▲晶心科技总经理林志明和晶心科技执行副总及技术长苏泓萌博士
芯片指令集架构（IP）是沟通软硬件运算之间的桥梁，是处理器的灵魂。
根据市调机构 Markets and Markets 日前的预估，截至 2020 年为止，全球半导体 IP 市场规模将达 56.3 亿美元，而 2014 至 2020 年全球半导体 IP 市场的年复合成长率达 12.6% 的情况下，全球半导体 IP 市场未来仍有很大的成长空间。
RISC-V架构为何能异军突起挑战ARM？
曾几何时，指令集架构百花齐放、各具优势，但是随着商业竞争的发展，商用半导体IP的数量越来越少。目前最主流的IP包括ARM、Intel的X86架构。
其中ARM在中国有100多位合作伙伴，2017年基于ARM生产的芯片产品有170亿颗，有业内人士预测在物联网时代，基于ARM架构芯片将达到万亿级别。
尽管市场普及度最高，不过ARM作为一款商用IP，仍然存在不少问题。传统的ARM的IP售价是很贵的。并且每个版本的发布时间也是很长，同时也让创新门槛变高，只有大公司才能买到IP，很难快速响应边缘化的计算需求。
由于不满ARM等处理器架构的复杂性和相关知识产权的限制，在现代计算机架构先驱John Hennessy与David Patterson的推动下，伯克利大学决定发明一种全新的指令集架构，可以被任何学术机构或商业组织自由使用。
RISC-V最初为非营利组织RISC-V基金会所制定的开源指令集架构(ISA)。由于RISC-V具备精简、模块化及可扩充等优点，除了在学术机构被广泛作为教育研究教材，近期在各种重要应用领域迅速兴起。
2016年，RISC-V成立了基金会，初创企业包括Google、西部数据、台湾晶心、联发科、杭州中天、华为等。目前RISC-V基金会成员已超过200, 包含国际知名的系统公司、半导体公司、 硅智财公司、软硬件发展工具公司及柏克利、MIT等名校。如阿里巴巴、华米、乐心，还有一些系统整合的公司都加入进来。
传统的ARM指令集是不允许做扩展，但是RISC-V是方便做可扩展的。另外RISC-由于是后发的架构，在技术上非常精简且容易实现。这些特点吸引了很多大公司为其站台。RISC-V基金会每年会进行两到三场RISC-V的研讨会，每一次都会有大公司和知名大学来主办主场。
其中西部数据公开宣传将替换其所有产品的处理器为RISC-V，Nvidia表示将用RISC-V来做GPU内部控制内核。三星寻求用RISC-V来做微控制器内核；CEVA寻求用RISC-V来做MCU控制内核。Micron则宣布用RISC-V来做存储器芯片内控制器核。
目前已经商用量产的RISC-V芯片，包括美国的Sifive，采用Linux处理器核，另一款是Greenwaves IoT应用处理器，这是欧洲公司推出的非常低功耗的IoT处理器，也是采用RISC-V的处理器。
相对国外公司来说，国内大型的芯片公司采用RISC-V架构的还比较少。在中美贸易战的大背景下，国产芯片开始追求自主可控的芯片指令集架构。国外的指令集架构本质上是一种授权付费的，很难实现国产自主。如果国家自己定义一套指令集架构没有太大意义，因为处理器架构必须是全球范围的一个通用架构，必须获得生态支持。
目前国产芯片中，飞腾——国防科大、展讯、华为、华芯通主要采用ARM V7/V8-A架构，北大众志、兆芯、海光主要采用X86架构，龙芯、君正采用MIPS架构、中晟宏芯采用IBM Power8架构、申威则采用DEC的Alpha 21164架构。据了解，目前华为海思也在低调的研发RISC-V架构的芯片，只是没有对外公布进度。
RISC-V架构的初衷是开源免费的，可以被任何学术机构和商业组织使用。但是不可避免的，由于大企业的进入，RISC-V与ARM的竞争愈演愈烈。如果要比较两种架构的话，ARM可能有10000个客户，而RISC-V可能只有几百个客户，在生态上当然是ARM更强大，相对应的ARM还会提供各种开发工具包和编译器。跟RISC-V相比，事实上还有不少非主流的开源IP,比如Power PC、MIPS等。笔者认为，这两种架构各具优势。在数据中心这一块，X86仍占据优势，手机、平板等对生态要求较高的单一性市场领域，ARM的垄断优势将长期存在；而在新兴的领域，如IoT、AI、边缘计算等，RISC-V则具有爆发潜力。
在IoT领域，什么样的RISC-V芯片更具优势？
