芯片产业指令集架构研究：紧抓RISC-V指令集架构新机遇，关注国产芯片替代浪潮.pdf

本公司或其关联机构在法律许可情况下可能持有或交易本报告提到的上市公司所发行的证券或投资标的，还可能为或争取为这些公司提供投资银行或财务顾问服务。本公司在知晓范围内履行披露义务。客户可索取有关 披露资料 sxzqyjfzbi618。客户应全面理解本报告结尾处的 “免责声明 “。 计算机 行业 报告原因： 专题 研究 自主可控 专题 芯片 产业指令集架构 研究 紧抓 RISC-V 指令集架构新机遇，关注国产芯片替代浪潮 看好 2018 年 08 月 10 日 行 业研究 /策略研究 芯片国产化指数近期 市场表现 分析师 高飞 执业证书编号： S0760512120001 Tel： 0351-8686970 Email： gaofei2sxzq 研究助理 李欣谢 Tel: 0351-8686797 Email: lixinxiesxzq 地址： 太原市府西街 69 号国贸中心 A 座 28 层 北京市西城区平安里西大街 28 号中海国际中心 7 层 山西证券股份有限公司 i618 指令集架构发展背景： 外部环境： （ 1）贸易战背景下，自主可控势在必行； （ 2）政策驱动，集成电路产业迎来发展机遇； （ 3）新一代信息技术加速渗透，新兴领域对芯片提出了更高的需求。 内部因素： （ 4）从产业内部角度来看，主流指令集架构复杂，硬件实现难度大，授权费用高企，芯片企业成本居高不下。 RISC-V 指令集架构技术特性： 在 于简洁、模块化、可扩展及开源，通过有限指令集的组合和扩展，构建适合 任何领域的微处理器。 RISC-V 产业生态逐步完善 。 国际产业 多个 RISC-V 开源版本及商用 IP 诞生 ； 科技巨头和初创公司纷纷布局 ； 行业应用纷纷落地 。 国内产业 华为、中兴等大企业， 及 部分中小型企业（如 C-SKY）与创客群体加入 RISC-V 基金会； 国内首个开源的 RISC-V 处理器诞生 蜂鸟 E200（面向极低功耗与极小面积的场景而设计） 。 RISC-V 满足个性化、定制化芯片新需求 。 基于 RISC-V 的极简、模块化和可扩展特性，使得低功耗、小面积，同时具有个性化和差异化的定制芯片成为可能，碎片化场景（ IOT、 AI）应用大有可为。 我国 RISC-V 产业发展建议 ： 协同构建 RISC-V 技术应用推广的产业发展环境 ； 协同建立 RISC-V 测试评估体系 ； 建立健全各项保障体系，上升至国 家战略高度。 投资策略 ： 贸易战背景下，自主可控 成为必然趋势，发展我国自主知识产权的指令集架构标准，构建完善的芯片、软件生态势在必行。我们长期看好从指令集架构设计、 IP 核开发、 SOC 系统设计、芯片制造、晶圆代工到整体封装等芯片全产业链。我国作为芯片消费超级大国（ 90%靠进口），下游需求旺盛。国产化替代趋势为国内芯片制造厂商带来了超大的市场规模，我们长期看好具有强大股东背景、资金实力雄厚、芯片技术领先、软件生态具备一定规模的国产芯片厂商。重点推荐：中国长城、中国软件和和太极股份。 风险提示： 政策推进不及预期；技术突破不达预期；软件生态完善度不够。 请务必阅读最后一页股票评级说明和免责声明 2 行业研究 /行业深度 目录 1.RISC-V 概述 . 3 1.1 RISC-V 发展背景 . 3 1.2 RISC-V 内涵 . 4 2.RISC-V 技术特性 . 6 3. RISC-V 产业生态逐步完善 . 10 3.1 国际产业发展迅速 . 10 3.1.1 多个 RISC-V 开源版本及商用 IP 诞生 . 10 3.1.2 科技巨头和初创公司纷纷布局 . 11 3.1.3 行业应用纷纷落地 . 15 3.2 国内产业后来居上 . 16 4. RISC-V 满足个性化、定制化芯片新需求 . 16 5.我国 RISC-V 产业发展建议 . 19 5.1 我国芯片产业发展薄弱 . 19 5.2 我国 RISC-V 产业发展建议 . 19 6.