RISC-V商业化进程加速
本帖最后由 魏定国 于 2023-4-11 11:59 编辑RISC-V架构开源灵活，与ARM相比，具备成本低、可控性强等优势，但生态仍不完善。RISC-V将率先在32位MCU市场取得突破，预计2025年全球市场空间40亿美元。展望未来，RISC-V有望向智能驾驶、航空航天、AI超算等高端场景渗透。
核心观点：
技术层面，RISC-V由于其开源、灵活的技术架构，相比ARM内核具备成本、可拓展性、可控性等多方面优势：（1）RISC-V基础的ISA和IP核开源免费，并且从底层设计上模块化、允许自定义拓展，使得芯片设计厂商拥有更高的研发自由度，前期投入成本较低；（2）对于中国厂商来说，RISC-V不受海外巨头垄断，不存在“卡脖子”风险，并且即使从中长期看，出现类似ARM这样企业的可能性也较小，可控性强。
技术成熟度上，RISC-V仍处于发展早期，生态需要继续完善。虽然RISC-V现在的讨论热度很高，但是整个生态实际仍在建设初期，实践过程中在底层架构上还存在bug需要解决。此外，RISC-V架构的各类IP核还在不断扩充，目前的覆盖场景有限，所需要的基础开发平台、软件工具也在完善中，一定程度上阻碍了下游芯片的推广，相对来说在中低端应用市场有一定竞争力。
市场层面，RISC-V内核有望率先在32位以上的MCU市场取得突破，预计2025年全球市场空间超过40亿美元，国内市场空间超过80亿元。MCU广泛应用于物联网、工业控制、汽车电子、消费电子等市场，全球市场规模超过200亿美元，国内市场规模超过300亿元。市场格局上，ARM内核在CPU IP核占据主要份额，海外巨头在芯片产品端基本垄断市场。MCU的市场特点与RISC-V的技术架构特点相契合，尤其在大量应用ARM IP核的32位以上MCU产品具有较强成本优势，存在替代机会。对于国内市场来说，叠加中国对半导体核心技术自主可控的强烈愿望，有望伴随着国内MCU产品的国产替代进程引领全球发展脚步。
中长期看，RISC-V内核具备向智能驾驶、航空航天、AI超算等中高端场景渗透的潜力。跟踪RISC-V产业联盟及核心公司发展动态，近几年联盟不断发展壮大，国内的科研机构及公司参与积极度高，在底层国际标准制定上掌握一定话语权。从产业链角度，RISC-V CPU IP核是行业内研发热点，多家公司在64位以上高性能处理器核方向取得较大进展。中长期看，随着谷歌、高通、英特尔等巨头的参与推动，以及SiFive、平头哥等相关公司的持续研发推广，RISC-V的生态将逐渐完善并有望向智能驾驶、航空航天、AI超算等中高端场景渗透。
一、RISC-V：技术趋势分析
指令集是计算机系统中硬件和软件之间的交互规范标准，直接影响处理器的性能、功耗与可扩展性。RISC（简单指令集）相比CISC（复杂指令集）具备显著优势。RISC-V与ARM均属于RISC，两者均采用模块化设计，技术层面没有变革式突破。
核心优势在于开源而灵活的商业模式：ARM的ISA与IP核均需要付费使用，且近年来费用持续上涨。与ARM相比，RISC-V的核心优势在于商业模式。基础的ISA和IP核开源免费授权，再结合模块化设计、允许自定义拓展的理念，使得芯片设计厂的成本低于ARM。
（1）技术实力雄厚的芯片设计厂可以依托基础的ISA或IP核进行自定义拓展，开发出更符合产品需求的IP核，且可以把这个改良的IP核授权给其他芯片设计厂使用，并收取一定费用。因为基础的ISA免费，因此成本低于ARM模式。
（2）开发能力较弱的芯片设计厂可以直接使用免费的基础IP核，也可以付费使用其他厂商开发的改良IP核。因为不需要对基础的ISA付费，因此成本也低于ARM模式。
（3）从自主可控角度而言，ISA和基础IP核不存在被“卡脖子”的风险，适合国内企业。
（4）从竞争格局角度而言，RISC-V生态中注定不可能出现ARM这样的垄断企业。因此从长期来看，RISC-V生态更具有吸引力。
