1、中国软件技术大会CHINA SOFTWARE TECHNOLOGY CONFERENCE迎接开源芯片新潮流迎接开源芯片新潮流处理器（CPU）芯片现状 CPUCPU芯片芯片和和操作系统操作系统是网信领域最基础的核心技术是网信领域最基础的核心技术 中国在这方面还受制于人，常被比拟为“缺芯少魂”中国在这方面还受制于人，常被比拟为“缺芯少魂”实践表明，每一种实践表明，每一种CPUCPU在市场竞争中要取得成功在很大程在市场竞争中要取得成功在很大程度上取决于其生态系统度上取决于其生态系统 目前世界上生态最为成熟的二种指令集架构的目前世界上生态最为成熟的二种指令集架构的CPUCPU：Intel x86指令集

2、架构 CPU历史悠久垄断桌面和服务器领域，被美国的Intel和AMD两家公司拥有，罕有对外授权ARM指令集架构CPU历史较长在移动和嵌入式等领域占垄断地位，世界上很多公司花费数百万元数亿元费用，向ARM公司购买CPU许可，还要交Royalty fee2芯片设计门槛极高 以以14nm14nm工艺工艺为例，为例，上亿元上亿元研发经费，投入研发经费，投入上百人年上百人年 只有少数企业能承受中高端芯片研发成本只有少数企业能承受中高端芯片研发成本 制约了芯片领域的创新制约了芯片领域的创新Source:Andreas Olofsson,Intelligent Design of Electronic As

3、sets(IDEA),20173开源软件的成功经验降低互联网创新的门槛降低互联网创新的门槛3 3-5 5位位开发人员开发人员用用几个月几个月即可即可快速快速开发创新开发创新业务业务互联网公司能构建互联网公司能构建基于开源软件的自主服务平台基于开源软件的自主服务平台用户定制代码 90%代码“开源开源”（开放源代码开放源代码）是是一种开发模式和商业模式一种开发模式和商业模式 开源软件开源软件（以以LinuxLinux为代表为代表）已成为当前软件产业的主流已成为当前软件产业的主流“开源开源”能否应用于芯片领能否应用于芯片领域域？4开源芯片的“死结”不愿意开源无开源可用高价购买IP验证周期长开发投入大

4、5RISC-V指令集：降低处理器芯片IP成本的新模式由由UC BerkeleyUC Berkeley的教授、图灵的教授、图灵奖得主奖得主David PattersonDavid Patterson教授教授等于等于20102010年发明年发明基于广泛使用且标准十分宽松基于广泛使用且标准十分宽松的的BSDBSD许可证（许可证（Berkeley Berkeley SoftwareSoftware Distribution Distribution license)license)用户用户可自由免费可自由免费地用地用RISCRISC-V V进行进行CPUCPU设计、开发并添加自设计、开发并添加自有指令

5、集进行拓展，自主选择有指令集进行拓展，自主选择是否公开发行、或商业销售、是否公开发行、或商业销售、或更换其他许可协议、或完全或更换其他许可协议、或完全闭源使用闭源使用6BSD许可证 BSD许可证最早在1979年用于加州大学伯克利分校的BSD Unix，现在被Apache等开源软件所采纳。其要点为：Copyright(c)1998著作权由加州大学董事会所有。著作权人保留一切权利。符合以下三条件的情形下，授予使用者使用及再散播本软件包装原始码及二进位可执行形式的权利，无论此包装是否经修改或发展。对于本软件源代码或二进位可执行形式的再散播，必须保留上述的版权宣告、此三条件表列，以及免责声明。免责声明

6、：该许可证的优点是，几乎可自由使用、修改、销售、营利 但缺点是新的改进不一定开源，可能导致后续版本“碎片化”7RISC-V的优势（1）设计优势 免除授权费用和知识产权风险的完全开源免费，这是RISC-V存在的主要意义。传统的芯片设计有时需要上亿研发费用、投入上百人的团队和花费大量时间，使得中小型科技企业不可能承担芯片研发，被迫只能使用市场上已有产品，既造成了芯片市场的绝对垄断，又丧失发展的主动权。而开源芯片设计可以将芯片设计门槛大大降低，甚至于3-5人的小团队在3-4个月内，只需几万元便能研制出一款有市场竞争力的芯片，十分适应于中小企业创业，市场前景广阔。能够有效促进芯片产业的繁荣（2）技术优

