RISC-V，我国CPU架构的最优解

2023-09-06 10:39

作者|章涟漪

编辑|章涟漪

CPU是汽车产业发展的关键技术之一，其架构是芯片产业链和芯片生态的融合。然而，长期以来，占据世界芯片主要市场份额的CPU，只有X86和ARM两种架构。

“这种情况大概会持续下”。因此，在9月1-3日召开的泰达论坛上，中国工程院院士倪光南建议，有必要思考一下未来主流CPU架构发展的技术路线。在他看来，这几年国产CPU发展很快，现在国内市场上已经有六七种CPU架构并存，但这并非长久之计。

CPU架构具有很强的垄断性，而目前中国多种国产CPU架构并存，未来可能会造成资源分散、低水平重复，这种状况不加以改进，我国将缺乏在全球市场上与X86和ARM两家竞争的自主CPU架构，从而在主流CPU方面仍然可能受制于人。倪光南指出，“新型的开源精简指令的架构“RISC-V”架构，为我国掌握芯片产业发展主动权提供了机遇”。

那么，什么是“RISC-V”？它的优势是什么？目前应用情况又如何呢？还面临哪些挑战？

01RISC-V是什么？

RISC-V，中文名称是第五代精简指令集(Reduced Instruction Set Computing)，是一种基于精简指令集原则的开源指令集架构。

所谓指令，顾名思义，就是给芯片下任务。处理器是一块芯片，而芯片并不会自己工作，需要有人告诉它该做什么操作。例如“告诉芯片下个操作做乘法”，即一条指令，而一个芯片指令的合集就叫指令集。

指令集规定了二进制数的格式、寻址方式、操作类型等。与RISC-V架构类似的，是X86架构、ARM架构。

但与X86架构、ARM架构不同的是，RISC-V架构非常“年轻”。2010年，加州大学伯克利分校的研究团队准备做一个CPU，不过Intel和ARM高昂的授权费用让他们望而却步，转头决定自己做一套开源的指令集，经过几个月的努力RISC-V诞生。

作为较新的指令集，RISC-V的架构具备一定的优势。“有更先进的架构、有更广阔的应用、有更经济的成本、有更强的生命力”。奇瑞汽车股份有限公司汽车工程技术研发总院智能车技术中心芯片规划总监郭宇辉如是表示。

在他看来，更先进的架构，毋庸置疑就是RISC-V的指令集更精简，包袱也小，不像X86以及ARM公司发展了20、30年了，它整个包袱非常大；RISC-V对于设计低功耗也更加的优越；应用方面，要求模块化还有易定制，更适配物联网时代海量多应用的需求。

奇瑞汽车股份有限公司汽车工程技术研发总院智能车技术中心芯片规划总监郭宇辉

此外，成本方面，由于RISC-V是开源的，大幅度降低了整个芯片设计的成本，可以省去IP的授权费。同时，指令集的开源更具生命力以及可持续发展，具备从嵌入式到高性能计算领域的整个覆盖能力。

“开源RISC-V的出现大大降低了芯片行业的门槛，人才培养便捷，研发周期缩短，使其后续发展具备强大生命力。”倪光南称，截至2022年底在Iot领域应用出货量达100亿颗，用12年的时间完成了ARM近30年的发展速度；预计2025年将达800亿颗甚至更高。2023也是RISC-V高性能大算力发展的元年，目前已经有众多企业加入其中。

02RISC-V在汽车赛道机遇

作为较新的指令集，RISC-V在技术上固然有一定的优势，但在国内受到广泛关注，最大的原因也是因为该指令集是开源免费的。目前市面上常见的指令集都是收费的，例如华为麒麟芯片，就购买了ARM家的指令集。

收费除了成本更贵以外，背后更大的“麻烦”在于，这些有指令集知识产权的公司均为国外公司，不利于我国实现关键芯片的自主可控。

而目前，国内外已经有非常多的RISC-V核心RTL代码，很多是开源的。比如，Rocket Core、Boom Core、LowRISC SoC等均提供源代码。如果用于商用，国内外也有许多商业公司提供稳定的RISC-V IP核心。例如国外的SiFive公司、Microsemi公司、国内的阿里平头哥、芯来科技等。

中国工程院院士倪光南

基于此，倪光南建议，我国抓住新一代信息技术发展机遇，面向未来主流CPU市场，聚焦开源RISC-V架构发展中国芯片产业，通过充分发挥我国举国体制和超大规模市场优势和人才优势，大力发展壮大RISC-V产业生态，增强RISC-V产业链、供应链的自主可控能力，加大对RISC-V开源社区的贡献，最终使世界主流CPU市场形成X86、ARM和RISC-V三分天下的格局。

在倪光南看来，我国发展RISC-V具有三大独特优势。

首先是符合国家科技自立自强发展战略，又推动全球科技创新。历史上一直是X86和ARM两种架构垄断CPU市场的红利，整个芯片产业一直处于高垄断态势，开源RISC-V的出现打破了垄断，为全球芯片产业发展提供强大的推动力，相关生态环境也正在迅速发展完善。

