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。

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。

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。

RISC-V确立AI优势，将迅速占领AIoT市场

过去几年间，凭借着可定制化以开放开源的优势，比肩Arm Cortex-M0甚至Cortex-M4的RISC-V处理器产品上市，给Arm带来了不小的压力。

2017 年图灵奖得主，也是带领伯克利加州大学团队在2011年发布RISC-V（第五代精简指令集）的David Patterson教授2020年时对雷峰网说，“正如今天的Linux是专有操作系统的强大竞争对手一样，我希望开放的RISC-V架构在未来五年内成为专有处理器架构的非常强大的竞争对手。它可能从物联网产品开始，但我希望RISC-V从智能手机、笔记本电脑到高性能计算，在各个层级都变得非常有竞争力。”

RISC-V国际基金会董事谭章熹曾对雷峰网表示：“新的应用总会伴随新的技术和机会，就算不替代Arm，RISC-V架构的AI芯片无疑也是IoT时代的重要玩家。我觉得真正有意思的是，RISC-V开始慢慢对Arm新推出的物联网芯片进行一些替代。”

物联网时代，RISC-V大有可为

当前全球物联网应用主要分为三大主线：面向需求侧的消费性物联网、面向供给侧的生产性物联网以及与智慧城市发展相关的物联网。物联网下游场景极具多元化，其中的诸多场景对已有通信技术提出了更高要求，这也成为了物联网发展瓶颈之一。支持更大带宽、更低时延、更高可靠性和更多连接数的5G网络自标准探讨之日起就以为各物联网场景服务为主要定位，随着5G网络商用新周期的开启，物联网有望迎来快速发展期。在产业发展过程中，指令集架构已经形成了较为稳定的市场格局，X86和ARM作为当前最成功的两大指令集，一个主宰了服务器和PC市场，另一个则统治了移动通讯市场。全新的RISC-V指令集很难在短期内挑战现有竞争格局，而全新的物联网市场为RISC-V的发展提供了难得的历史机遇。RISC-V具有开源、精简、模块化的特征完全符合物联网市场下游多元化、碎片化的应用场景，有望提供更高性价比的服务，成为未来物联网市场的首选。此外，2020年8月15日，根据英国媒体，英伟达将以400亿英镑的价格收购ARM、这将导致ARM中立性难以维持，开源指令集RISC-V有望被进一步广泛应用

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。

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。

来源：中国电子报，雷峰网，慧博