倪光南：聚焦开源RISC-V，发展中国芯片产业

本文来自微信公众号：前瞻科技杂志（ID：gh_311c7e49bb6d），刊载于《前瞻科技》2022年第3期“集成电路科学与工程专刊”，作者：倪光南（中国工程院院士），题图来自：视觉中国

中央处理器（CPU）架构是芯片产业链和芯片生态的龙头。CPU架构不仅决定了CPU芯片本身的性能，而且在很大程度上引领了整个芯片产业和产业生态，尤其是对设计人才培养、电子设计自动化（Electronic Design Automation， EDA）产业、芯片知识产权（Intellectual Property， IP）库、芯片应用生态等方面有重大影响。

此外，芯片的架构也影响芯片的生产、测试、封装等环节。近年来包含微处理器的系统级芯片（System on Chip， SoC）产品在芯片产品中的比例已超过70%，这表明芯片应用与CPU架构之间的关联性正在增强。

历史上，在个人计算机（PC）和互联网时期，x86架构芯片占据优势，而在移动互联网时期，ARM（Advanced RISC Machines， RISC微处理器）架构芯片占据优势。今后，在智能互联时期，CPU架构格局也会随之发生变化，应当顺势而为，提前谋划。

近几年国产CPU发展迅速，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。因为CPU架构具有很强的垄断性，长期以来，占据世界芯片主要市场份额的CPU（也称“主流CPU”）只有x86和ARM两种架构，这种情况大概率还会持续下去。

由此可见，目前多种国产CPU架构并存，未来可能会造成资源分散，低水平重复。如果不能改变这种状况，若干年后，中国将缺乏能在全球市场上与x86和ARM竞争的自主CPU架构，从而在“主流CPU”方面仍将受制于人。为此，有必要思考国产CPU架构发展的技术路线，有两种思路值得商榷。

一种思路是“单打独斗”。“单打独斗”即主要依托本国架构进行发展。其优点是较易实现自主可控，并能满足国内若干应用领域的需求。但要在世界市场上与已有“主流CPU”相抗衡，中国CPU在技术方面，特别是在生态方面还存在着很大的差距，而这种状况不是凭主观愿望在短时期内所能改变的。

作为对比，即使是新兴的、挟有众多后发优势的开源精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer， RISC）CPU架构（RISC-V）也历经10多年“折腾”，才取得今天全球范围的繁荣发展成果。很难设想，一些有历史包袱的、较老的CPU，还能有足够时间和空间，从“主流CPU”激烈竞争的夹缝中脱颖而出。

另一种思路是“从众跟随”。“从众跟随”即跟着外国的架构走。国内也有企业在基于x86、ARM、POWER（Performance Optimization with Enhanced RISC）等外国掌控的架构进行发展，其优势是可以利用已经成熟的生态，但劣势是很难实现自主可控。当前国际环境错综复杂，归根到底依然会受到指令集架构（Instruction Set Architecture， ISA）知识产权的制约，难以规避各种制裁。

鉴于上述情况，建议中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。通过充分发挥中国举国体制和超大规模市场优势、人才优势，大力发展壮大RISC-V产业生态，增强RISC-V产业链、供应链自主可控能力，加大对RISC-V开源社区的贡献以增大社区话语权。最终使世界“主流CPU”市场形成x86、ARM和RISC-V三分天下的格局。

RISC-V成为芯片业界“新宠”，进入繁荣发展期

近年来，国际上一种新兴的RISC-V为中国掌握芯片产业发展主动权提供了机遇。RISC-V架构由美国加利福尼亚大学伯克利分校（简称加州大学伯克利分校）计算机科学部门于2010年发布，该架构创造了一种通用的计算机芯片指令集，以此来降低进入芯片行业的门槛。

RISC-V采取开源模式，这套指令集将被所有芯片制造商使用，而不属于任何公司。用户可自由免费地使用该架构进行CPU设计、开发并添加自有指令集进行拓展，自主选择是否公开发行、商业销售、更换其他许可协议，或完全闭源使用。

