能和6FP8TFLOPS算力。OccamyCPU采用Chiplet設計，后續(xù)還可以在封裝中添加其他小芯片，以在需要時加速某些工作負載。據(jù)悉，OccamyCPU可以在FPGA上進行仿真運算，該實現(xiàn)已在兩個AMDXilinxVirtexUltraScale+HBMFPGA和VirtexUltraScale+VCU1525FPGA上進行了測試。2.MTIA2023年5月18日，Meta官宣了自研AI運算芯片項目—MTIA，全稱為“MetaTrainingandInferenceAccelerator”（Meta訓練和推理加速器此外還有人工智能運算領域的多項進展和計劃。MTIA項目的首款芯片MTIAv1于2020年便開始設計，目前已有成品應用。這種定制芯片采用開源芯片架構(gòu)RISC-V，在類型上屬于ASIC專用集成電路，Meta進行了高度定制化的設計。2023年7月，在DAC2023上，Meta的ASIC工程經(jīng)理HimanshuSanghavi談到Meta正在使用RISC-V開展的各種項目。他表示Meta團隊正在開發(fā)基于RISC-V的ASIC芯片，用于視頻轉(zhuǎn)碼以及機器學習應用，以及在數(shù)據(jù)中心運行一些計算最密集的工作負載。HimanshuSanghavi表示，大約四年前，當Meta開始這項工作時評估了多種不同的處理器架構(gòu)，決定對這些SoC的一些關鍵插槽采用RISC-V。這一選擇的驅(qū)動因素是RISC-V是一種開放架構(gòu)，并且已經(jīng)有多個處理器IP供應商實現(xiàn)了該架構(gòu)。3.R9A02G202023年9月，Renesas宣布推出專為先進電機控制系統(tǒng)優(yōu)化的RISC-VMCU——R9A02G020，用戶無需投入開發(fā)成本，即可受益于電機控制應用的即用型交鑰匙解決方案。借助預編程的專用標準產(chǎn)品，用戶可以縮短上市時間并降低成本，節(jié)省RISC-V相關的工具及軟件投資。其目標應用包括家居/樓宇自動化、醫(yī)療保健設備、家用電器、無人機等。Renesas推出的R9A02G020是基于AndesRISC-V處理IP而構(gòu)建的電機控制專用標準產(chǎn)品。產(chǎn)品預編程了由獨立設計公司BFGEngineering和DigiPower（HK）Technology開發(fā)的專業(yè)應用代碼。其中，BFG以縮短客戶電機啟動時間的無傳感器算法而聞名；DigiPower自2008年以來持續(xù)推出成本優(yōu)化、可擴展的電機驅(qū)動解決方案，并設計了用于控制冰箱壓縮機、風扇、泵等專用解決方案。此外，SEGGERMicrocontrollerGmbH也參與了此項工作，提供了EmbeddedStudio和J-Link在內(nèi)的完整SEGGER生態(tài)系統(tǒng)，用于創(chuàng)建和測試這些電機控制解決方案。4.VeyronV22023年11月，RISC-V服務器芯片設計廠商Ventana發(fā)布了其第二代服務器CPU——VeyronV2，應用于從汽車、邊緣計算，到數(shù)據(jù)中心、人工智能/機器學習和超大規(guī)模器等應用領域中。Ventana表示其性能已超越了x86高端服務器芯片,在其前身VeyronV1的基礎上進行了重大升級，專為服務器/數(shù)據(jù)中心級應用而設計。在核心配置方面，VeyronV2基于臺積電4nm工藝，8流水線設計，支持亂序執(zhí)行，主頻高達3.6GHz，單個集群內(nèi)核數(shù)量32個，多集群最多可擴展至192核。緩存的大小為每個核心1MB二級緩存，以及128MB的共享集群級三級緩存。VeyronV2專注于Chiplet互聯(lián)標準和領域特定加速，其處理器采用Chiplet設計，配備IO集線器和加速器，并采用Chiplet互聯(lián)標準以實現(xiàn)每個插槽192個內(nèi)核。VeyronV2在性能方面進行了提升，擁有32個核心和高達128MB的L3緩存，實現(xiàn)了AMBACHI，這是ArmCPU中常見的特性。在緩存方面，每個32個核心的集群都構(gòu)建在一個Chiplet上，連接到一個IO集線器。Ventana通過支持RAS（計算機系統(tǒng)可靠性、可用性和可服務性三項技術的總稱包括校驗糾錯能力和數(shù)據(jù)中毒等功能，進一步提高了處理器的可靠性。