倪光南：未来主流CPU架构格局中，RISC-V将与x86、Arm三分天下

2021年12月20日，第十六届“中国芯”集成电路产业促进大会在珠海举行。 中国工程院院士倪光南在会上指出，目前CPU市场主要被x86和Arm架构所垄断，而中国想要打破这个局面，实现自主可控，开源的RISC-V架构将是一大机遇和发展方向。在未来 世界主流CPU架构格局中，RISC-V架构将有望达到三分天下有其一。

资料显示，RISC是一种精简指令处理器，其起源于美国加州大学伯克利分校的EECS部门的计算机科学部门的David Patterson教授及其团队的一项课题研究的产物。RISC-V则是David Patterson教授团队研制发的第四代精简指令处理器架构。

而David Patterson教授研究RISC，主要是由于当时英特尔、Arm等CPU厂商对于CPU架构的授权要求较高，授权费也非常高昂，有没有其他的开源的或者免费的CPU可以使用，因此决定从零开始设计一套全新的CPU架构，在RISC-V设计成功之后，已将其免费开源。

但随着2018年中兴事件的爆发，特别是在2019年华为被美国列入实体清单之后，由于Arm有研发中心在美国，导致了Arm在当时也不得不遵循美国禁令，暂时对华为进行了断供。由此进一步引发了中国乃至全球厂商对于开源的不受限制的RISC-V架构的追捧。

根据RISC-V基金会的数据显示，目前其会员已有超过2000家，覆盖了70个国家。而在此之前的2018年，则只有不到200家左右的会员，足见RISC-V近几年发展之迅猛。这也与中国厂商的大力支持密不可分。

目前，在RISC-V基金会仅有的14家最高级别的会员当中，中国厂商就占据了9家。包括阿里巴巴（平头哥半导体）、华为、中兴、赛昉 科技 、紫光展锐、西姆计算、中国科学院软件研究所（ISCAS）、中科院计算所（ICT）、成为资本。另外，在RISC-V基金会的战略会员中，中国厂商也是非常之多。

去年，RISC-V基金会总部已经已从美国迁往瑞士，此后可摆脱美国贸易制裁的影响。这也进一步解除了国内对于发展RISC-V的后顾之忧。

根据Semico Research预测，到2025年，RISC-V CPU内核的出货量将达到624亿个，2018-2025年复合年增长率高达146.2%。其中在工业领域将以167亿个核心的出货量居于领先位置。

以下为倪光南院士演讲实录（略有修改）：

各位领导、各位嘉宾、女士们、先生们

大家下午好！

很高兴受邀参加2021第十六届“中国芯”集成电路产业促进大会暨中国芯优秀产品征集结果发布仪式。

众所周知CPU（中央处理器）架构是芯片产业链的龙头，它不仅决定了CPU的性能，而且在很大程度上引领了整个芯片产业。尤其是对设计人才培养、设计工具（EDA）、芯片IP库、应用生态等环节有重大影响，此外，也影响到芯片的生产、测试、封装等等环节。近年来包含微处理器的SoC产品在芯片产品中的比重已增大到70%以上，这说明CPU架构对芯片产业的影响正继续增长。

中国芯片产业经过这些年的发展，一些企业已经在业界取得了很大的成就，目前市场上已经有多家国产CPU架构并存（例如飞腾、华为、申威、龙芯、海光、兆芯等等）。不过从长远看，主流的CPU架构具有很强的垄断性，今后世界市场上主流CPU大概率是被x86和ARM两家所垄断，而它们都是美国公司的产权。由此可见，我国现存多种CPU架构并存的格局难以取得竞争优势，这样我国芯片业最终仍然很难摆脱受制于人的局面。

近年，一种新兴的、开源RISC-V精简指令集CPU架构为我们芯片业发展提供了机遇。RISC-V架构由美国加州大学伯克利分校计算机科学部门于2010年发明，它采用开源模式，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、或商业销售、或更换其他许可协议、或完全闭源使用。

去年，领导这个开源社区的RISC-V基金会已从美国迁往瑞士，可摆脱美国贸易制裁的影响。该芯片的领军人物David Patterson教授已在深圳与清华建立联合实验室。这几年，我国产学研用各界通过评估和试用，普遍认为RISC-V架构先进，功能完善，有可能在AI、IoT、大数据、云计算等等新一代信息技术领域获得市场优势，从而在未来世界主流CPU架构格局中，达到三分天下有其一。