开源社区一般都由相应的基金会支持，支持RISC-V社区的国际基金会总部在瑞士，该开源社区的代码上传下载可不受美国出口管制。目前“RISC-V国际基金会”已经更名为“RISC-V国际协会”，其活动也从领导开源社区向更大的生态相关领域扩展。即使在疫情影响下，2020年其会员数量依然增长了133%，总数为2000家左右。

现在国际上围绕RISC-V的学术交流、产品发布、应用示范、生态建设等活动日益兴旺，RISC-V已成为当前芯片业界的“新宠”。正如该架构的领军人物David Patterson教授所说：“技术创新正在兴起，创新的潜力永远存在”。

为了在中国更好地推广RISC-V，加州大学伯克利分校和清华大学在深圳建立RISC-V国际开源实验室（RISC-V International Open Source Laboratory，简称RIOS实验室），由David Patterson教授亲自任总负责人。近几年，通过世界范围内各界的评估和试用，业界普遍认为RISC-V架构先进，功能完善，能在新一代信息技术领域获得市场优势。

开源RISC-V芯片架构优势

开源RISC-V的出现顺应未来新一代信息技术的需求，其精简指令集符合CPU架构发展趋势，采用的开源模式也符合科学开放精神，大大降低了芯片产业门槛，人才培养更便捷，研发周期缩短，这些都使其后续发展具备强大生命力。

从主流CPU指令代码看，x86架构属于复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer， CISC），ARM架构属于精简指令集计算机。虽然两者各有利弊，但整体比较，RISC出现较晚，架构较新、较先进。现在ARM在移动领域已胜过x86，在原先x86的优势领域，如提供算力方面也在拉近与x86的差距。可以预计，未来ARM还有进一步蚕食x86市场的可能。

RISC-V与ARM是同一类型，不过它问世更晚，与ARM相比在架构上又有所改进，而且没有ARM需要兼容过去多年老版本的包袱，所以预计RISC-V在新应用领域的发展速度有可能更快。

从RISC-V采用开源模式上看，这在芯片界尚属新事物（过去也有芯片开源的尝试但未发展起来）。迄今为止，开源软件经过40年左右的发展历史，取得令人瞩目的成就，开源的强大生命力可以说是科学开放精神的体现，为此人们对开源RISC-V也寄予厚望。回顾这10多年来，RISC-V从走出校门发展到今天成为业界的新宠，有力地证明了开源模式既能推进软件也能推进硬件，RISC-V借开源东风，前途不可限量。

从人才培养上看，在培训芯片工程师方面，伴随着RISC-V发展起来的Chisel敏捷开发语言可以大大提高设计效率。例如，中国科学院大学通过使用RISC-V开放指令集和Chisel敏捷硬件设计语言，可以让5个本科生在4个月里，完成一款RISC-V处理器SoC的设计工作，这与传统方法需要几年培训时间相比，效率大大提高，说明基于RISC-V架构发展芯片业可获得芯片人才培养优势。同时，开源模式可以形成“天下英才聚神州，万类霜天竞自由”的创新局面。

中国发展RISC-V的独特优势

1. 既符合国家科技自立自强发展战略，又推动全球科技创新

中国各界拥抱RISC-V还有其反垄断的需要。发达国家特别是美国已经享受了x86和ARM两种架构垄断“主流CPU”市场的红利，掌控这些架构的Intel和ARM等巨头公司虽然近来也在RISC-V的某些活动中亮相，但由于根本利益冲突，不可能全力支持RISC-V。相比之下，中国是垄断的受害者，所以中国芯片业也都看好并支持具有打破垄断潜力的RISC-V，这使RISC-V在中国获得了强大的推动力。

从“中兴事件”“华为事件”“实体清单”等，再到“俄乌冲突”，现实形势促使人们越来越深刻地认识到：关键核心技术不能受制于人，一定要坚定不移地走国家科技自立自强之路。同时，中国要深化改革开放，与世界协同发展，探索社会主义市场经济条件下的新型举国体制，加快解决芯片“卡脖子”技术问题，走向新时期世界科技强国之列。

