當前晶元的研究方法

『捌』 趨勢觀察：第五代精簡指令集RISC-Ⅴ架構晶元研究進展

中國網/中國發展門戶網訊RISC-V，即第五代精簡指令集，是一種基於精簡指令集計算機（RISC）原理的開源指令集架構（ISA），由美國加州大學伯克利分校研究團隊於 2010 年設計。相對於 X86 指令集的完全封閉及 ARM 指令集高昂的授權使用費，RISC-V 指令集通過支持自由開放的指令集體系架構及架構擴展以提供軟體和硬體自由。RISC-V 的主要優點為完全開源、架構簡單、易於移植、模塊化設計，以及具有完整的工具鏈。

處理器晶元是中國半導體產業的軟肋，是中國半導體產業面臨的「卡脖子」問題。近年來，國內晶元領域學術界和產業界都在積極 探索 實踐，力求突破。中國在晶元研發領域的 4 個技術關卡分別為光刻機、電子設計自動化（EDA）軟體、晶圓和指令集。由此可見，開源 RISC-V 指令集架構對我國在晶元指令集方面技術破圍意義重大。我國有望通過 RISC-V 擺脫國外的指令集壟斷，打破技術封鎖。

RISC-V 自誕生以來取得了突飛猛進的發展，隨著物聯網、5G 通信、人工智慧等技術的興起，物聯網和嵌入式設備成為 RISC-V 最先落地的領域和最大的應用市場。各國研究機構及企業紛紛加入研究和開發行列，RISC-V 不僅打破了現有指令集架構環境下英國 ARM 公司和美國Intel公司的兩強壟斷格局，而且建立了一個開放的生態及框架來推動全球合作和創新。

主要國家戰略舉措及特點

美國強調 RISC-V 指令集在智能裝備晶元領域的戰略應用。2017 年 6 月，美國國防高級研究計劃局（DARPA）啟動「電子復興計劃」（Electronics Resurgence Initiative），該計劃旨在解決半導體製程瓶頸以應對半導體產業快速發展的挑戰。「電子復興計劃」連續多年對 RISC-V 指令集的研究和產業化應用給予專項支持。其中，實現更快速集成電路項目、Posh 開源硬體項目和電子資產的智能設計項目明確指明需要基於 RISC-V 指令集進行開發。2021 年 3 月，SciFive 公司與 DARPA 達成開放許可協議授權，SciFive 加入「DARPA 工具箱計劃」（DARPA Toolbox Initiative）為 DARPA 項目參與者提供基於 RISC-V 的32 位和 64 位內核訪問，以支持 DARPA 項目中應用程序和嵌入式應用的研發。

歐盟注重 RISC-V 與高性能計算的結合。2018 年 12 月，歐盟推出「歐洲處理器計劃」（European Processor Initiative），擬開發面向歐洲市場的自主可控低功耗微處理器，降低歐洲超級計算行業對外國 科技 公司的依賴。其中，「歐洲處理器加速器」（European Processor Accelerator）項目作為該計劃的重要組成部分，其核心是採用免費和開源的 RISC-V 指令集架構，用於在歐洲境內開發和生產高性能晶元。2021 年 9 月，該項目的最新成果是交付了 143 個歐洲處理器加速器晶元樣本，這些加速器晶元專為高性能計算（HPC）應用程序設計。此外，2021 年 1 月開始的 Euro HPC eProcessor 項目旨在基於 RISC-V 指令集體系架構構建一個完全開源的歐洲全堆棧生態系統以適用於 HPC 和嵌入式應用。

印度將 RISC-V 指令集定位為國家事實指令集。2011 年，印度開始實施處理器戰略計劃，每年資助 2—3 個處理器研究項目。該計劃下的 SHAKTI 處理器項目旨在開發第一個印度本土的工業級處理器；其目標是研製 6 款基於 RISC-V 指令集的開源處理器核，其中涵蓋了 32 位單核微控制器、64 核 64 位高性能處理器和安全處理器等。2016 年 1 月，印度電子信息技術部資助 4 500 萬美元研製一款基於 RISC-V 指令集的 2 GHz 四核處理器。2017 年，印度政府表示將大力資助基於 RISC-V 的處理器項目，使 RISC-V 成為印度的國家事實指令集。2020 年 8 月，印度政府在全國發起「微處理器挑戰」（Microprocessor Challenge）項目，以推動 RISC-V 微處理器的自主研發，提高國家的半導體設計和製造能力。