为此，建议我国可适当聚焦RISC-V架构发展芯片产业，使我们能抓住快速发展中国芯片产业的机遇，并不受外国垄断架构的制约，将芯片业发展主动权牢牢掌握在我们自己手中。鉴于RISC-V采用开源模式，这并不需要大量资金投入，而主要是确立技术路线，组织和调动好开源社区，开源人才，进行相应的政策引导等等，以充分发挥我国举国体制优势，丰富的人才优势和超大规模市场优势。

我们高兴地看到，在开源领域，我国 科技 人员已经创建了一些开源社区，并拥有了相当话语权甚至一定的主导权，例如OpenEuler、OpenHarmony等等，这表明中国开源界正在实现新的创新突破，逐渐从开源大国走向开源强国。在这样的大背景下，近期，我们正在和软件所、一些高校和企业等同团中央的中国光华 科技 基金会共同策划，发起成立RISC-V生态专项基金，期望能得到 社会 各界的大力支持，快速形成推进中国RISC-V开源芯片发展的动力，使其成为支撑我国信息技术体系的一块基石。希望借助开源的强大生命力，在推动本国 科技 事业发展的同时，也为世界开源界作出卓越贡献。

最后，让我们芯片业界和与世界同行一道，拥抱RISC-V开源芯片新潮流，充分利用开源模式，协同世界开发者共同推进开源RISC-V的发展，同时为快速发展我国芯片产业、为构建人类 科技 命运共同体而做出贡献！

谢谢大家！

精简的高端 解析四大RISC服务器处理器:

IBM：Power的力量

IBM共拥有四条处理器产品线 —— POWER 体系结构，PowerPC 系列的处理器，Star 系列(很少用于服务器中)，以及 IBM 大型机上所采用的芯片。

POWER 是 Power Optimization With Enhanced RISC 五个单词的缩写，是 IBM 的很多服务器、工作站和超级计算机的主要处理器。POWER 芯片起源于 801 CPU，是第二代 RISC 处理器。POWER 芯片在 1990 年被 RS 或 RISC System/6000 UNIX 工作站(现在称为 eServer 和 pSeries)采用，POWER 的产品有 POWER1、POWER2、POWER3、POWER4，现在最先进的是 POWER5。POWER6计划在今年年中发布。

PowerPC 是 Apple、IBM 和摩托罗拉(Motorola)联盟(也称为 AIM 联盟)的产物，它基于 POWER 体系结构，但是与 POWER 又有很多的不同。例如，PowerPC 是开放的，它既支持高端的内存模型，也支持低端的内存模型，而 POWER 芯片是高端的。最初的 PowerPC 设计也着重于浮点性能和多处理能力的研究。当然，它也包含了大部分 POWER 指令。很多应用程序都能在 PowerPC 上正常工作，这可能需要重新编译以进行一些转换。

从 2000 年开始，摩托罗拉和 IBM 的 PowerPC 芯片都开始遵循 Book E 规范，这样可以提供一些增强特性，从而使得 PowerPC 对嵌入式处理器应用(例如网络和存储设备，以及消费者设备)更具有吸引力。PowerPC 体系结构的最大一个优点是它是开放的:它定义了一个指令集(ISA)，并且允许任何人来设计和制造与 PowerPC 兼容的处理器为了支持 PowerPC 而开发的软件模块的源代码都可以自由使用。最后，PowerPC 核心的精简为其他部件预留了很大的空间，从新添加缓存到协处理都是如此，这样可以实现任意的设计复杂度。

IBM 的 4 条服务器产品线中有两条与 Apple 计算机的桌面和服务器产品线同样基于 PowerPC 体系结构，分别是 Nintendo GameCube 和 IBM 的“蓝色基因(Blue Gene)”超级计算机。现在，三种主要的 PowerPC 系列是嵌入式 PowerPC 400 系列以及独立的 PowerPC 700 和 PowerPC 900 系列。而PowerPC 600 系列，是第一个 PowerPC 芯片。它是 POWER 和 PowerPC 体系结构之间的桥梁。现在的PowerPC970，采用0.13微米SOI工艺制造，其内只有一颗CPU核心，带有512K 芯片内L2 cache。

HP：放弃Alpha

HP(惠普)公司自已开发、研制的适用于服务器的RISC芯片——PA-RISC，于1986年问世。目前，HP主要开发64位超标量处理器PA-8000系列。第一款芯片的型号为PA-8000，主频为180MHz，后来陆续推出PA-8200、PA- 8500、PA-8600、PA-8700、PA-8800型号。还有一个就是HP的“私生子”Alpha。(Alpha处理器最早由DEC公司设计制造，在Compaq公司收购DEC之后，Alpha处理器继续得到发展，后来又被惠普公司收购)