从国家对芯片产业的政策支持和各地方政府发展芯片产业的布局上看，中国当前发展基于新型RISC-V架构的芯片产业已具备一系列政策优势。党的十九届五中全会以来，中国已将支持开源写入“十四五”规划，各界对开源RISC-V的支持力度迅速提升。近几年来，中国各地、各界纷纷投入RISC-V的生态建设。

例如，上海市支持成立“中国RISC-V产业联盟”；中央网络安全和信息化委员会办公室、工业和信息化部和中国科学院联合支持成立“中国开放指令RISC-V生态联盟”；由加州大学伯克利分校和清华大学合作的“RISC-V国际开源实验室”在深圳市成立；中国科学院联合产学研各界推进RISC-V基础软件研发；中国科学技术协会在“科创中国”框架下，成立涵盖开源RISC-V的“开源创新联合体”；北京市支持成立“北京开源芯片研究院”……

凡此种种，说明在国家政策支持下，在各界的积极参与下，中国的开源RISC-V的整体生态环境正在迅速发展完善。

2. 中国超大规模市场是培育未来新一代信息技术的沃土

习近平总书记多次强调，推进社会主义现代化建设，构建新发展格局，要充分发挥我国的超大规模市场优势。党的十九届五中全会进一步把发挥超大规模市场优势提升到构建新发展格局的高度予以强调。构建新发展格局是把握未来发展主动权的战略布局和先手棋，是贯彻落实新发展理念的重大举措。

超大规模市场优势可以为新技术、新业态、新模式、新产品提供规模的市场实现条件，为经济发展创造足够的利润回报，可以吸引、整合国内外优质资源等优势，从而加快中国技术创新的速度。超大规模市场带来的世界最大的应用场景优势，丰富的数据资源优势都是培育新一代信息技术发展的肥沃土壤。为此，要充分利用和发挥这个优势，不断巩固和增强这个优势，争取在新一代信息技术产业发展中，紧紧抓住发展的主动权，使这个优势成为构建新发展格局的雄厚支撑。

3. 中国是世界最大工程师培育摇篮

人才是国家发展的第一资源、第一动力。人才是直接影响未来民族伟大复兴的关键要素。美国甲骨文公司创始人Larry Ellison评论说：“美国面临的最大威胁/竞争对手是中国。中国有很多非常有天赋的工程师，他们贡献了很多知识产权，我们可不想屈居第二”。

中国是全世界大学生毕业人数最多的国家，据统计，截至2021年中国高校毕业生数量已达到909万人。中国科技研发的人才结构为金字塔结构，其中以庞大的技术本科、硕士、博士毕业生为基础，具有国外高学历教育背景和成熟的专业经验的研发人员为塔尖。今天，同时具备人才成本和供应优势的中国正在成为全球高科技研发体系中的重要组成部分，人才优势为技术发展和创新提供了必要条件。

RISC-V采用开源模式，与私有技术相比，十分有利于知识产权的传播和人才的培养。如果与历史上x86和ARM两种架构的发展相比，同一时期，这两种架构的发展主要还是依靠一些大公司的带动，而目前中国政、产、学、研、用等都在积极投入，支持RISC-V生态的发展。“众人拾柴火焰高”，这就使中国人才优势得到充分的发挥，大大加快了RISC-V生态建设。

据估计，中国已经有数百家企业加入到RISC-V生态建设中，在国际联盟成员单位中，中国方面已经占比50%左右；中国许多大学已为研究生和本科学生开设了RISC-V课程，国内正在推进RISC-V基础软件的联合研发以及针对RISC-V架构设计优化的EDA项目等。总之，中国业界正在形成覆盖芯片设计、设计工具、基础软件、芯片应用直到人才培训等方面的广泛的RISC-V生态，形势发展喜人。

聚焦开源RISC-V发展芯片产业，关键在RISC-V生态发展

1. 产业发展，标准先行

推进RISC-V生态发展应着力防止RISC-V的碎片化。开源RISC-V采用标准十分宽松的许可证，有助于推广应用，但也很可能出现碎片化，目前已经可以看到这种迹象。如众多厂家和机构各自为战，重复研发，互不兼容，不仅降低了发展速度，而且长此以往，势必会使RISC-V芯片在市场上形成多个互不兼容的标准，造成市场的碎片化，结果谁也无法做大做强，难以与x86和ARM竞争。