以色列、巴基斯坦、俄羅斯尋求多元化指令集架構共同發展。2017 年，以色列國家創新局成立 GenPro 工作組，旨在開發基於 RISC-V 的快速、高效且獨立的處理平台。2019 年，巴基斯坦政府宣布將 RISC-V 列為國家級「首選架構」（preferred architecture）。2021 年，俄羅斯公布了一項以 RISC-V 部件為中心的國家數字化計劃，該計劃基於俄羅斯自研 Elbrus 晶元進行 RISC-V 部件擴展研究。

中國試圖通過 RISC-V 打破晶元領域技術封鎖。2021 年，在《中華人民共和國國民經濟和 社會 發展第十四個五年規劃和 2035 年遠景目標綱要》中，我國首次明確將「開源」列入五年發展規劃；「十四五」期間，將支持數字技術開源社區等創新聯合體發展，完善開源知識產權和法律體系，鼓勵企業開放軟體源代碼、硬體設計和應用服務。同時，各級政府也積極布局 RISC-V 架構晶元。2018 年 7 月，上海市經濟和信息化委員會發布的《上海市經濟信息化委關於開展 2018 年度第二批上海市軟體和集成電路產業發展專項資金（集成電路和電子信息製造領域）項目申報工作的通知》將 RISC-V 相關產業列入政府產業扶持對象，而從事 RISC-V 架構相關設計和開發的公司將獲得政策傾斜。2020 年 2 月，廣東省人民政府辦公廳印發的《加快半導體及集成電路產業發展若干意見的通知》中明確將 RISC-V 晶元設計列入廣東省重點發展方向。2021 年 11 月，北京市委市政府印發《北京市「十四五」時期國際 科技 創新中心建設規劃》，明確指出要研發基於 RISC-V 的區塊鏈專用加速晶元，進一步提高晶元集成度，提高大規模區塊鏈演算法性能。

我國 RISC-V 架構晶元領域的重要研究方向態勢與熱點

學術界和產業界日益重視 RISC-V 的安全體系結構設計及驗證。處理器安全對設備隱私信息的保護至關重要；設計 RISC-V 安全處理器及安全驗證是 RISC-V 領域乃至體系結構領域的研究熱點。特權模式和物理內存保護是安全嵌入式處理器的必備特性，RISC-V 指令集架構也採用特權模式來保障處理器的安全；同時，該架構提供了物理內存保護單元（PMP）實現內存訪問控制以保證內存安全。其中，北京信息 科技 大學和清華大學微電子學研究所焦芃源等以一款 32 位 RISC-V 安全處理器為研究對象，通過異常處理程序對處理器狀態、異常信息進行觀測，提出了一套 RISC-V 特權模式和物理內存保護功能的測試方案；天津大學微電子學院劉強等設計了一種抗功耗分析攻擊的 RISC-V 處理器的實現方法；上海交通大學並行與分布式系統研究所開發了基於 RISC-V 架構的全新可信執行環境「蓬萊」。同時，產業界許多公司以擴展硬體 IP 模塊的方式推出安全解決方案，包括加密庫、信任根、安全庫等。

深耕物聯網等新興領域，特定領域專用 RISC-V 晶元蓬勃發展。當前，X86 和 ARM 兩大指令集分別主宰了伺服器+個人電腦（PC）和嵌入式移動設備；同時，物聯網（IoT）、智聯網（AIoT）等應用領域正在為 RISC-V 的發展提供新的機遇。RISC-V 架構能為物聯網行業帶來顯著的靈活性和成本優勢，同時也能推動異構計算系統的快速發展，因而能夠適應智能物聯網時代下的大容量萬億設備互聯，場景豐富及碎片化和多樣化需求。RISC-V 在加速器和專用處理器領域，主要應用包括航天器的宇航晶元設計，面向物聯網的智能晶元，面向安全的晶元，用作伺服器上的主板管理控制器，以及圖形處理器（GPU）和硬碟內部的控制器等。學術界，如中國科學院計算技術研究所（以下簡稱「計算所」）泛在計算團隊，開展了基於 RISC-V 核心的輕量級神經網路處理器的研究， 探索 了 RISC-V 內核在物聯網設備中的應用；上海市北斗導航與位置服務重點實驗室則開展了基於 RISC-V 指令集的基帶處理器擴展研究項目。而產業界則在控制領域與物聯網領域涌現出大量的基於 RISC-V 的產品和應用案例。例如，阿里平頭哥半導體有限公司的開源玄鐵 RISC-V 系列處理器已應用於微控制器、工業控制、智能家電、智能電網、圖像處理、人工智慧、多媒體和 汽車 電子等領域。