投资策略 . 20 7.风险提示 . 22 请务必阅读最后一页股票评级说明和免责声明 3 行业研究 /行业深度 1.RISC-V 概述 1.1 RISC-V 发展背景 外部环境： （ 1）贸易战背景下，自主可控势在必行。 我国芯片产业薄弱，核心技术受制于人由来已久，受中美贸易冲突和中兴事件影响，发展自主知识产权、掌握核心技术已经成为人们对我国集成电路产业发展的共识， RISC-V 为我们提供了一条除 x86 与ARM 架构之外的新选择。 新一轮的贸易战， 美国对中国限制领域涵盖了高性能机械医疗、生物医药、新材料、农机装备、工业机器人、新一代信息技术、新能源汽车、航空产品、高铁装备，几乎都 是中国国家战略行业 。 （ 2）政策驱动，集成电路产业迎来发展机遇。 国家高度重视芯片产业，国务院总理李克强在政府工作报告中提出“加快制造强国建设，推动集成电路、第五代移动通信、飞机发动机、新能源汽车、新材料等产业发展”，把推动集成电路放在建设制造强国的首位强调。 寻求一种新的开源指令集架构作为各国发展芯片产业达到自主可控成为必然， RISC-V 发展恰逢其时。 （ 3）新一代信息技术加速渗透，新兴领域对芯片提出了更高的需求。 新一代信息技术不断深化，数字经济浪潮席卷全球，驱动芯片产业快速发展。物联网通过传感器感知 、采集在不同场景下成千上万种不同类型的终端数据，需要低功耗、低成本、面积小、个性化、差异化强的芯片，可以适应不同的物理场景；边缘计算通过在数据源处对数据进行实时分析，需要低功耗、实时性强、稳定性高、面积小的芯片；人工智能通过数据训练，达到智能化生产和管理，需要运算性能高、个性化定制强的芯片。 新技术的变革 会催生新的产业机会 。 2003 年，互联网时代，随着请务必阅读最后一页股票评级说明和免责声明 4 行业研究 /行业深度 PC 的普及， Intel 的 x86 芯片大获全胜； 2009 年，移动互联网时代，随着移动终端的普及， ARM 芯片大获全胜。 当下，随着大数据、物联网、人工智能等新兴技术不 断深化，新的指令集架构有望在新兴领域占有一席之地。 内部因素： （ 4）从产业内部角度来看，主流指令集架构复杂，硬件实现难度大，授权费用高企，芯片企业成本居高不下。 图 1： RISC-V 发展背景 资料 来源：山西证券研究所 1.2 RISC-V 内涵 RISC-V 是一种全新的、简单且开放免费的指令集架构，于 2010年主要由美国加州大学伯克利分校的 Krste Asanovic 教授、 Andrew Waterman 和 Yunsup Lee 等开发人员发明，并且得到了计算机体系架构领域泰斗 David Patterson 的大力支持； 驱动因素 : 主流指令集架构极为复杂和冗繁； 专利和授权费用高企； 其他开源架构问题较多： OpenRISC 是一种开源的处理器核，而非请务必阅读最后一页股票评级说明和免责声明 5 行业研究 /行业深度 一种指令集架构，并且许可证为 GPL，意味着所有的指令集改动后都必须开源（ RISC-V 许可证为 BSD License 授权，可开源也可用于商用）； SPARC 功耗面积代价过大，对 x86 替代性不强。 目标： 成为一种完全开放的指令集，可以被任何学术机构或商业组织所自由使用。 成为一种真正适合硬件实现且稳定的标准指令集。 图 2： RISC-V 诞生 资料 来源：山西证券研 究所 为了 RISC-V 架构的顺利推广， 2015 年成立了 RISC-V 基金会。 负责维护标准的 RISC-V 指令集手册与架构文档，并推动 RISC-V 架构的发展 。目前，基金会包括 108 家会员单位，其中白金会员 18 家，普通会员 90 家，并且会员数量在持续高速增长。 中国多家大中型企业级科研机构也加入了 RISC-V 基金会，如中兴、华为、杭州中天、中科院计算所等 。 请务必阅读最后一页股票评级说明和免责声明 6 行业研究 /行业深度 图 3： RISC-V 基金会 资料 来源：山西证券研究所 2.RISC-V 技术特性 纵向比较（ RISC-V vs RISC） 从流水线、指令集整体 性能、架构篇幅三个维度进行比较。