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处理器芯片是信息产业的基石，并且支撑超过10万亿元的电子制造业；指令集架构（ISA）则作为计算机系统中硬件与软件之间交互的标准规范，是处理器芯片生态的基石。几十年来，指令集均属于公司私有，而加州大学伯克利分校于2010年开放的RISC-V指令集则提出了“指令集应免费”的新理念，促进了“开源芯片”的蓬勃发展。
从芯片设计的整体流程来看，“开源芯片技术体系”具有三个层次：第一个层次是开源指令集；第二个层次是开源设计实现，第三个层次是开源工具或开放流程。首先利用开源的指令集手册作为基础，通过微架构设计形成处理器设计文档，再将设计文档通过工程开发的方式生成RTL代码，最后利用EDA工具来完成芯片版图。在这个过程中，开源指令集只是第一步，后续还需要进一步完成“冰山”下面的设计，实现开源及工具流程开源，这才算是打通“开源芯片”产业的全链条。
开源芯片技术体系的三个层次
RISC-V生态阵容快速壮大
RISC-V作为开源指令集，从设计理念上摒弃了“历史包袱”，具有精简、低功耗、模块化、可扩展、开放开源等技术优势。非盈利组织RISC-V国际基金会(RISC-V Foundation)负责RISC-V指令集架构及其软硬件生态的标准化、保护和推广。
在标准制定上，RISC-V国际基金会在2021年批准了16个规范，新增40多个RISC-V扩展；在2022年又发布了四项新规范，包括RISC-V E-Trace、RISC-V SBI、RISC-V UEFI规范和 RISC-V Zmmul仅乘法扩展，用于加速嵌入式和大型系统的设计。
在生态建设上，RISC-V国际基金会已吸引全球70多个国家的2300个会员，覆盖芯片厂商、芯片设计服务公司、软件提供商等软硬件公司，以及大学、科研机构和投资机构等，生态阵容快速壮大。截至2022年3月，在RISC-V国际基金会的机构会员中，中、美、欧三方呈现并驾齐驱的态势。其中，中美企业的参与度较高；欧洲学术机构的参与度较高。此外，印度政府推出了RISC-V处理器发展规划，俄罗斯则加大扶持RISC-V架构的力度，这些都体现出世界各国高度重视RISC-V的发展。
RISC-V国际基金会会员分布情况
在产品实现上，RISC-V国际基金会资料显示，全球已有111个开放或商用的RISC-V处理器核。国际方面，2011年，加州大学伯克利分校开源了基于Chisel开发的Demo级Rocket-chip，随后又开源了一款面向更高性能目标的超标量乱序发射乱序执行处理器核BOOM Core；苏黎世瑞士联邦理工学院(ETHZurich)开发了一款开源的单核MCU SoC平台，并配套了多款32位RISC-V处理器核,分别是RI5CY、Zero riscy和Micro-riscy；从2015年开始，SiFive公司发布了多种基于RISC-V的处理器内核，包括P270、P550、P550等高性能RISC-V处理器核。
除此之外，开源处理器核只是大家能看到的“冰山一角”。实际上，在“冰山”下面，从前到后的整套芯片开发基础设施更为庞大。这一基础设施贯穿整个芯片设计流程，覆盖从微结构设计空间、RTL代码实现、RTL级仿真、形式化验证、等价性检查、模型检验、逻辑综合等前端所需要的功能，到布局布线、时钟树综合、静态时序分析、时钟树综合、物理验证等物理设计所需要的功能，再到分辨率增强技术、光学邻近校正、逆光刻技术等和制造相关的技术，也即所谓的“工具链”。
目前，在传统EDA行业里，Cadence、新思科技及明导国际公司在ASIC领域占据了绝大部分市场份额，赛灵思和Ahera在FPGA领域占据绝对主导地位。但开源芯片的逐步推广，也带动了开源EDA工具链的发展。2018年，美国提出了开源硬件计划，意在通过开源的EDA工具进一步降低硬件电路的设计和开发成本。同时，高校和组织也在不断进行一系列开源EDA项目的建设，如DATC、VSDOpen和OpenROAD等。尽管和商用EDA工具相比，开源的EDA全流程工具链的质量还有较大差距，但是业界可以持续在“开源工具或开放流程”这个维度上，沿着“开源敏捷设计工具链”这个主线，推动“开源芯片生态”发展。