尋求突破物聯網生態， 探索 進入伺服器、高性能處理器領域。目前，RISC-V 的研究及應用領域主要集中在以物聯網為基礎的工業控制、智能電網等多場景。但 RISC-V 因其本身低功耗、低成本特性，具備進入伺服器、高性能領域的潛力。伺服器定製化及 HPC 對加速器和異構平台的需求增加，為 RISC-V 進入伺服器和 HPC 領域提供了機會。計算所包雲崗提出產業界可利用 AMD 公司的 Chiplet（小晶元）方式將中央處理器（CPU）、加速器、輸入/輸出（I/O）放在不同晶圓上，其中 CPU 部分使用 RISC-V 架構，用 Chiplet 方式組成一個伺服器晶元，以進入伺服器市場。2021 年 6 月，計算所包雲崗團隊推出「香山」開源高性能 RISC-V 處理器核。它第一版架構代號「雁棲湖」，基於 28 nm 工藝流片。這標志著在計算所、鵬城實驗室的技術支持下，國內發起的高性能 RISC-V 處理器開源項目正式誕生。

我國發展 RISC-Ⅴ 架構晶元的問題與建議

適當聚焦 RISC-V 架構，加快發展中國晶元產業體系。目前，國內處理器產業及科研領域所採用的指令集包羅萬象，學術界和產業界基於 ARM、MIPS、PowerPC、SPARC、RISC-V、X86 等多種指令集進行了擴展。但多樣化的指令集必然會分散基礎軟體開發力量，導致編譯、操作系統等基礎軟體開發者由於精力有限而無法兼顧多種指令集的優化，延緩自主生態的建設。近幾年，隨著 RISC-V 基金會從美國遷至瑞士，其治理架構發生重大變化，我國科研機構和企業在 RISC-V 基金會理事會高級別會員的比例顯著提高。我國在 RISC-V 生態中的影響力日益增長，這為我國晶元產業的發展提供了新的機遇，以及開發新賽道的可能性。建議：我國在目前暫無成熟自主指令集架構的情況下，應抓住開源 RISC-V 架構興起的機遇，調整晶元領域技術路線和產業政策，適當聚焦 RISC-V 架構，加快發展中國晶元產業體系。

促進 RISC-V 在處理器教育領域的應用，培育晶元設計人才。晶元領域的創新門檻高、投入大，嚴重阻礙了領域創新研究。晶元設計及製造的多個環節都需要巨額的資金與大量的人力投入。這種高門檻導致人才儲備不足，因此如何能夠降低晶元設計門檻成為亟待解決的問題。RISC-V 的開源性降低了創新投入門檻，發展開源晶元/硬體成為中國培育設計人才的新發展模式。2019 年 8 月，中國科學院大學啟動了「一生一芯」計劃，其目標是通過讓本科生設計處理器晶元並完成流片，培養具有扎實理論與實踐經驗的處理器晶元設計人才。該計劃是國內首次以流片為目標的教育計劃，由 5 位 2016 級本科生主導完成一款 64 位 RISC-V 處理器 SoC 晶元設計並實現流片。事實上，學生是 RISC-V 整個生態建設中不可或缺的力量；包括上海 科技 大學在內的許多國內院校都在與企業一同培養人才，通過課程作業設計與企業研發相關聯，將企業最新的技術及時引入課堂，充分發揮開源化的優勢。建議：國家教育管理機構應當積極推進 RISC-V 產學相結合的發展模式，培育更多晶元設計人才。

（《中國科學院院刊》供稿）