7、势 RISC-V指令集在最初设计时其研发团队就明确表示要追求简约，丢弃历史包袱。目前成型的技术代码集小、支持模块化，性能十分优越，能够满足从微控制器到超级计算机等各种复杂程度的处理器需求，支持从FPGA、ASIC乃至未来器件等多种实现方式。同时能够高效地实现各种微结构，支持大量定制与加速功能，并与现有软件及编程语言可良好适配8RISC-V的优势（续）（3）市场优势 随着人工智能和物联网等新一代信息技术的发展，各种场景下对于CPU需求日益碎片化，嵌入式应用前景广阔，低功耗、低成本和订制化需求越来越大，这使得RISC-V的精简、低功耗、模块化和可扩展的优势与数字经济未来发展方向十分契合（4）管理优

8、势 最初的RISC-V指令集是20世纪50年代，因而大多数专利早已过期，在商业化和开源使用方面不会存在大的专利壁垒和成本问题；另外，RISC-V由2005年成立的基金会管理，这是一个非盈利的中立机构和开放社区，主要负责日常维护RSIC-V指令集标准手册与架构文档，参与RISC-V相关规范地制定和软硬件生态系统的发展。基金会采取会员制管理，目前共有上百家会员单位，中科院计算所是发起和审计会员，阿里、华为是白金会员，这种开放式的管理模式能够有效地促进RISC-V社区的交流和创新，形成生态系统，从而降低研发成本，打破芯片市场的垄断9以页数和单词数衡量的 RISC-V、ARM-32 和 x86-32

9、指令集手册比较RV32G，ARM-32，x86-32，RV32C和Thumb-2程序的相对大小RISC-V技术优势：追求简约10 x86指令集自诞生以来指令数量的增长自1978年诞生时的80条指令，到2015年增长了16倍，达1338条指令，且仍在增长，历史包袱沉重RISC-V技术优势：丢弃历史包袱11由SiFive设计的直径为8英寸的RISC-V晶圆。它有两种类型的RISC-V芯片，使用较旧的较大加工线。FE310芯片为2.65mm2.72mm，SiFive测试芯片为2.89mm2.72mm。一片晶圆上有1846片FE310和1866片SiFive测试芯片，总共3712个芯片。12RISC-

10、V市场优势：新一代信息技术领域潜在市场全球应用于IoT终端的嵌入式CPU市场CAGR 2015-2020：IoT终端嵌入式CPU营收32%其中消费应用38%；跨行业应用43%；特定垂直行业应用20%13技术与市场x86或ARM架构RISC-V架构篇幅数千页少于三百页指令数指令数繁多，且不同分支不兼容基本指令集40余条模块化不支持支持可扩展性不支持支持硬件实现复杂性高硬件设计与编译实现非常简单商业运作X86封闭，ARM架构授权昂贵开源、免费生态环境成熟快速起步中应用市场服务器与桌面PC(x86)，移动和嵌入式(ARM)从物联网切入，可覆盖从微控制器到超级计算机的全计算领域应用特点服务器、PC、移

11、动和嵌入式应用领域居垄断地位高性能（面积、功耗和性能）、普适（可自由扩展和裁剪）、可控（满足差异化和定制化）应用风险不可控、缺乏应用弹性、较高成本生态不足、碎片化、专利问题RISC-V与x86及ARM指令集架构CPU的比较14RISC-V基金会2015年成立，目前包括235家会员单位 白金会员19家 普通会员216家基金会规模迅速壮大，进入加速发展期来源：RISC-V基金会Platinum MembersGold,Silver&Auditor Members.RISC-V管理优势：RISC-V国际基金会中国成员：计算所（发起、审计）、清华（审计）、华为（金）、阿里（金）15RISC-V国际生态

12、现状使用RISC-V指令集做下一代GPU上的周边微控制器计划在下一代存储计算芯片中使用RISC-V核，并宣布预计每年将出货10亿片以上使用RISC-V的芯片采用多核RISC-V做高效率边缘计算MCU16RISC-V国内生态现状黄山1号推出支持RISC-V第三代指令系统架构处理器CK902已推出针对物联网领域的处理器兆易创新GD32V MCU17利于芯片业创新的实例：安全RISC-V芯片中国科学院大学杨力祥中国科学院大学杨力祥老师的团队，针对攻击操作系统中危害最大老师的团队，针对攻击操作系统中危害最大的的超越授权类攻击超越授权类攻击（即以非法读写数据、非法控制被攻击系统等为（即以非法读写数据、非