这是因为类似于语音、无人驾驶、无人商店、智能金融、机器人等物联网应用都非常碎片化。在破碎的生态中要快速定义出差异化的产品，采用开源的芯片指令集架构更加灵活快速。此外，虽然短时间还比不上ARM，RISC-V是全世界通用的标准指令集，生态长期向好。因为全球的大学都在以RISC-V授课，随着5年、10年的维度来看，对RISC-V的掌握情况会成为基本技能。尤其它的架构是免费开放，降低了创新门槛，有技术能力的个人和公司能够使用这个架构来开发一些有意思的应用。由于具备低成本的优势，也降低了创新的代价。因此越来越多的新创公司越来越多使用RISC-V内核，希望进入技术创新领域。
以物联网和可穿戴领域应用广泛的MCU为例，越来越多的芯片厂商开始采用RISC-V架构推行32位MCU，比如国产的蜂鸟MCU就是由芯来科技研发。芯来科技作为RISC-V开源处理器内核蜂鸟E203创建者，为开源社区做出了巨大贡献。
商用高质量的RISC-V处理器和学术研究用的RISC-V处理器是不同的，这一点很好理解，因为要开发相关的工具和针对客户应用进行定制都需要花费大量的资源和人力物力。免费的午餐往往只能填饱肚子。虽然RISC-V是免费的，但是涉及到流片、设计、制造都需要很高的成本，对IC设计公司也有很高的要求。
芯来科技创始人胡振波认为，高品质的RISC-V必须具备五大要素：
1.专业、优质和及时的本地化服务；
2.一流的设计，成熟和稳健的设计方法，良好的代码可读性，以及充分的验证以保证质量。
3.出色的PPA（Power Performance Area）参数和良好的可扩展性，为客户的产品带来出色竞争力和差异性；
4.优异的代码密度（Code Density），为客户的芯片节省宝贵的片上SRAM、Flash或ROM；
5.一流的图形化集成开发环境（IDE，Integrated Development Environment），通过完善的功能以及优秀的体验提升用户的生产效率，这对于面向AIoT领域的芯片产品极为重要。
胡振波表示，芯来科技和晶心科技合作开发的AndesCore™ N22处理器内核IP完全满足上述五要素。具2阶流水线的N22是晶心V5系列产品中最小的RISC-V内核，但却提供了令人印象深刻的3.93 CoreMark/MHz性能。如果采用台积电28纳米工艺，在最差的情况下，其性能也能达到750MHz以上。
N22与其它RISC-V架构相比，有何优势？
联发科蔡明介为何多年前战略投资晶心？
晶心科技于2005年创立于台湾新竹科学园区，最开始是开发32/64位处理器核心，此前曾开发出自有的CPU平台架构。在进入RISC-V领域之前，晶心科技已经累计了非常多的CPU设计经验。晶心目前的自主研发之V3 CPU家族包括N7、N8、N9、N10、N13、N15、S8、E8、D15和N15系列皆已成熟到位，满足客户各种应用面的全方位需求。
2018年，晶心科技除了持续支持V3架构外，于RISC-V架构系列，晶心推出32/64位、适合以Linux为基础的应用架构之嵌入式微处理器A25/AX25，其应用包括更高阶高价的产品，例如无人机、智能无线通信、网通、图像处理等应用。
晶心科技与半导体设计公司联发科技关系匪浅。据了解，目前MTK持有14.9%的晶心科技股份，由联发科创始人蔡明介担任董事长。目前，国内的前 15 大 IC 设计公司之中，已经有 8 家成为晶心科技的客户。韩国市场方面，则是前 10 大 IC 设计公司中有 3 家已经成为旗下客户。在日本与美国方面，晶心科技则积极开发电信公司、家电厂商、以及网通设备公司旗下的 IC 设计厂成为其重要的客户。
晶心科技IP的芯片出货量，从2016年的4.3亿、2017年的5.9亿颗，到2018年的10亿颗，年成长率分别为37%及69%，成长幅度惊人。至 2018年底，内嵌晶心处理器核心之SoC芯片之累积数量已超过35亿颗（包括RISC-V），2018年有16项签约针对RISC-V来签约。覆盖了多样化且广泛的应用，例如人工智能和机器学习（ML）、音频、蓝牙、电玩游戏、GPS、物联网、微控制器（MCU）、传感器融合（sensor fusion）、固态存储盘（SSD）控制器、触控屏和TDDI控制器、USB 3.0储存设备、语音识别、Wi-Fi和无线充电器等。
联发科的物联网芯片MT7681就采用了晶心的AndesCore