在开源模式下，如何使遍布全球的开发者高效协同，形成合力，标准的作用显得格外重要。要避免RISC-V的碎片化也意味着需要加大RISC-V相关标准建设的力度。迄今为止，RISC-V标准由RISC-V国际基金会推进。为了增加中国方面在标准制定中的话语权，应当增加对RISC-V开源社区的投入，增加对代码的贡献，并加强对RISC-V的测评、标准制定、应用推广等工作。

光伏领域的经验值得借鉴，在光伏标准方面，国际有几个标准组织，中国区标准组织只是其中之一。但由于中国在光伏领域的投入大、贡献多、应用广，中国区标准组织出台的标准量大面广，引领潮流，使现在中国在光伏领域的标准制定和市场应用方面获得了相应的较大的话语权。

2. 以构建RISC-V基础软件为核心，完善生态建设

实践表明，一种CPU架构的生存和发展，在很大程度上依赖其生态系统，其中特别依赖于需要大投入和长研发周期的基础软件。现有x86和ARM经过二三十年时间的积累，已经形成了完善的生态，尤其是在基础软件方面，包括操作系统、基础库、编程语言与编译器、开发环境和运行环境等，构成了对CPU架构的强大支撑，RISC-V在这方面还远远落后于x86和ARM。

如果说指令集架构是计算机系统中硬件与软件之间的分界线和交互规范标准，也是基础软件生态的起始点，那么基础软件则是IT生态的“黏合剂”和“催化剂”。换句话说，基础软件是整合RISC-V多样化生态的核心要素，是基于RISC-V架构产业的核心竞争力。有专家认为，2020年之后，RISC-V发展的优先级从体系结构驱动切换为软件驱动。现在，在世界范围RISC-V基础软件的竞争已经到来。

发展RISC-V软件需要跨学科方向的全面布局，这是一个挑战，也是一个机遇。参考x86和ARM的历史，RISC-V孕育着万亿级基础软件产业机会。历史上x86生态成就了微软和红帽（Red Hat），ARM生态成就了苹果和谷歌，RISC-V将为未来的软件巨头提供新的舞台。为此需要及早、全面布局RISC-V基础软件，消除未来新生态的“心腹之患”。中国科学院正联合产学研各界共同推进RISC-V基础软件研发，这为今后RISC-V生态建设打下了坚实的基础。

在当前形势下，必须高度重视产业链、供应链安全问题，对开源RISC-V也不例外。中国正在启动增强开源软件供应链安全的相应计划，旨在消除开源软件存在的质量、来源和持续供应等风险。今后有必要将开源软件供应链理念进一步扩展到整个RISC-V软硬件的产业链、价值链，建立RISC-V开源基础设施，牢牢主导其中的关键环节和制高点，保障中国RISC-V生态的长期高质量发展。

结束语

综上所述，中国在发展芯片产业时既不能“单打独斗”也不能“从众跟随”。今天中国面临百年未有之大变局，中国在发展CPU产业时要从全球视野谋划，抓住未来“主流CPU”发展趋势。正如习近平总书记在《健全关键核心技术攻关新型举国体制》中强调：“要发挥我国社会主义制度能够集中力量办大事的显著优势”“要把政府、市场、社会有机结合起来，科学统筹、集中力量、优化机制、协同攻关”。

我们要从战略上用好开源模式，聚焦开源RISC-V架构，充分发挥中国超大规模市场优势和人才优势，统筹推进RISC-V生态建设，与世界开源同行协同努力，最终使RISC-V架构能在世界CPU市场与x86和ARM三足鼎立，通过增加对开源社区贡献的方式逐步将“主流CPU”发展主动权牢牢掌握在自己手中，同时为世界科技创新贡献中国智慧和中国方案。

本文来自微信公众号：前瞻科技杂志（ID：gh_311c7e49bb6d），刊载于《前瞻科技》2022年第3期“集成电路科学与工程专刊”，作者：倪光南（中国工程院院士）