13、法控制被攻击系统等为目的攻击）提出了一套完整的理论（包括攻击原理及安全机制）。目的攻击）提出了一套完整的理论（包括攻击原理及安全机制）。该理论指出了所有攻击执行序中不可或缺的组成部分，即构成攻击该理论指出了所有攻击执行序中不可或缺的组成部分，即构成攻击执行序的必要条件，只要消除这些必要条件，即使软件中存在不可执行序的必要条件，只要消除这些必要条件，即使软件中存在不可避免的瑕疵，攻击者也不可能实现攻击！避免的瑕疵，攻击者也不可能实现攻击！该安全机制基于硬件，包括安全该安全机制基于硬件，包括安全CPUCPU架构和安全操作系统架构及配架构和安全操作系统架构及配套的编译器、虚拟机等完整的工具链。安全架

14、构套的编译器、虚拟机等完整的工具链。安全架构CPUCPU硬件支持内存硬件支持内存安全单元（安全单元（MSUMSU）。此外，还有重新设计的分权机制及授权管理体）。此外，还有重新设计的分权机制及授权管理体系的支持。系的支持。由于由于RISCRISC-V V在设计上有良好的前瞻性，上述安全在设计上有良好的前瞻性，上述安全CPUCPU架构很容易与架构很容易与RISCRISC-V V结合，成为安全结合，成为安全RISCRISC-V V。这表明。这表明RISCRISC-V V的出现有利于实现创的出现有利于实现创新产业化。新产业化。实践证明，运用开源模式不仅可以实施集成创新、引进消化吸收再实践证明，运用开源

15、模式不仅可以实施集成创新、引进消化吸收再创新，也能够实施原始创新。创新，也能够实施原始创新。18参与RISC-V的中国企业截至2018年年底，与RISC-V芯片、硬件、软件、投资、知识产权及生态相关的中国公司数量已接近一百家19RISC-V在中国的联盟目标相同，协作共赢由网信办、工信部和中科院三单位指导，于2018/11/8第五届世界互联网大会上宣告成立，挂靠在计算所。CRVA旨在召集从事RISC-V指令集、架构、芯片、软件、整机应用等产业链各环节企事业单位及相关社会团体，自愿组成一个全国性、综合性、联合性、非营利性的社团组织。截至2019年7月，联盟会员规模已由创始时12家增长至58家联盟成

16、立大会于2018/9/20在上海集成电路行业协会成功召开。由上海芯原、芯来科技、上海高性能集成电路设计中心、上海集成电路行业协会、上海物联网行业协会等单位共同发起中国开放指令生态（RISC-V）联盟（CRVA）中国RISC-V产业联盟（CRVIC）20IoT发展机遇贝尔定律(Bells Law)(Bells Law)依然有效:IoT:IoT芯片产生新需求可定制化、尺寸小、周期短、低功耗、低成本、新编程模型、低端工艺等摩尔定律(Moores Law)(Moores Law)即将终结:成熟工艺成本不断下降黄金时代:多种技术融合正在形成化学反应开放指令集、开源工具、硬件开发新语言，新兴应用、云平台等

17、Image Source:https:/puterhistory.org/atchm/the-worlds-smallest-computer/10.7%15.8%30.6%53.2%0.0%20.0%40.0%60.0%01002001988 1998 2008 2018%of Academia papers on ISSCCAcademia OnlyIndustry&OthersRate降低门槛赋能创新21CRVA联盟总体目标以RISC-V为抓手推动开源芯片生态22CRVA联盟总体目标（续）开源芯片对于打破外国对芯片市场的垄断、实现芯片自主可控和增强芯片业创新能力具有重要意义。因此，在国家

18、发展战略性新兴产业方针的指引下，我国应当依托丰富的人才资源和巨大的市场，加大芯片业自主创新力度，营造完善的生态系统，发展自主可控的开源芯片，推动中国在开源芯片的技术、社区和产业等方面全面发展，为AI、IoT、5G、区块链等等新一代信息技术和数字经济的发展，为建设网络强国提供强大支撑 我们的目标是：一、为开源社区提供经过流片验证的高质量RISC-V开源核及SoC芯片设计方案；二、逐步构建一套基于开源工具链、开源IP、开源工艺库的SoC芯片设计流程，为企业提供商业版工具与IP之外的开源方案；三、迭代优化开源工具，提高设计验证效率，为大批科研机构、中小企业提供定制芯片服务，降低芯片开发门槛。四、鼓励

19、企业、研究机构和协会加入开源社区，利用开放式的会员模式，提高我国在开源芯片技术和规则制定方面的话语权和影响力。23CRVA联盟成员2018年成果24CRVA联盟成员近期成果发布7月18日，中科物栖展示基于RISC-V的AIoT芯片和整机方案7月25日，平头哥发布高性能RISC-V处理器玄铁91025中科院计算所推出系统级中科院计算所推出系统级RISCRISC-V V仿真验证原型平台仿真验证原型平台SERVESERVE：System Emulation and Prototyping for RISC-V Environment基于Xilinx PYNQ-Z2低成本精简普及版SERVE.r多节点