第二，中国超大规模市场是培育未来新一代信息技术的沃土。此外，中国是世界最大工程师培育摇篮，人才优势为技术发展创新提供了必要条件。

具体到汽车场景，RISC-V拥有自己的优劣势。郭宇辉基于此进行了详细的介绍。

首先是车身控制BCM，车身控制是RISC-V的主要使用场景，整个车身的控制需要用到几十颗甚至上百颗的芯片，可以实现物理资源的隔离，即在低成本的场合实现了相当于AUTOSAR3和AUTOSAR4的水准。在E扩容中NPU实现了各部分的软件隔离，降低了整个系统的集成难度，同时提供了低成本、高效能的代码密度扩展。“当然需要有更多的AUTOSAR的厂商去适配，去支持整个RISC-V”。

智慧座舱领域，RISC-V在智慧座舱领域是一个后来者。智慧座舱用高通的64位处理器，它的生态已经非常的健全。因为建智慧座舱需要一个非常健全的生态，这个是RISC-V目前在座舱上的一些劣势。但是RISC-V在座舱方面主要是扩展支持虚拟化，也为未来成为座舱应用的后起之秀奠定了一定的基础。同时，现在已经可以支持使用Java语言的系统，Google也已经宣布安卓会支持整个RISC-V。

自动驾驶应该说是RISC-V比较好的一个应用场景。比如说，它可以支持高性能的处理，为自动驾驶提供更强的通用计算能力。RISC-V支持自定义的指令集扩展，可以加速特定的应用。此外，相对于竞品来讲安全隔离会更好，虚拟分区也是RISC-V的一个主要优势。

智达诚远浩瀚创新研究院院长施舜尧

智达诚远浩瀚创新研究院院长施舜尧也表达了类似观点。他表示，由于ARM发展的生态比较早，所以市场占有率也比较高。但是RISC-V近几年通过开放的、可扩展的模式得到了很大的市场发展。总体来说RISC-V和ARM都有各自的优势跟应用领域，ARM的生态比较成熟，所以它在移动和高性能的计算领域占用主导地位；但RISC-V最近几年开放性和灵活性，使得它近年来在汽车领域发展迅速，尤其是在MCU层面。

“MCU其实采用了RISC-V的指令集设计，可以让芯片厂商非常快速的完成低门槛、低成本的芯片设计，并且针对特定的应用场景进行定制化的指令集设计，所以它具有很强的灵活性。”施舜尧还指出，Googl宣布从安卓15开始支持RISC-V，这意味着RISC-V在下一代智能座舱的生态很快就要建立起来。

03RISC-V面临的挑战

机遇往往与挑战并存，RISC-V发展也是如此，它在汽车领域发展需要满足几个重要因素。

首先是首先RISC-V需要展示它很有竞争力的性能跟能效，才能在汽车应用中获得采用。

其实是安全性和可靠性，RISC-V需要满足行业非常严格的安全标准，说服汽车制造商从ARM转向RISC-V，可能需要彻底的测试、验证和长期的支持保障。

再者，是强大的生态系统，才可以让RICS-V在汽车领域的采用度提高很多。

最后是RICS-V的实施成本，虽然它具有开源特性，在许可成本上就有优势，但是在整车的量产过程中，它的开发、集成、支持遇到的量产问题，未来可能投入成本会比较高，这方面的改善可以更有竞争力。

相比其他，生态的不健全是RISC-V面临的最大问题，而汽车行业又是一个强生态的行业。为此，赛道企业都在为其努力。

IAR中国区RISC-V生态总监张桂杰

IAR中国区RISC-V生态总监张桂杰称，IAR在推动RISC-V方面做的一些工作，目前IAR已经全面支持了国际上、国内比较主流的，基于RISC-V的车规级的CPU的IP。其中，NA900是全球第一款通过了功能安全等级的一个RISC-V的车规级的CPU IP。

“国芯一直是致力于嵌入CPU的发展，特别是基于开源形成互补，推出了八大系列四十余款不同的CPU架构，其中包括RISC-V在工业、高性能计算不同的CPU。”苏州国芯科技股份有限公司董事、总经理肖佐楠也表示，基于头部企业需要进行了3009的开发，成为国芯第一款既满足辅助驾驶，又能满足跨域融合RISC-V MCU，今年或者明年初就会推出。

苏州国芯科技股份有限公司董事、总经理肖佐楠

郭宇辉也从主机厂角度对RISC-V合作生态进行了思考。据其介绍，从整个技术来看，在芯片设计、制造、封测以及上车方面，奇瑞在积极地跟国内的芯片厂商进行合作，来定义整个RISC-V的测试架构。“从芯片RISC-V的NPU底层一直到芯片的驱动以及软件库，再到工具链以及AUTOSAR的生态，RISC-V既要支持基于AUTOSAR的车规安全，也要兼顾RISC-V的整个生态。所以我们也要建立另外一套非车规安全的工具链，去适配更多的应用开发”。

实际上，不止CPU，汽车行业也在GPU领域给予RISC-V进行研究。

上海清华国际创新中心副主任何虎称，参考RISC-V指令级、CPU指令级发展脉络，我们觉得如果能够在GPU架构上有一个开源开放指令级，是不是也可以有机会成为世界第三级。