解读两大精简指令集:RISC-V和MIPS

孔明

当前CPU的两大架构是CISC(复杂指令集)和RISC(精简指令集)，x86是CISC的代表架构，占领了95%以上的桌面计算机和服务器市场。Arm作为RISC的一种，在智能手机、可穿戴设备等移动处理器市场占领主要地位。针对物联网、5G、AI新兴领域的应用，RISC-V和MIPS两大精简指令集架构再次登上历史舞台。

-RISC-V -

RISC-V简介

RISC-V是由U.C. Berkeley开发的自由和模块化的RISC指令集，“V”包含两层意思，一是这是Berkeley从RISC I开始设计的第五代指令集架构，二是它代表了变化(variation)和向量(vectors)。

David Patterson教授带领研制的五代RISC处理器

2015年12月的Nature网站上，由U.C. Berkeley等几个大学的研究人员主导的一个开发团队发表了一篇文章。文章中研究人员用标准的CMOS工艺制造了同时集成了RISC-V指令集的CPU和片上光通信器件的微芯片。这标志着不久的未来，微电子芯片的接口速率将会大幅的提高，不再受到原先电接口IO的速率限制。

不同于x86、Arm架构高昂的IP费用，RISC-V架构使用BSD开源协议给予使用者很大自由，允许使用者修改和重新发布开源代码，也允许基于开源代码开发商业软件发布和销售。

RISC-V发展

对于任何新技术，尤其是一项开放标准，从技术、生态系统、芯片和系统开发人员的平台选择、安全性、软件等等，以及投资，这些都是把伟大的想法转化为商业成功以及行业广泛应用漫漫长路上的垫脚石。从2015年RISC-V Workshop的召开、RISC-V基金会的成立到2018年成立的中国RISC-V产业联盟，以及2018年底举办的全球首届RISC-V Summit，这一系列的动作都说明了RISC-V展开的如火如荼，当然，RISC-V商业化路上也离不开企业的推动和国家政策的大力支持。

1、RISC-V Workshop

从2015年开始，每半年一次Workshop上已经能够看到很多有意义的项目。如Berkeley开发了多款开源的处理器，可以覆盖从高性能计算到嵌入式等应用领域，并孵化出了初创公司SiFive并获得了风投。

2、RISC-V Summit

2018年12月3-6日在硅谷举行全球首届RISC-V Summit峰会，有1000多位芯片设计相关的软件和硬件专业人士参加峰会。

3、RISC-V基金会

RISC-V基金会创立于2015年，是一家非盈利性组织，致力于促进免费开源的RISC-V指令集架构的应用与实施。RISC-V基金会成员可以访问并参与RISC-V ISA规范和相关HW / SW生态系统的开发。RISC-V基金会由200多家成员组织组成，包括加州大学伯克利分校、麻省理工学院、普林斯顿大学、苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)、印度理工学院、洛伦兹国家实验室、新加坡南洋理工大学以及中国科学院计算技术研究所等科研机构;包括高通、英伟达、NXP、三星、Microsemi、美光、台积电、芯原、中兴微电子、华为海思、联发科、高云半导体等半导体厂商;包括谷歌、IBM等IT公司;包括西部数据、希捷两大硬盘厂商;还有SEGGER、Mentor Graphics、Express Logic等做开发工具的厂商;包括厦门半导体投资集团等投资公司。

2018年度RISC-V基金会重要事件

4、中国 RISC-V 产业联盟

2018年9月，中国RISC-V产业联盟在上海张江成立，由上海芯原、芯来科技、上海赛昉科技(SiFive China)、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、展讯通信、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，上海芯原担任联盟首任理事长单位。

中国RISC-V产业联盟的宗旨为:汇聚优势资源，以市场机制为主体，辅以适度统筹协作，提升中国在RISC-V标准和技术开发中的参与度，加快完善国内RISC-V“IP核-芯片-软件-整机-系统”产业生态体系，同时促进中国产业界、学术界、投资界对RISC-V产业发展支持。中国RISC-V产业联盟将从以下几点着手相关工作:一是搭建产业交流平台，推动RISC-V 广泛应用;二是推动RISC-V 人才培养，建立高校培养计划;三是推动会员协同发展，建立长效合作机制;四是承接RISC-V 全球基金会活动，深化国际合作交流。

5、国家政策/战略

2017年，印度政府表示将大力资助基于RISC-V的处理器项目，使RISC-V成为了印度的事实国家指令集。

以色列国家创新局(Israel Innovation Authority)选择基于RISC-V研制为全国企业服务的处理平台，创建了RISC-VGenPro 孵化器。