RISC-V仍处于发展早期，商业化能力偏弱：RISC-V生态实际仍在建设初期，实践过程中在底层架构上还存在bug需要解决，目前RISC-V的各类IP核还未完善，适配的基础软件也需开发，因此RISC芯片市场竞争力偏弱，一定程度上阻碍了下游芯片的推广。
1.1 指令集
指令集与处理器架构密切绑定，且承载软件生态：指令是计算机硬件可以直接识别的命令，由一串二进制数码组成。指令集主要规定了指令格式、寻址访存方式、数据类型、寄存器等，是计算机系统中硬件和软件之间的交互规范标准，直接影响处理器的性能、功耗与可扩展性。一方面，指令集对应着电路硬件中特定的结构（架构），二者密不可分，属于绑定关系；另一方面，需要在指令集兼容的基础上开发各类基础软件，并进一步构建应用生态。因此，指令集属于特殊的平台型技术/标准，技术门槛和市场门槛极高，需要大量芯片设计厂商、基础软件开发商、应用软件开发商、终端厂商等多方参与，共同构建并完善生态。
RISC指令集优势显著：指令集可以分为复杂指令集（CISC，Complex Instruction Set Computer）、简单指令集（RISC，Reduced Instruction Set Computer）两大类。从指令集角度来看，处理器的效率主要通过两种思路来提升：降低每个程序所需的指令数，或降低每条指令所需的时间周期数；CISC更偏重前者，而RISC更侧重后者。RISC架构的处理器运行方式更加灵活，功耗更低且便于迭代，成为21世纪以来所有新兴领域的绝对主流。
（1）CISC的设计思路是用尽可能少的指令来完成任务，因此指令往往较为复杂，1条指令需要多个计算机时钟周期才能完成。代表架构为X86架构，在PC、笔电、服务器等市场占据垄断地位。随着算力需求持续提升，CISC功耗高、迭代难度大的缺点越发显著，因此在智能手机等21世纪新兴的领域均不具备竞争力。
（2）RISC的设计思路是尽量简化指令，使1条指令能够在1个计算机时钟周期内完成，通过多条指令组合的方式来完成任务。RISC架构下处理器的运行方式更加灵活，功耗更低且便于迭代。代表架构为ARM、MIPS、RISC-V、Power-PC、Alpha等架构，其中ARM架构生态已高度完善，占据简单指令集约9成的市场；特别是在智能手机等消费电子领域，市占率接近100%。RISC-V近年来发展迅速，而MIPS、Power-PC等其他架构已基本被淘汰。
1.2 RISC-V
2010年，加州大学伯克利分校David Patterson教授（2017年图灵奖得主）带领团队设计并推出RISC-V指令集，并于2013年1月成功流片。RISC-V隶属于开放的、非营利性质的RISC-V国际基金会（RISC-V International，运营主体在瑞 士），采用宽松的BSD开源协议，企业完全自由免费使用；同时也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。RISC-V国际基金会自身只负责RISC-V指令集规范，既不做微架构设计，也不生产芯片。
核心优势在于开源而灵活的商业模式：站在芯片设计厂商的角度考虑，与ARM相比，RISC-V的优势主要在于开源而灵活的商业模式：
1）模块化，允许自定义拓展：RISC-V采用了模块化设计的思路，不同的组件可以灵活进行裁剪与增加，因此RISC-V架构可以根据需要进行灵活定制，优化并满足不同的应用需求，降低了开发门槛。作为对比，ARM虽然也采用了模块化的设计思路，但对自定义拓展的支持程度较低。一般而言，ARM会根据客户需求反馈进行迭代开发，丰富IP核的种类和应用场景，并维持高额收费的模式。
2）低成本：
ARM多重收费，芯片设计厂成本负担重：ARM采用的商业模式相对封闭。芯片设计厂商从ARM的“架构库”里挑选合适的IP核，需先向ARM支付一笔数十到数百万美元的许可费（Licensing Fee）才能得到授权，开始设计芯片；每次流片，都需向ARM支付一笔费用；芯片实现量产后，还要根据芯片的销售额缴纳1-2%的版税（Royalty）。此外，ARM还对部分客户征收合作费（Access Fee）或年费（Annual Fee），进一步加重了芯片设计厂商的负担。