20、集群版（精简/高性能集群）SERVE.s标签化冯诺伊曼体系结构版本（LvNA）SERVE.v基于FIDUSSidewinder-100高性能增强版SERVE.i云服务版（精简/高性能云）SERVE.c 可配置RISC-V处理器数量和功能 支持UART、千兆以太网、SDIO、USB、HDMI等多种外设 Linux+Debian完整生态，可运行Redis、Memcached等多种应用 FPGA定制加速并支持标签化特色的性能调控技术26基于RISC-V国产CPU未来展望CPU架构基于x86架构CPU基于ARM 架构授权国产CPU申威、龙芯等国产CPU基于RISC-V国产CPU自主可控测评难以满足要求

21、现阶段能满足要求未来发展存在变数能满足要求可望满足要求既有生态状况成熟成熟发展中起步中新兴市场预测不详不详不详前景看好授权费用 缺乏成熟的授权模式架构授权费用高无无27规避“美国技术含量”超过25%的风险 目前目前美国商务部美国商务部“出口管制出口管制”已加予已加予“美国技术含量美国技术含量”超超过过 25%25%者者，其中，其中，“美国技术含量美国技术含量”包括包括:（1 1）制造地位制造地位于美国于美国，(2)(2)技术源于美国，以及技术源于美国，以及(3)(3)国外制造但源自美国国外制造但源自美国的内容超过的内容超过25%25%。25%25%的的计算复杂，涉及很多细节，涉及元器件、软硬件

22、、材计算复杂，涉及很多细节，涉及元器件、软硬件、材料等等不一而足，而且软硬件不一样，实际操作也相当复料等等不一而足，而且软硬件不一样，实际操作也相当复杂。杂。实际上是美国说了算。实际上是美国说了算。违规后果严重违规后果严重。25%25%是一个严格责任标准，如果有证据表明是一个严格责任标准，如果有证据表明是明知故犯那就是刑事处罚，如果不知则是民事处罚，处是明知故犯那就是刑事处罚，如果不知则是民事处罚，处罚标准是罚款罚标准是罚款3030万美元和交易量的双倍，同时还可能加到万美元和交易量的双倍，同时还可能加到实体清单中。而且，这一惩罚是针对双方的。实体清单中。而且，这一惩罚是针对双方的。今后自主可控

23、测评可能要评估“今后自主可控测评可能要评估“美国技术含量美国技术含量”，以防止”，以防止这种会受到美国“长臂管辖”的产品进入政府和重要领域。这种会受到美国“长臂管辖”的产品进入政府和重要领域。28RISC-V 基金会决定将总部迁至瑞士 日前，位于特拉华的日前，位于特拉华的 RISCRISC-V V 基金会为寻求技术“中立”，基金会为寻求技术“中立”，已决定将公司总部迁移至瑞士。已决定将公司总部迁移至瑞士。非盈利机构非盈利机构 RISCRISC-V V 基金会基金会(RISC(RISC-V Foundation)V Foundation)首席执行首席执行官官Calista RedmondCali

24、sta Redmond表示，该基金会希望确保美国以外的大表示，该基金会希望确保美国以外的大学、政府和公司能够帮助开发其开源技术。雷德蒙说，基金学、政府和公司能够帮助开发其开源技术。雷德蒙说，基金会的全球合作迄今没有任何限制，但成员们担心潜在的地缘会的全球合作迄今没有任何限制，但成员们担心潜在的地缘政治破坏。她说：“从世界各地，我们都听说如果公司不在政治破坏。她说：“从世界各地，我们都听说如果公司不在美国成立，我们会舒服得多”。雷德蒙说，基金会的董事会美国成立，我们会舒服得多”。雷德蒙说，基金会的董事会一致通过了这一举措。一致通过了这一举措。此举得到包括中国在内的业界人士欢迎，例如华为认为“我此举得到包括中国在内的业界人士欢迎，例如华为认为“我们支持们支持 RISCRISC-V V 基金会将瑞士确定为开放源码开发的中立场基金会将瑞士确定为开放源码开发的中立场所。使开源尽可能开放对业界来说是重要的。”所。使开源尽可能开放对业界来说是重要的。”29开源芯片的前景未来RISC-V很可能发展成为世界主流CPU之一，从而在CPU领域形成Intel、ARM、RISC-V三分天下的格局30