HP于2002年开始就公布了其两大RISC处理器——PA-RISC和Alpha的发展计划，其中PA-RISC与Alpha处理器至少要发展到2006年，对基于其上的服务器的服务支持将至少持续到2011年。2006年，HP将会推出PA-8900。而对于Alpha的发展，惠普公司于已经于2004年八月份发布了其面向 AlphaServer Unix服务器的最后一款处理器产品——EV7z。

SUN：RISC/X86左右通吃

1987年，SUN 和TI公司合作开发了RISC微处理器——SPARC。Sun公司以其性能优秀的工作站闻名，这些工作站的心脏全都是采用Sun公司自己研发的SPARC芯片。SPARC微处理器最突出的特点就是它的可扩展性，这是业界出现的第一款有可扩展性功能的微处理。SPARC的推出为SUN赢得了高端微处理器市场的领先地位。

1999年6月，UltraSPARC III首次亮相。它采用先进的0.18微米工艺制造，全部采用64位结构和VIS指令集，时钟频率从600MHz起，可用于高达1000个处理器协同工作的系统上。UltraSPARC III和Solaris操作系统的应用实现了百分之百的二进制兼容，完全支持客户的软件投资，得到众多的独立软件供应商的支持。

根据Sun公司未来的发展规划，在64位UltraSparc处理器方面，主要有3个系列，首先是可扩展式s系列，主要用于高性能、易扩展的多处理器系统。目前UltraSparc Ⅲs的频率已经达到750GHz。将推出UltraSparc Ⅳs和UltraSparc Ⅴs等型号。其中UltraSparc Ⅳs的频率为1GHz，UltraSparc Ⅴs则为1.5GHz。其次是集成式i系列，它将多种系统功能集成在一个处理器上，为单处理器系统提供了更高的效益。已经推出的UltraSparc Ⅲi的频率达到700GHz，未来的UltraSparc Ⅳi的频率将达到1GHz。最后是嵌入式e系列，为用户提供理想的性能价格比，嵌入式应用包括瘦客户机、电缆调制解调器和网络接口等。Sun公司还将推出主频300、400、500MHz等版本的处理器。

SGI：转向嵌入式

MIPS技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商，在RISC处理器方面占有重要地位。1984年，MIPS计算机公司成立。1992年，SGI收购了MIPS计算机公司。1998年，MIPS脱离SGI，成为MIPS技术公司。

MIPS公司设计RISC处理器始于二十世纪八十年代初，1986年推出R2000处理器，1988年推R3000处理器，1991年推出第一款64位商用微处器R4000。之后又陆续推出R8000(于1994年)、R10000(于1996年)和R12000(于1997年)等型号。

随后，MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。1999年，MIPS公司发布MIPS32和MIPS64架构标准，为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了所有原来NIPS指令集，并且增加了许多更强大的功能。MIPS公司陆续开发了高性能、低功耗的32位处理器内核 (core)MIPS324Kc与高性能64位处理器内核MIPS64 5Kc。2000年，MIPS公司发布了针对MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc处理器内核。

MIPS技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和 64位处理器的厂商。1986年推出R2000处理器，1988年推出R3000处理器，1991年推出第一款64位商用微处理器R4000。之后，又陆续推出R8000(于1994年)、R10000(于1996年)和R12000(于1997年)等型号。1999年，MIPS公司发布MIPS 32和MIPS 64架构标准。2000年，MIPS公司发布了针对MIPS 32 4Kc的新版本以及未来64位MIPS 64 20Kc处理器内核。

小结：

RISC在去除了繁杂的指令集之后，得到的是精简，而在2005年5月，当惠普向业界发布其最新的PA-RISC 8900处理器的时候明确宣布，这将是惠普最后一颗RISC处理器版本之后；紧接着，SGI宣布，连同其Origin服务器产品线一起终止了其RISC芯片(MIPS)的研发。

RISC阵营一下缩小到仅剩Sun和IBM两家，尽管这两家还丝毫没有放弃RISC发展的迹象，但不可否认的是，Sun之前曾经出现过短暂的犹豫，并且一向比较“执拗”的Sun也已经向X86敞开了大门，AMD Opteron芯片已经迅速占据其显著的业务比重。而X86领域在性能上已经渐露锋芒，而高端的安腾也逐步在应用方面站稳脚跟。

英特尔一上一下两股实力朝着RISC阵营杀将过来的时候，IBM的POWER 6处理器也蓄势待发，究竟RISC如何来面对新的挑战，我们将拭目以待。

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