RISC-V更加开放，芯片设计厂的成本降低：RISC-V采用宽松的BSD开源协议，企业完全自由免费使用。由于RISC-V采用模块化的设计理念，芯片设计企业可以在底层指令集的基础上，按需要自行开发指令集拓展模块或形成微架构，并可以收费授权其他企业使用。因此，RISC-V不是单纯的全部开源，而是给生态参与者留出了获益的空间，有助于激励更多企业和开发者参与生态建设。因此，在RISC-V生态中，自行开发微架构的芯片设计企业不需要额外支付授权费；而开发能力偏弱的芯片设计企业，如有需要可以付费使用其他企业开发的微架构，支付的费用比ARM模式要低。换言之，一旦生态得到完善，对于任何一家芯片设计厂而言，采用RISC-V架构的成本必然低于ARM。
3）指令精简，学习门槛低：与诞生于上世纪70-80年代的x86、ARM架构相比，RISC-V作为新生的指令集架构，没有历史包袱，不需要向后兼容各种历史版本。熟悉体系结构的工程师仅需几天便可通读全文，学习门槛更低，易于上手，缩短了处理器及编译器的研发周期。
作为国际化的开源指令集，对于中国企业意义重大：我国厂商在底层架构指令集和IP的设计上比较落后，因此多采用IP授权或指令集授权的方式开发CPU，面临着被“卡脖子”的风险，例如2019年ARM响应美国政策，终止与华为海思的合作，导致华为产品失去竞争力。RISC-V具备指令简单、灵活可扩展的特点，结合开源免费授权的运营模式，受到中国企业的大力支持，以华为、阿里为代表的企业成为RISC-V基金会的高级会员。
RISC-V仍处于发展早期，商业化能力较弱：RISC-V目前仍处于发展早期，各类IP核的开发还不完善，覆盖的应用场景也有限。从业内反馈来看，实践中出现多种问题，例如基础架构不支持I/O的虚拟化，需要另行开发支持这一功能的IP核；容易出现寻址模式错误等。此外，适配RISC-V的基础软件需要另作开发，进一步推高了前期研发成本，一定程度上影响了RISC-V芯片的市场竞争力。
二、RISC-V：
市场前景分析短期来看，RISC-V内核有望率先在32位以上的MCU市场取得突破，预计2025年全球市场空间超过40亿美元，国内市场空间超过80亿元。MCU广泛应用于物联网、工业控制、汽车电子、消费电子等市场，全球市场规模超过200亿美元，国内市场规模超过300亿元。市场格局上，ARM内核在CPU IP核占据主要份额，海外巨头在芯片产品端基本垄断市场。MCU的市场特点与RISC-V的技术架构特点相契合，尤其在大量应用ARM IP核的32位以上MCU产品具有较强成本优势，存在替代机会。对于国内市场来说，叠加中国对半导体核心技术自主可控的强烈愿望，有望伴随着国内MCU产品的国产替代进程引领全球发展脚步。
中长期看，航天计算机、智能汽车、AI等领域将成为高端市场的突破口。在ARM多年的垄断和压迫下，RISC-V架构已经获得谷歌、高通、英特尔等巨头的关注和支持，目前安卓生态正在为RISC-V架构提供系统适配，RISC-V有望通过安卓生态进入消费电子市场，并替代部分ARM的份额。另一方面，行业龙头SiFive在智能驾驶、航天计算机领域实现突破，打开了高端处理器市场的大门。
2.1 MCU市场2.1.1 MCU市场现状：
全球市场增速回暖，海外巨头地位稳固：根据IC Insights市场调研机构2022年最新的报告，2021年全球MCU的市场规模为202亿美元，同比增长27%，出货量为312亿颗，同比增长13%，平均销售单价0.65美元。
市场格局上，全球前5的供应商基本处于垄断地位，据统计，NXP、Microchip、Renesas、ST、Infineon五家公司合计占据约82.1%的市场份额，排名5-10名的德州仪器、Nuvoton、Rohm、三星和东芝则合计仅占据约11.4%的市场份额，前10名供应商合计占据约93.5%的市场份额。
