趋势观察:RISC，第五代精简指令集
处理器芯片是中国半导体产业的软肋，也是中国半导体产业面临的“瓶颈”问题。近年来，国内学术界和产业界在芯片领域都在积极探索和实践，力求有所突破。中国在芯片研发上的四大技术坎是光刻机、EDA软件、晶圆和指令集。可见，开源的RISC-V指令集架构对我国芯片指令集的技术突破意义重大。中国有望通过RISC-V摆脱国外指令集垄断，打破技术封锁。
RISC-V自诞生以来取得了飞速的发展。随着物联网、5G通信、人工智能等技术的兴起，物联网和嵌入式设备已经成为RISC-V的第一个领域和最大的应用市场..世界各地的研究机构和企业都加入了研发的行列。RISC-V不仅打破了现有指令集架构环境下英国ARM公司和美国Intel公司的垄断格局，还建立了一个开放的生态和框架，推动全球合作创新。
重大国家战略举措及特点
美国强调RISC-V指令集在智能装备芯片领域的战略应用。2065438+2007年6月，美国国防高级研究计划局(DARPA)启动了“电子产品回收计划”(Electronics Recovery Initiative)，旨在解决半导体制造工艺瓶颈，迎接半导体产业快速发展的挑战。“电子复兴计划”多年来对RISC-V指令集的研究和产业化应用给予了特殊支持。其中，更快的集成电路项目、Posh开源硬件项目和电子资产的智能设计项目都明确表示需要基于RISC-V指令集进行开发。2021年3月，SciFive与DARPA达成开放许可协议，SciFive加入DARPA工具箱计划，为DARPA项目参与者提供基于RISC-V的32位和64位内核访问，以支持DARPA项目中应用和嵌入式应用的研发。
欧盟重视RISC-V与高性能计算的结合。2018 12欧盟发起“欧洲处理器倡议”，旨在为欧洲市场开发自主可控的低功耗微处理器，减少欧洲超级计算产业对国外科技公司的依赖。其中，“欧洲处理器加速器”项目是该计划的重要组成部分，其核心是采用免费开源的RISC-V指令集架构在欧洲开发生产高性能芯片。2021年9月，该项目的最新成果是交付了143个欧洲处理器加速器芯片样品，这些芯片是专门为高性能计算(HPC)应用而设计的。此外，2021和1开始的欧洲HPC eProcessor项目，旨在构建一个基于RISC-V指令集架构的全开源欧洲全栈生态系统，适用于HPC和嵌入式应用。
印度将RISC-V指令集定位为国家事实指令集。2011年，印度开始实施处理器战略计划，每年资助2-3个处理器研究项目。该计划下的SHAKTI处理器项目旨在开发首款印度本土工业级处理器；其目标是开发6个基于RISC-V指令集的开源处理器核，包括32位单核微控制器、64核64位高性能处理器和安全处理器。2065 438+2006 65438+10月，印度电子信息技术部出资4500万美元研发了一款基于RISC-V指令集的2 GHz四核处理器。2017年，印度政府表示将大力资助基于RISC-V的处理器项目，使RISC-V成为印度国家事实指令集。2020年8月，印度政府在全国范围内启动了“微处理器挑战”项目，旨在推动RISC-V微处理器的自主研发，提高该国的半导体设计和制造能力。
以色列、巴基斯坦、俄罗斯寻求多元化指令集架构，共同发展。2017年，以色列国家创新局成立了GenPro工作组，开发基于RISC-V的快速、高效、独立的处理平台，2019年，巴基斯坦政府宣布RISC-V被列为国家“首选架构”。2021年，俄罗斯公布了以RISC-V组件为中心的国家数字化计划，该计划基于俄罗斯自主研发的Elbrus芯片，用于RISC-V组件的扩展研究。
中国试图通过RISC-V打破芯片领域的技术封锁，2021年，在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中，中国首次明确将“开源”列入五年发展规划；“十五”期间，支持数字技术开源社区等创新联合体发展，完善开源知识产权和法律制度，鼓励企业开放软件源代码、硬件设计和应用服务。与此同时，各级政府也在积极部署RISC-V架构芯片。2018年7月，上海市经济信息委《关于申请2018年第二批上海市软件和集成电路产业发展专项资金的通知》将RISC-V相关产业列为政府产业扶持对象，从事RISC-V架构设计开发的公司将获得优惠政策。2020年2月，广东省人民政府办公厅发布的《关于加快发展半导体和集成电路产业若干意见的通知》明确将RISC-V芯片设计列为广东省重点发展方向。2021 11 10月，北京市委市政府发布了《北京国际科技创新中心“十五”期间建设规划》，明确指出要基于RISC-V开发区块链专用加速芯片，进一步提高芯片集成度，提升大规模区块链算法性能。
中国RISC-V架构芯片领域的重要研究方向、趋势和热点
