“从嵌入式，到所有类型的计算机，再到大型主机，3到5年后，RISC-V将无处不在！”RISC-V之父、图灵奖得主David Patterson于2023年预测。中国工程院院士倪光南也断言：“在CPU领域，RISC-V可与X86和ARM两大架构形成三分天下的格局。”……近年来，RISC-V作为一种精简的、秉持开放性与高度可定制特性的指令集架构，以其独特的魅力，打破了传统架构的技术壁垒，正在全球尤其是在中国强势崛起。

       那么，什么是RISC-V？缘何诞生？其特点与优势是什么？其发展现状与未来态势如何？本文将一一梳理。

一、是什么——前世今生，架构基础 

指令集架构是什么？

       要了解RISC-V，就必须先认识指令集架构。指令，是最底层的二进制机器代码，其对应着运算比较、内存读取、寄存器移位等一系列计算机基础操作，这些指令的集合就叫做指令集。而指令集架构（Instruction Set Architecture, ISA）是指某一个处理器所使用的具体指令集，其定义了处理器如何执行程序，包括指令集以及处理器如何解释和执行这些指令的规则和机制，本质上就是一种设计芯片的标准规范。在芯片研发之初，设计者需根据功能要求和应用场景，选择定义好所需的指令集架构（本文所说架构皆为指令集架构）。

       一般来说，指令集分为两种——复杂指令集CISC（Complex Instruction Set Computer）和精简指令集RISC（Reduced Instruction Set Computer）。CISC提供丰富的指令，一条指令就包含一系列执行动作，能够减少程序员的编程工作量。然而，随着计算机科学的发展，人们发现这种指令的复杂性会降低处理器的性能与能效，于是采用了极简高效设计理念的RISC应运而生，其使用较少的指令和简单的寻址模式，使得指令解码和执行更加高效。CISC以英特尔和AMD主导的X86为主要代表，且X86是PC和服务器市场的主流架构；RISC则以ARM、RISC-V、MIPS、POWER PC等为代表。其中ARM架构由ARM公司（现为Arm Limited）设计并授权给多家厂商使用，被广泛应用于移动设备（如智能手机、平板电脑）以及物联网设备中。一些较为常见的架构分类见图1。
RISC-V是什么？缘何诞生？

       RISC-V是一个基于RISC原则的开源指令集架构。与大多数指令集相比，RISC-V可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。它定义了一组基本的操作码和寄存器，以及一些可选的扩展指令，旨在提供一种完全开放、简洁、灵活、高效、可扩展的指令集架构。该设计使其适用于现代计算设备，支持从简单的嵌入式系统到高性能服务器等多场景的应用。

       RISC-V诞生于2010年，彼时加州大学伯克利分校的一个研究团队要设计一款CPU，他们深入调研了当时主流的芯片架构，包括历史悠久的X86、市场主导的ARM、经典的MIPS，以及曾经的业界翘楚SPARC等。该团队敏锐地洞察到许多架构所面临的问题：设计复杂性不断增加，内容愈发冗长，IP法律尚存障碍。同时，X86架构因其技术封闭性难以获得授权，而ARM架构虽然应用广泛，但其高昂的授权费用成为了限制创新和普及的瓶颈。

       于是该团队设计并推出了RISC-V这一革命性的新指令集架构。RISC-V致力于满足从微控制器到超级计算机等各种尺寸处理器的设计需求，其以“大道至简”的设计理念、开源共享的策略以及灵活可配置的特性，彻底打破了传统架构的桎梏，为全球开发者提供了前所未有的自由灵活的设计模式。“RISC-V”中的“V”被赋予了多重含义，如“Vector”（向量）、“Versatile”（多功能）和“Variant”（变体）等。无论哪种理解，都表达了对该架构的多功能性、变体潜力和可扩展性的一种隐喻和期待。

       RISC-V发展势头迅猛，自2011年其第一版规格发布，到国内外企业接连入局，进行商业应用，乃至技术扩展，RISC-V仅用十几年就发展为芯片设计领域炙手可热的新星。其主要发展历程见表1。
  二、凭什么——简约高效，优势尽显