投资晶心科技可以说是联发科技的一个战略意义的布局，尽管目前MTK的商用芯片仍然以ARM架构为主，MTK也采用了不少晶心科技开发的V3核来开发物联网产品，但据说其内部也已经成立BU专门进行RISC-V的相关研发。
如何解读晶心AndeStar™ V5 ？
AndeStar™ V5处理器家族
3月21日，作为RISC-V联盟的元老级成员，晶心科技在深圳举办了RISC-V CON的技术研讨会。除了继续推广RISC-V最新的技术趋势及市场动态，也介绍晶心AndeStar™ V5高效能处理器核心25系列的新产品及最新小面积的22系列。四款产品都具备动态分支预测、指令和数据快取、高速存取的区域性内存、防止软性错误(soft error)的第一级快取内存错误检查和纠正(ECC)、以及能大幅简化Domain-Specific Acceleration (DSA)设计的自定义指令集扩充Andes Custom Extension™ (ACE)。除了皆支持User/Machine 模式以外，A25/AX25更多了Supervisor模式以及内存管理单元(MMU)，以运行Linux作業系統及其应用。在浮点运算方面，N25F/NX25F支持IEEE754兼容的单精度或单/双精度。针对机器学习等应用，晶心更将浮点运算的支持扩大至半精度，让载入/储存16位半精度数据时自动进行单精度/半精度的数据转换。上述的浮点运算功能在A25/AX25 均为可选配的功能项目之一。
晶心所有处理器都是具备可读(human-readable) 、 适用于设计自动化工具的Verilog RTL码，且提供工程师选择最终配置的弹性。
此外，25系列也是第一个具有DSP功能的RISC-V核
简单来说AndeStar™ V5就是在RISC-V开源基础上进行进一步优化的定制化架构，由于增加了ACE功能，使得工程师更容易在V5架构处理器上增加定制化指令。据了解，目前V5架构的处理器已经可以采用28nm工艺制程，最高运算能力达到1.2GHz。
晶心Andes V3与RISC-V、ARM、MIPS、PPC、SPARC等不同指令集架构的对比
用晶心科技执行副总及技术长苏泓萌博士的话，AndeStar™ V5的定位是RISC-V最佳的扩展。如果跟ARM架构来对比，性能可以做到A53的80%。其目标市场包括：一、AndesCore™ A25/AX25，适合以Linux为基础的应用，例如无人机、智能无线通信、网通、图像处理、先进驾驶辅助系统(ADAS)、储存、数据中心以及机器/深度学习等等；二、AndesCore™ N25F/NX25F，适合浮点密集型的多元应用，例如声音处里、先进马达控制器、卫星导航、高精度传感器融合以及高阶智能电表等等。
尽管晶心科技在前年的Q4才推出了RISC-V的核心，但是晶心科技总经理林志明预计很快地晶心科技客户们采用RISC-V架构的SOC出货能够达到10亿颗。目前已经有25家Design win，有6~7家是做学术的的design win。
在物联网应用中，往往需要多种IP进行组合来满足复杂的创新应用。晶心是RISC-V开源软件的主要贡献者，从GCC及LLVM编译器、函式库、除错器到U-Boot、Linux kernel和其主要组件等等都有晶心的贡献。除此之外，晶心对于RISC-V架构的扩充也扮演关键角色，同时担任ISA P-extension (Packed DSP) Task Group的主席以及Fast Interrupt Task Group的共同主席。晶心也与合作伙伴将持续携手推动生态圈加速成长，致力于推广RISC-V至主流应用。比如晶心科技就与Imagination Technologies合作，将N22和Imagination的Ensigma 系列支持 Wi-Fi、蓝牙、IEEE 802.15.4 和GNSS的低功耗IP整合在一起，以为物联网（IoT）市场提供完全集成的、立即可用的解决方案。
除此之外，晶心科技还与京微齐力和高云半导体合作，将RISC-V架构的SOC搭配FPGA，结合晶心科技以Eclipse为基础的 RISC-V开发环境，可望助工程师加快开发进程。
用晶心AndesCore™ V5实现的游戏功能
用晶心AndesCore™ N968A做的音频芯片应用
用晶心AndesCore™ N968做的可穿戴设备
用晶心AndesCore™ N968做的无线手柄
作者：芯智讯-季牧