按照应用场景划分，通用嵌入式应用MCU（包括智能手机、计算机、工控及消费品）占比约46%、汽车MCU占比约40%、智能卡（信用卡、借记卡、身份证等）及其他占比约14%，其中汽车MCU预计将成为未来5年MCU市场的最大增长点，复合增速为7.7%。
国内市场稳定增长，国产替代空间较大：根据IHS的统计数据，2021年的市场规模为290.3亿元，同比增长约8%，预计2022年市场规模将达到320亿元。从市场格局上，中国企业的市占率较小，以兆易创新、中颖电子、乐鑫科技、国民技术等为代表，合计占比不足20%。
按照应用场景划分，2020年，国内MCU应用场景分类和市场份额占比分别为消费电子（智能手机、家电、可穿戴设备等）26%、计算器网络19%、汽车电子16%、智能卡15%、工业控制11%、其他13%。
ARM、Intel从指令集架构上占主要份额：按照指令集区分，MCU所用指令集大类包括Cisc和RISC，2020年的市场占比分别为24%和76%，具体到内核的种类，Cisc阵营中，Intel的8051内核占比22%，RISC阵营中，ARM Cortex-M0占比20%、ARM Cortex-M3占比14%、ARM Cortex-M4占比12%、ARM Cortex-M0+占比5%、ARM Cortex-M23占比1%、RISC-V占比1%、其他占比24%，ARM内核合计占比达到约52%。
按照位数划分，MCU主要包括4位、8位、16位、32位，其中32位和8位的MCU产品占绝大部分份额，占比分别为54%和43%，4位和16位则分别仅占比2%和1%。
根据券商对国内外MCU主要供应商的产品型号统计，8位MCU产品，国内厂商采用8051内核为主，国外厂商则以自研内核为主。ARM内核主要应用于32位MCU产品，在国内外厂商的产品型号中均占据主要份额。此外，例如兆易创新、乐鑫科技、欧凌创新等少部分国内公司推出了基于RISC-V内核的MCU产品。
2.1.2 RISC-V在MCU市场机会及空间：
从发展成熟度上，8051、ARM等内核均为高度成熟的架构，RISC-V作为一个相对新兴的指令集，凭借其技术架构特点，在MCU市场具备一定的发展潜力。根据中国电子报统计，截至2022年末，我国大约有50款不同型号的国产RISC-V芯片量产，应用场景集中在电源管理、无线连接、存储控制、物联网等中低端场景。
技术架构上，RISC-V的开源生态带来前期投入的成本优势，与MCU市场特点相契合，32位以上的MCU预计将成为重要突破口：MCU市场的特点是细分的应用场景非常广泛，市场需求较分散，对于不同细分行业存在或多或少的定制化需求。因此，在MCU产品领域，权衡前期的投入成本和预期市场回报对于芯片设计厂商尤其是初创企业来说就更加意义重大。正如上文所述，得益于RISC-V的开源框架和联盟生态参与者的贡献，采用RISC-V内核从成本上具备较强竞争力。
基于不同型号MCU的内核采用情况，8位MCU产品除自研内核外，外购内核以8051为主。8051内核由Intel在1980年开发，该架构在1998年失去专利保护，多家厂商在该内核基础上进行改动后推出了各种差异化产品，目前8051MCU产品已经具备完整的生态系统和多个免费开源版本。因此，RISC-V内核相比竞争优势不大。32位MCU产品则以ARM内核为主，ARM对于IP授权的多重收费模式以及近几年不断的涨价越来越加重芯片设计厂商的负担，RISC-V相比ARM具备较强的成本优势，并且支持对于特定应用场景进行定制化指令设计，对于芯片设计厂商来说具有较强吸引力。尤其对于国内厂商，近几年愈演愈烈的中美贸易战和美国的科技制裁唤醒了中国对于核心技术自主可控的强烈愿望。在这样的背景下，RISC-V有望伴随着国内MCU产品的国产替代进程率先实现推广和发展。
预计至2025年，RISC-V内核在MCU芯片的全球市场规模超过40亿美元，国内市场规模超过80亿元。MCU市场主要被8位和32位MCU所占据，32位MCU相比8位MCU具备性能优势，随着工艺进步带来的成本和功耗逐渐下降，其市场份额具备逐步提升的趋势。若按照全球MCU市场在2025年达到300亿美元，32位MCU的市占率达到70%进行预测，如果RISC-V可以替代其中20%的市场份额，潜在市场空间就超过40亿美元。