凭什么说RISC-V是芯片设计的未来选择？

       在当今这个日新月异、万物互联的时代，技术的快速发展与广泛渗透给计算架构带来了前所未有的挑战与机遇。正是在这样的背景下，RISC-V以其卓越特性脱颖而出，成为了推动芯片设计创新的强劲引擎。

       开源免费，便于技术开发与创新。与其他所有架构不同，RISC-V开放源代码并采用社区驱动模式，允许任何人自由使用，无需支付版权费用或许可费，大大降低了开发和使用的成本。同时还容许企业添加自有指令集拓展而不必开放共享以实现差异化发展，促进了广泛的社区支持和快速的技术创新，有利于技术的不断发展和完善。

       精简指令，系统执行效率更高。传统指令集架构大多遵循“增量”理念，即新版本实现的同时，还要兼容旧版本，经多年发展，X86与ARM指令数目繁多，架构文档长达数千页，且版本众多，要在这些架构上开发新的操作系统或者直接开发应用门槛很高。而作为后来者的RISC-V没有历史包袱，还能借助计算机体系结构发展多年所积累的技术经验，避开“前辈”踩过的坑，从“轻”上路，方便设计者开发使用的同时，还以优异的功耗比大大提升了系统执行效率，可满足嵌入式系统和物联网设备等对功耗要求较高场景的需求。

       模块化设计，灵活定制可扩展。在精简指令的基础上，RISC-V通过模块化设计允许开发者根据需要添加或删除特定的指令扩展模块，如整数运算、浮点运算、向量运算等，可满足多样化定制需求。开发者还可以根据具体的应用场景和性能需求，像搭积木一样，灵活组合现有指令或扩展新的指令集，不仅可以提高处理器的性能，还为处理器设计带来了更多创新的可能性。

       开放权限，易于移植。现代操作系统为了确保其稳定性和安全性，普遍采用了特权级指令与用户级指令的明确分离机制。这种分离确保了只有操作系统（或具有相应权限的特权程序）才能执行那些可能对系统状态产生广泛影响的特权指令，而普通应用程序则只能执行受限的用户级指令。RISC-V架构在设计时充分考虑到了这一需求，它不仅提供了完整的用户级指令集，用于支持常规的应用程序开发，还定义了详细的特权级指令集，以满足操作系统内核对硬件资源的直接管理和控制需求，便于开发者移植Linux和Unix系统到RISC-V平台。

三、怎么样——蓬勃发展，未来可期

RISC-V当下现状如何？

       潮盛浪高，砺行未休。当下，在时代的浪潮中，RISC-V崭露头角，但征程未竟，前路仍漫漫。

       蓬勃发展，但仍需探索。近年来，RISC-V技术和市场的发展速度远超预期。据2024 RISC-V中国峰会上发布的数据显示，截至2023年年底，RISC-V IP核的全球出货量已经达到了130亿颗，仅用十四年就达到了传统架构30年才达到的规模。据预测，2025年RISC-V架构芯片更有望突破800亿颗。另外，RISC-V得到了包括NVIDIA、谷歌、西部数据等多家行业巨头的支持，并已在众多产品中实现流片应用。尤值一提的是，在中国市场RISC-V的崛起尤为显著，RISC-V国际基金会的高级成员阵容中，中国企业占据了近半壁江山。国内企业如平头哥、华米、兆易创新等纷纷推出了商用的RISC-V产品，RISC-V架构也被视为是继X86、ARM架构之后，引领中国芯片产业迈向自主可控、多元化发展的“第三条道路”。

       尽管RISC-V备受市场青睐，但其应用目前主要集中在物联网、嵌入式系统及移动设备等耗能场景。在高端主控芯片及高性能服务器CPU等核心领域，x86和ARM架构依旧占据主导地位，RISC-V的市场接受度仍有待进一步提升。