产业发展需要全方位生态支持
从技术角度看，标准的RISC-V指令集本身并没有较大的技术难点，但由于RISC-V指令集的可扩展性、需求和设备的多样性、硬件设计的灵活性和自由度，极易导致开发标准不一的问题和碎片化风险。在处理器设计方面，中低端RISC-V处理器的设计和实现基本没有太大挑战，市场上也推出了相应的量产化芯片产品；但是在高性能处理器上，由于在关键的微架构设计方面缺乏经验和核心技术，业内还亟需加大对RISC-V高性能处理器架构的深入研究和探索。
从生态角度看，RISC-V目前依然缺少完备的生态系统，远不如X86和ARM的生态成熟。尽管RISC-V在对生态依赖较小的嵌入式、低功耗场景中应用进展较快，并且专用芯片已有一定的出货量，但整体覆盖面、显示度和标杆度却依然不够，缺少一款能让RISC-V“出圈”的杀手锏应用，比如基于RISC-V的超级计算机、RISC-V数据中心服务器、RISC-V桌面终端等。针对物联网市场，RISC-V尚待大量应用的检验；针对高性能芯片领域，RISC-V尚需操作系统、算法库、领域应用等软件生态的全面支持。此外，除了RISC-V指令集开源，整个产业要实现类似互联网行业的敏捷开发和快速迭代，还需要包括开源处理器、开源工具链、开源IP核、开源SoC、操作系统、编译器等工具链的全方位生态支持，而这将是一个“道阻且长，任重道远”的过程，需要国内外研发人员的共同努力。
RISC-V生态未来可期
在全球CPU市场上，尽管英特尔推动的X86架构市场依旧庞大，低功耗领域则被ARM占领，但截至目前，RISC-V的出货量已经达到100亿颗，并且在嵌入式和MCU芯片领域还在不断大量增长，这能够说明RISC-V生态发展正呈现明显加速态势。RISC-V生态未来可期,并且呈现出以下几个新态势。
新态势一，高性能RISC-V处理器核已经进入竞赛阶段。尽管RISC-V处理器核与X86/ARM在性能上还存在一定差距，但性能差距正在快速缩小。一批国内外企业瞄准高性能RISC-V处理器，把RISC-V从嵌入式场景拓展到工业控制、自动驾驶、人工智能、通信、数据中心等对算力要求更高的场景。例如，SiFive发布了Performance系列高性能应用处理器；Ventana开发了面向数据中心的多核 RISC-V小芯片。同时，RISC-V国际基金会已成立数据中心工作组（Datacenter SIG）和高性能计算特别兴趣小组（HPC SIG）。其中，数据中心工作组主要由谷歌、Ventana等组成，高性能计算特别兴趣小组则由141名成员组成，专注于促进高性能RISC-V处理器生态的发展。
新态势二，AIoT碎片化需求带来处理器生态变革机遇。随着智能物联网（AIoT）时代的到来，处理器芯片规模将达到千亿颗以上。但由于物联网AIoT的需求和市场极度碎片化，现有处理器设计方法也将更加多元化，不仅亟需发展处理器芯片设计新方法和技术体系，同时有望推动芯片公司设计业务和授权业务的全面发展。
新态势三，RISC-V软件生态正在加速发展。从开发者数量和工具的丰富程度来衡量，RISC-V已经进入快速发展期，国际开源社区积极投入RISC-V软件生态。以Linux发行版Debian为例，开源社区于2019年开始支持RISC-V，并且在全世界开源社区的努力下，仅用3年时间就完成了2万多个软件包中95%的移植，使RISC-V成为Debian支持的Tier-1架构。
Debian开源社区3年时间完成95%软件包的移植
总体来说，“建立开放开源、共享共治的处理器芯片生态”是在后摩尔时代应对芯片技术创新挑战的新思路之一，而RISC-V应时而生，占据着天时地利人和，相信在全球创新力量的共同努力下，RISC-V在AIoT时代必定大有可为。
作者丨中国科学院计算技术研究所研究员包云岗、北京开源芯片研究院高级工程师任睿
编辑丨刘晶
美编丨马利亚
监制丨连晓东
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