RISC-V，国产处理器的新军

ISA定义了一款处理器可以执行的所有指令的集合,规定了一系列与其硬件电路相配合的底层的机器指令系统。 每条指令规定处理器执行什么操作，所处理的操作数存放的地址空间以及操作数类型。

概括地说，ISA是处理器设计的标准、规范，是软件和硬件接口的一个抽象层，相当于一个抽象地机器。只要遵循同一套ISA，开发出来的软件不经过修改就可以在符合同一ISA的计算设备上运行。相反，如果基于不同ISA设计处理器，在处理器A上编写的程序就不能直接在处理器B上运行，需要重新编写、编译后才能运行，显然这给程序设计和软件开发带来了极大的不便。这也是某一处理器（如个人电脑领域的Intel X86处理器、移动设备领域的ARM处理器）形成牢固的软硬件生态圈后，其他竞争者难以撼动其地位的一大原因。可见ISA在处理器中的作用非常关键。

目前ISA主要分两大类型：复杂指令集CISC(Complex Instruction Set Computer) 和精简指令集RISC (Reduced Instruction Set Computer）。CISC基本思想是通过设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统实现，以此来提高计算机的执行速度。CISC的主要代表是Intel X86。 复杂的指令系统必然带来结构的复杂性，不但增加了设计的时间与成本，还容易造成设计失误，而且还可能降低系统性能。因而，加州大学伯克利分校的David Patterson等人在20世纪80年代提出了精简指令的设想即尽量简化计算机指令功能，只保留那些使用频率很高，功能简单、能在一个节拍内执行完成的指令，而把较复杂的功能用一段子程序来实现。 RISC的主要代表有ARM和MIPS。

RISC-V ISA正是由加州大学伯克利分校David Patterson带领研究团队开发的基于RISC原则的开源指令集架构，V表示已迭代至第五代，每一代都研制了相应的处理器原型芯片进行验证。

图为：David Patterson教授带领研制的五代RISC处理器

为了促进RISC-V技术向产业界转移和商业化，RISC-V研究团队于2015年成立了非盈利性组织RISC-V基金会，建立了一个开放、协作的软件和硬件创新者社区，向所有感兴趣的人免费提供RISC-V ISA规范及一整套软件工具，包括文档，编译器工具链，操作系统端口，参考软件模拟器等，并采用宽松的BSD开源协议给予使用者很大的自由，允许修改和重新发布开源代码，同时也容许添加自有指令集拓展而不必开放共享以实现差异化发展。RISC-V研究团队希望这种开放式标准协作的模式能加速RISC-V技术的商业化进程，开创处理器创新的新时代。

目前RISC-V基金会有超过200名成员，其中不乏谷歌、英伟达、高通、三星、恩智浦、美光、西部数据、IBM、TSMC、特斯拉等行业巨头，我国C-SKY、芯原、华为、阿里巴巴、中兴微电子等企业也已加入其中。

RISC-V基金会每年都会举办全球各类研讨活动，集聚全球创新生态系统，讨论当前和未来的RISC-V项目和实施，扩大RISC-V的知名度和影响力，共同推动RISC-V ISA未来的发展。

RISC-V团队成员还于2015年7月创立了SiFive公司，在世界10个国家和地区设有分支机构，通过提供基于RISC-V ISA的商业化处理器核心IP以及配套设计服务，致力于RISC-V技术的商业化。

我国处理器的发展经过多年的摸索已经意识到，一款成功的处理器需要满足两点基本要求： 一是性能符合应用需求，二是拥有繁荣的生态系统， 这样才能实现大规模产业化。Intel和ARM抓住了PC时代和移动互联网时代的机遇，也是经过长时间的经营，才形成了如今成功的发展模式和很繁荣的生态系统，也建立了高耸的专利壁垒。从零开始构建全新的技术和生态系统由于没有先发优势是非常非常困难的，只能想办法兼容已有生态，因此我国处理器的发展路线基本上演变为斥资引进技术，在此基础上进行自主开发，借助已有生态系统开拓市场。目前我国的国产处理器主要有基于x86的兆芯、澜起，基于ARM的飞腾，兼容MIPS的龙芯、君正等。但国产处理器的生态系统仍然孱弱，还不具备与国际主流玩家同台竞争的实力。

RISC-V ISA的以下三点优势对用户非常有吸引力： 一是技术基本成熟。 不仅有优化的指令集，还提供一整套开发工具链，并已在前期经过多次原型芯片验证。 二是从物联网、人工智能等新兴领域着手进入，正在积极推动建设生态圈，形成了一股推动RISC-V的力量，有望建立开放、面向较广的市场。三是开源自由使用的模式让用户有机会避免Intel知识产权体系的锁定和ARM高昂的特许使用费。 更为重要的是RISC-V的开源模式打破了原有处理器领域严厉的封锁格局，MIPS也随之宣布免费提供最新的32位和64位MIPS架构，同时也为所有MIPS架构的使用者提供其在全球范围内几百项现有专利的保护。这些都在一定程度上降低了研发处理器芯片的门槛和成本，为我国借力发展自主CPU技术，培养CPU领域人才，形成自主生态系统提供了一个很好的机会。

正是因为看到了这一机会， 上海在RISC-V布局上积极行动，率先将RISC-V列入政府扶持对象 ，自2018年起，上海经信委连续两年在软件与集成电路专项中支持基于RISC-V指令集架构的相关芯片研发及产业化，并明确要求内核需拥有自主知识产权。同时支持成立了中国RISC-V产业联盟，集合众多重点企业、大学院校和研究机构如 上海芯原、上海赛昉科技(SiFive China)、杭州中天微、北京君正、兆易创新、紫光展锐、地平线、晶晨半导体、华大半导体、复旦大学、上海交大 等50余家单位，共同提升中国企业在RISC-V指令集创新、标准制定中的影响力，并加快RISC-V的市场推广和产业化应用。

ISA只是处理器的基础核心技术之一，同一指令集研制出的不同处理器的性能也有高低之分。我国国产处理器的设计能力以及生产制造能力与国际领先水平还有不小的差距。研制出一款性能良好的处理器，更为困难的是构建出与之相配套的一系列涉及上下游软硬件诸多环节的庞大而复杂生态。因此开源ISA只是万里长征的第一步，还需要有足够的时间、耐心和恒心专注于基于RISC-V的自主技术研究与应用，并与我国的市场优势充分结合建立良好生态，力争在这场角逐中跑在前列。