学术界和工业界越来越重视RISC-V安全体系结构的设计和验证。处理器安全对于保护设备隐私信息非常重要；RISC-V安全处理器的设计和安全性验证是RISC-V领域乃至体系结构领域的研究热点。特权模式和物理内存保护是安全嵌入式处理器的本质特征，RISC-V指令集架构也采用特权模式来保证处理器的安全性。同时，该架构提供了物理内存保护单元(PMP)来实现内存访问控制，保证内存安全。其中，北京信息科技大学和清华大学微电子研究所焦以一款32位RISC-V安全处理器为研究对象，通过异常处理程序观察处理器状态和异常信息，提出了一套针对RISC-V特权模式和物理内存保护功能的测试方案；天津大学微电子学院刘强等。设计了一种抗功耗分析攻击的RISC-V处理器实现方法。上海交通大学并行与分布式系统研究所开发了一个全新的基于RISC-V架构的可信执行环境“蓬莱”。同时，业内很多公司通过扩展硬件IP模块推出安全解决方案，包括加密库、信任根、安全库等。
深耕物联网等新兴领域，特定领域专用RISC-V芯片蓬勃发展。目前服务器+个人电脑(PC)和嵌入式移动设备分别以X86和ARM指令集为主。同时，物联网(IoT)、智能网络(AIoT)等应用领域正在为RISC-V的发展提供新的机遇，RISC-V架构可以为物联网产业带来显著的灵活性和成本优势，同时推动异构计算系统的快速发展，因此可以满足智能物联网时代大容量万亿级设备互联、丰富场景、碎片化和多样化的需求。RISC-V主要用于加速器和专用处理器领域，包括航天器的航天芯片、物联网的智能芯片、面向安全的芯片、服务器的主板管理控制器以及图形处理器(GPU)和硬盘的控制器的设计。中国科学院计算技术研究所泛在计算团队(以下简称“计算”)等学术界开展了基于RISC-V内核的轻量级神经网络处理器研究，探索RISC-V内核在物联网设备中的应用。上海北斗导航与位置服务重点实验室开展了基于RISC-V指令集的基带处理器扩展研究项目。而在工业领域，控制、物联网等领域已经出现了大量基于RISC-V的产品和应用案例。如阿里平头哥半导体有限公司的开源RISC-V系列处理器，已在微控制器、工业控制、智能家电、智能电网、图像处理、人工智能、多媒体、汽车电子等领域得到应用。
寻求突破物联网生态系统，探索服务器和高性能处理器领域。目前，RISC-V的研究和应用领域主要集中在工业控制和基于物联网的智能电网。而RISC-V由于功耗低，成本低，有潜力进入服务器和高性能领域。服务器的定制化和HPC对加速器、异构平台需求的增加，为RISC-V进入服务器和HPC领域提供了机会。计算包云刚建议业界可以利用AMD的小芯片模式，将中央处理器(CPU)、加速器、输入/输出(I/O)放在不同的晶圆上，其中CPU部分采用RISC-V架构，以小芯片模式形成一个服务器芯片，进入服务器市场。2021年6月，计算包云冈团队推出“香山”开源高性能RISC-V处理器核。其第一版代号为“雁栖湖”，基于28 nm工艺流程图。这标志着在计算和鹏程实验室的技术支持下，由中国发起的高性能RISC-V处理器开源项目正式诞生。
我国发展RISC-ⅴ体系结构芯片的问题和建议
适当关注RISC-V架构，加速中国芯片产业体系的发展。目前国内处理器行业和科研领域使用的指令集包罗万象，学术界和工业界基于ARM、MIPS、PowerPC、SPARC、RISC-V、X86等各种指令集进行了扩展。而多样化的指令集必然会分散基础软件的开发力量，导致编译器、操作系统等基础软件开发者的精力有限，无法兼顾各种指令集的优化，耽误独立生态的构建。近年来，随着RISC-V基金会从美国迁至瑞士，其治理结构发生了重大变化，中国RISC-V基金会董事会中高层成员的比例大幅增加。中国在RISC-V生态系统中的影响力与日俱增，这为中国芯片产业的发展提供了新的机遇和发展新赛道的可能。建议:在没有成熟的独立指令集架构的情况下，我国应抓住开源RISC-V架构兴起的机遇，调整芯片领域的技术路线和产业政策，适当聚焦RISC-V架构，加快我国芯片产业体系的发展。
推动RISC-V在处理器教育领域的应用，培养芯片设计人才。芯片领域创新门槛高、投入大，严重阻碍了领域创新研究。芯片设计制造的很多环节都需要庞大的资金和大量的人力投入。这种高门槛导致人才储备不足，那么如何降低芯片设计的门槛就成了亟待解决的问题。RISC-V的开源降低了创新投入的门槛，开发开源芯片/硬件成为国内培养设计人才的新发展模式。2065438+2009年8月，中国科学院大学启动了“一核终身”计划，目标是通过让本科生设计并完成幻灯片演示，培养具有扎实的处理器芯片设计理论和实践经验的人才。这个节目是中国第一个针对分班的教育节目。2016级的5名本科生牵头设计实现了一款64位RISC-V处理器SoC芯片。事实上，学生是RISC-V整个生态建设中不可或缺的力量；包括上海科技大学在内的国内很多高校都在与企业共同培养人才，将课程作业设计与企业研发挂钩，将企业的最新技术及时引入课堂，充分发挥开源的优势。建议:国家教育行政部门应积极推广产学结合的RISC-V开发模式，培养更多的芯片设计人才。
(中国科学院学报供稿)