美国国防高级研究计划局(DARPA)推动开源IP的项目有五个:为嵌入式计算进行的功效革命(PERFECT)、实现更快速集成电路(CRAFT)、通过硬件和固件实现系统安全集成(SSITH)、Posh开源硬件(POSH)和电子资产的智能设计(IDEA)，其中CRAFT、POSH、IDEA项目明确指明需要基于RISC-V指令集进行开发。

上海成为国内第一个将RISC-V列入政府扶持对象的城市。2018年6月，上海市经济信息委发布了《上海市经济信息化委关于开展2018年度第二批上海市软件和集成电路产业发展专项资金(集成电路和电子信息制造领域)项目申报工作的通知》，其中有一项内容便是将从事RISC-V相关设计和开发的公司作为扶持对象。

孔明

6、代表企业进展

(1)SiFive

2015年7月，RISC-V开创者KrsteAsanovic、Yunsup Lee和Andrew Waterman创建SiFive公司，加速RISC-V的商业化进程。目前三分之一的员工为RISC-V研发团队的成员。2017年5月8日，SiFive宣布完成850万美元B轮融资。2018年4月2日， SiFive宣布完成5060万美元的C轮融资，参与C轮融资的包括SiFive的现有投资者Sutter Hill Ventures、Spark Capital、Osage University Partners，以及新投资者Intel Captical、Chengwei Capital，还包括Huami、SK Telecom和Western Digital等行业内的公司。

SiFive目前有两类产品:一类是RISC-V指令集的Core IP;另一类是Freedom SoC设计，包括面向低成本的Freedom Everywhere平台(为微控制器、嵌入式产品、物联网和可穿戴应用而设计)及面向高性能的Freedom Unleashed平台(机器学习、存储和网络应用)。

SiFive已经与多家国际知名半导体厂商建立起了深度合作关系。如西部数据(Western Digital)宣布其计划研发的所有产品中的存储器控制芯片都将采用RISC-V的IP，预估未来年出货量将达到20亿个核;韩国FADU公司的SSD控制级芯片将采用SiFive Core IP。

(2)西部数据

2017年11月，西部数据首席技术官马丁•芬克(Martin Fink)在第七届RISC-V工作组会议宣布西部数据产品中，每年使用的10-20亿个处理器核心，将会替换为RISC-V处理器核。西部数据同时是AI芯片初创公司Esperanto的投资合作伙伴之一，Esperanto旨在开发基于RISC-V的高效节能、高性能计算解决方案。

2018年12月，西部数据针对去年推出的RISC-V处理器计划发布了三项重要公告，公布了基于RISC-V指令集的自研通用架构SweRV和开源的SweRV指令集模拟器(ISS)，以及基于以太网OmniXtend的缓存一致性技术。西部数据预计硬件和软件将用于大数据和快速数据应用的各种解决方案，包括闪存控制器和SSD。

SweRV架构

西部数据将从2019年第一季度开始将SweRV架构作为开源产品提供给第三方，希望通过第三方的使用，推动硬件和软件开发人员最终采用RISC-V指令集。

SweRV指令集模拟器(ISS)

该程序使软件设计人员能够在SweRV内核上模拟其代码的执行，简化程序的开发，这对于推动RISC-V的采用非常重要。

OmniXtend技术

该技术由西部数据与SiFive共同开发，可实现以太网上的缓存一致性。西部数据希望这一技术可以为处理器附加非易失性内存，但同时表示这种以内存为中心的架构也可用于CPU、GPU、FPGA和机器学习加速器等其他组件。

(3)华米科技

2018年9月，华米科技发布全球智能可穿戴第一颗人工智能芯片:黄山1号片，采用RISC-V架构而非ARM架构，因此也是全球第一款RISC-V开源指令穿戴处理器。在RISC-V架构里面，华米加入自己的AI引擎，分成四个部分:包括两个心电图引擎、一个生物特征识别引擎、一个心率的心脏病识别的引擎。其中，生物识别引擎可根据每个人的心脏情况，判断测试者是不是机主本人。黄山1号已经流片成功，预计在2019年上半年正式商用。


RISC-V从2015年开始大有破竹之势，相继吸引来 IBM、NXP、西部数据、英伟达、高通、三星、谷歌、华为与特斯拉等上百家科技公司加入其阵营，行业也不断在围绕它构建生态系统，对 Arm造成了巨大的冲击。但是，MIPS作为其对手，在商业化道路上也证明了自己的实力，自 2000 年以来，基于 MIPS 的 CPU 芯片出货量达到了 85 亿之多，现在重回开源，遵循“大道至简”之路，不知谁会胜出，花落谁家?下篇将MIPS展开简单叙述。