       生态构建初具规模，仍在持续完善。X86占据了个人计算机和传统互联网生态，ARM占据了移动互联网生态，RSIC-V也在持续构建自己的生态。据统计，自2015年RISC-V基金会成立以来，基金会成员已从最初的270多个扩展到如今的3000多个，这不仅反映了全球范围内对RISC-V技术的广泛认可与支持，也预示着RISC-V生态体系的日益成熟与多元化。当前，达摩院玄铁团队已开启RISC-V “从10到100”的生态建设，该团队已成功将国际及国内多个主流操作系统，诸如安卓、Linux、OpenHarmony、Debian、Fedora、openKylin、创维酷开系统以及RTT等，全面适配于RISC-V架构，并在多款已量产的芯片平台上实现稳定运行。这一适配过程远非简单的系统迁移，而是深度融合了优化策略，聚焦于内核调整、编译工具链优化、基础库适配等多个维度，以确保RISC-V架构能充分发挥其性能优势并有效控制功耗。
 
RISC-V未来态势如何？

       凡益之道，与时偕行。随着新型算力需求激增，RISC-V正在迎来蝶变，即将进入应用爆发期。

       RISC-V将拓展到对算力、稳定性等指标要求更高的领域。如今，RISC-V的单核性能已经走高，可与ARM Cortex-A7对标，应用场景也拓展到了PC领域，首台搭载RISC-V架构的笔记本电脑已经面世。RISC-V不仅在物联网、边缘计算等领域展现出巨大市场需求，还将逐渐进入数据中心、高性能计算等“深水区”。 

       同时，伴随着AI爆发带来极大算力需求，以及RISC-V架构本身的深度开发与生态适配，RISC-V在AI计算领域也将展现出巨大潜力。各大公司都在进行与此相关的研究，如奕斯伟计算推出了全球首颗RISC-V边缘计算芯片EIC7700及RISC-V AI PC芯片EIC7902-C；Meta基于RISC-V架构推出了首代AI推理加速器MTIA；玄铁推出了全球首款针对AI的拓展处理器——C9系列处理器等。这些都表明RISC-V架构在AI领域的应用具有显著的优势。

       RISC-V行业的众多参与者与专家普遍持有一个共识，即RISC-V架构在未来将不仅仅局限于当前的应用领域，而是会更多往车载处理器、AI、机器学习、5G通讯等方向发展，迎来更加广泛且深入的高性能应用拓展。

四、结语

       RISC-V作为新兴的开源芯片架构，以惊人的速度从商业化的萌芽阶段迅速崛起。国际权威科技研究机构Omdia今年5月发布报告指出RISC-V架构充满希望，预计基于 RISC-V 的芯片出货量将从今年起“每年增加 50%”，在2030 年达到 170 亿芯片出货量，将占据全球 25% 的市场份额，其中应用最广的行业将是工业。

       《麻省理工科技评论》更是前瞻性地预言：“RISC-V，正引领一场芯片设计的革命性变革。”其独特的开放性和模块化的设计理念，以及无限的可扩展性，如同为开发者铺设了一条通往创新之路的大道，极大地降低了技术参与的门槛，激发了半导体产业前所未有的创新活力与机遇。随着技术曙光的初现，未来已触手可及，RISC-V或将在全球芯片设计的版图上，镌刻下自己不可磨灭的辉煌篇章。

参考资料：
1.一文读懂：什么是RISC-V？为啥它是国产芯崛起的关键？
2.终于有人把RISC-V讲明白了
3.RISC-V的前世今生
4.指令集、架构、处理器、内核，芯片之间的关系
5.Risc-V 前景如何？会形成与 x86、ARM 三分天下的局面吗？
6.Omdia：预计 2030 年 RISC-V 架构将占据 25% 市场份额
7.RISC-V突破不断 正强势崛起为芯片架构第三极
8. 5年9款CPU累计量产超40亿颗！玄铁RISC-V生态进入3.0时代！
9. RISC-V进入应用爆发期，AI领域展现应用潜力
10. RISC-V生态建设进入2.0时代