若按照上文IHS对国内MCU市场2025年约400亿人民币的营收预测，按照32位MCU占比70%，RISC-V替代30%的市场份额进行计算，潜在市场空间可以达到约84亿元。
2.2 高性能处理市场
RISC-V开源免费的模式拥有巨大吸引力，而ARM的垄断地位和强硬的竞争策略已引发多方不满，因此谷歌、高通、英特尔等巨头也开始支持RISC-V进入64位及以上的高端市场，并积极参与构建生态。我们认为，RISC-V将以航天计算机等领域为起点，进入高端市场，长期来看有望在消费电子、数据中心、AI超算、智能驾驶等领域替代部分ARM和X86的市场份额。
海外巨头参与支持，以对抗ARM的行业垄断：指令集走向商业化，需要产业链各环节积极参与生态建设。目前RISC-V生态仍处于发展初期，配套的软件生态还不完善。近年来，ARM激进的竞争策略给RISC-V的发展带来了绝佳机会。ARM依托市场垄断地位，持续提升授权费的定价，与高通、谷歌等关键合作伙伴频繁产生摩擦，引发长期的诉讼战。2023年1月，谷歌宣布将致力于安卓系统全面适配RISC-V（64位）；面对ARM提出“2024年终止授权合同”的威胁，高通开始加紧研发RISC-V架构的芯片；2022年，英特尔加入RISC-V基金会，并寻求收购RISC-V领域的独角兽SiFive（目前已被拒绝）。以上国际巨头的支持，将有力推动RISC-V的生态建设进程。
RISC-V联盟不断壮大，国内科研机构和企业参与积极度高：RISC-V架构由于其开源模式主要采用产业联盟的模式进行管理和发展，目前全球最大的联盟是RISC-V基金会，国内则以中国RISC-V产业联盟、中国开放指令生态（RISC-V）联盟为主：
（1）RISC-V基金会
2015年，RISC-V基金会成立，负责RISC-V指令集架构及其软硬件生态的标准化、保护和推广。最初的基金会董事由来自Bluespec、谷歌、Microsemi、英伟达、NXP、加州大学伯克利分校和西部数据的7名代表组成，创始成员36名。
发展至今，RISC-V基金会已经有大约3180名会员，在目前25家最高级别的Premier Menmbers会员中，中国厂商的数量达到14家，包括：阿里云、晶心科技（Andes）、北京开源芯片研究院、成为资本、海河实验室、华为、Imagination（已被中资收购）、ISCAS（中国科学院软件研究所）、RIOS实验室（隶属于清华-伯克利深圳研究院）、中兴、赛昉科技、希姆计算、展锐、腾讯。
（2）中国RISC-V产业联盟
2018年9月，中国RISC-V产业联盟在上海成立，由芯原股份、芯来科技、上海赛昉科技、杭州中天微、北京君正、兆易创新、致象尔微电子、乐鑫科技、时芯电子、紫光展锐、地平线、晶晨半导体、华大半导体、格易电子、上海高性能集成电路设计中心、上海集成电路行业协会、上海物联网行业协会等单位共同发起，芯原股份担任联盟理事长。
（3）中国开放指令生态（RISC-V）联盟
2018年11月，中国开放指令生态（RISC-V）联盟依托中科院计算所在浙江乌镇召开的世纪互联网大会上宣布成立，由理事长中科院计算所倪光南院士担任理事长，副理事长单位包括：阿里、百度、北京大学、长虹集团、华为、清华大学、腾讯、中科院微电子所、紫光展锐。
RISC-V CPU IP核是行业内研发热点，在64位以上高性能处理器核方向取得较大进展。跟踪多家国内外RISC-V相关公司的发展情况，SiFive、平头哥等行业头部公司从基础软硬件平台开发、底层行业标准制定等多个方向正在为RISC-V的发展而努力并且已经取得一定的产业化进展，64位以上高性能处理器核是主要发力点。
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