孔明

如果说RISC-V是从学院走出来的新兵，那MIPS就是商场摸爬滚打多年的老兵，下面来谈谈想当中国Arm的MIPS。

-MIPS -

MIPS简介

MIPS全名为“无内部互锁流水级的微处理器”(Microprocessor without interlocked piped stages)，是基于精简指令集(RISC) 的衍生架构之一，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。它最早是在80年代初期由斯坦福大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。

MIPS发展

MIPS指令集与MIPS公司的发展密不可分，商业化之路可谓是命运多舛。

1981年，美国斯坦福大学的John Hennessy教授发布了第一款MIPS芯片。

1984年，John Hennessy教授离开斯坦福大学，创立MIPS Computer Systems Inc.。1986年推出R2000芯片。1988年推出R3000芯片。

1989年，MIPS Computer Systems Inc.上市，专注于工作站。

1991年，MIPS公司发布了世界上第一款64位处理器R4000。

1992年，Silicon Graphics Inc.(SGI)并购了MIPS Computer Systems Inc.，成立MIPS技术公司(MTI)，1994年推出R8000，1996年推出R10000,1997年推出R12000处理器。

1998年，从SGI中分拆后，MIPS Technologies Inc.再次上市，其战略发生变化，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。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。

2002年，中国科学院计算所开始研发龙芯处理器，采用MIPS架构，但未经MIPS公司的授权，遭到侵权的控告。

2009年，中国科学院与MIPS公司达成和解，得到正式授权。龙芯购买了MIPS的结构授权，也就是所谓的指令集系统。并且后面又追加了永久买断MIPS的授权。

2012年，MIPS另外498项专利已经以3.5亿美元的价格出售给Bridge Crossing LLC集团(ARM公司的母公司)。

2013年，英国Imagination公司以6000万美元现金收购MIPS公司。Imagination全数获得了MIPS的操控权，包括82项MIPS架构的关键专利技术，授权下发了所有MIPS其余的专利，作为Imagination的一部分，MIPS处理器架构仍将持续发展。

2017年，Imagination以6500万美元出售旗下位于美国的嵌入式处理器分部MIPS给Tallwood MIPS，Tallwood MIPS由美国加州投资公司Tallwood Venture Capital间接拥有。

2018年6月，人工智能芯片初创企业Wave Computing收购MIPS。

2018年12月，Wave Computing宣布MIPS架构即将开源。

MIPS生态系统

要打造有竞争力的处理器，所使用的架构不仅要是全球范围的一个通用架构，还要获得良性生态的支持。从RISC-V Workshop、RISC-V基金会到中国RISC-V产业联盟，以及全球首届RISC-V Summit，RISC-V的商业化之路更像是蓄谋已久，突然之间火力全开，全面建设生态系统。

不同于RISC-V的发展，迄今为止，已有85亿多片基于MIPS架构的芯片在数千种商业解决方案中交付使用。MIPS没有基金会、峰会，有的只是2016年MIPS公司加入Linux基金会成为基金会的成员之一，以及不温不火基于MIPS架构的设计研讨会，更多像是产品宣传会。MIPS一直在夹缝中求生存，从工作站、桌面电脑到嵌入式系统，再到人工智能。

从MIPS布局来看，MIPS在服务器、网络中的应用相对稳定，但市场份额变化处于未知数。在移动市场几乎已经看不到希望，而在新兴的智能硬件领域暂时还没有一个巨头型玩家脱颖而出。

Wave Computing宣布即将开放MIPS架构，为全球的半导体企业、开发人员及高校提供免费的MIPS架构，供其开发下一代SOC。MIPS架构开放计划将为所有参与者免费提供最新的32位和64位 MIPS架构，且不产生架构授权费和版权费，同时也为所有MIPS架构的使用者提供其在全球范围内几百项现有专利的保护。

孔明

MIPS架构演进图

此次开源计划针对的是MIPS R6指令集，这是MIPS的一个近乎全新的指令集，对此前MIPS的架构做了大量的优化工作，内核也是经过重新设计。MIPS之前积累的生态优势未必能发挥出来。而且尽管MIPS为早期MIPS版本的客户提供兼容工具，移植过程仍可能会有大量移植工作量。

MIPS拥有博通、Cavium、英特尔(Mobileye)、龙芯、炬力、君正等行业领军角色的支持。MIPS有大量优质成熟的工具、软件环境和专利，其指令集开源对整个MIPS生态系统来说是好事，而对国内的公司来说可能也是一次机会。龙芯之前是一次性买断了MIPS指令集授权，然后自己开发、扩展指令集，但是这样做有个很大的问题就是生态系统不容易建立，只靠龙芯自己去推动龙芯生态系统的建设是不可能的。借于此次MIPS开源，希望能推动在国内的发展。

孔明

来自《半导体行业观察》第1885期内容