指令集经典的五级流水线包括：取指、译码、执行、访存和写回。 取指 指令取指是指将指令从存储器中读取出来的过程；译码 将从存储器中取出的指令进行翻译的过程；执行 对指令进行真正运算的过程 ；访存 存储器访问指令将数据从存储区中读出，或者写入存储器的过程； 写回 将指令执行的结果写回通用寄存器组的过程。 取指阶段： RISC-V 通过对指令编码的规整、简化，提高取指速度。同时，在指令编码增加必要的要素、或通过对指令功能的明确定义，减少了取指时的判断时间，从而提高取指速度，降低损失 。 译码、执行阶段： RISC-V 拥有规整和简洁的指令编码，提高了译码速度，降低了硬件设计负担。同时，依托可选的压缩指令子集，RISC-V 提高了代码密度，执行阶段无需区分指令长度，提高了执行效率。 请务必阅读最后一页股票评级说明和免责声明 7 行业研究 /行业深度 访存阶段： RISC-V 通过对指令的简化和限制，虽然降低了部分性能，但也降低了访存部分硬件实现的难度。 表 1： RISC-V vs RISC 技术特性对比 特性 对比 RISC RISC-V RISC-V 优势 流水线 取指 无指令长度指示码； 分支跳转指令分为比较和跳转两个操作； 有分支延迟槽指令； 规整的指令编码 ：指令 编码最低位放置指令长度，便于取指； 高效的分支跳转指令 ：分支跳转指令将比较和跳转两个操作合并为一个指令； 无分支延迟槽指令 ，降低损失； 提供 明确的静态分支预测依据 ； 提供 明确的 RAS 依据 。 取指简化 ： RISC-V 通过对指令编码的规整、简化，提高取指速度。同时，在指令编码增加必要的要素、或通过对指令功能的明确定义，减少了取指时的判断时间，从而提高取指速度，降低损失。 译码、执行 指令集编码不规整，不便于译码； 指令数繁多； 有硬件协助的零开销循环； 指令集编码规整 ，通用寄存器的索引都被放在固定位置，便捷的译码出寄存器索引； 拥有可选的压缩指令子集 ， 16 位的压缩指令有其对应的普通 32位指令，执行阶段无须区分指令长度； 指令个数简洁 ，基本的指令集数目仅为 40 多条，简化执行阶段硬件设计负担； 不使用 零开销硬件循环； 译码、执行高效 ： RISC-V 拥有规整和简洁的指令编码，提高了译码速度，降低了硬件设计负担。同时，依托可选的压缩指令子集， RISC-V 提高了代码密度，执行阶段无需区分指令长度，提高了执行效率。 交付 存在条件码，条件为假时，取消指令； 存在指令中断和异常情形，造成流水线冲刷； 无条件码 ，无需处理单条 指令取消的情形； 所有的 运算指令都不会产生异常 ，而是产生某个特殊的默认值，同时设置某些状态寄存器的状态位，简化硬件设计； 简化交付指令 ：简化部分指令，或用其他简化方法做替代，从而简化硬件设计。 请务必阅读最后一页股票评级说明和免责声明 8 行业研究 /行业深度 访存 多数支持小端存储格式，少数支持大小端格式切换； 支持地址的自增自减，提高访问连续存储器地址区间的性能； 拥有一次读多个寄存器指令和一次写多个寄存器指令； 仅支持小端格式 ，简化硬件实现，无须做特别的转换； 不支持地址的自增自减 ，简化了地址的生成逻辑； 简介的子程序调用 ：无“一次读多个数据”和“一次写多个数据”指令； 简洁的存储器访问指令 ：RISC-V 通过对指令的简化和限制，虽然降低了部分性能，但也降低了访存部分硬件实现的难度。 写回 - - - 指令集整体性能 模块化 不支持 支持模块化 指令集 可扩展性 不可扩展 支持第三方扩展 自己的指令子集， RISC-V 预留了大量的指令编码空间用于用户的自定义扩展。 兼容性 不同架构之间互不兼容（ ARM 架构中 A、 R和 M 三种架构互不兼容） 一套指令集支持所有架构， 兼容性好 是否开源 否 是 RTL 可以被查阅 安全性 存在漏洞 安全系数高 架构篇 幅及指令数目 多（架构篇幅上千页，指令数繁多） 少（架构篇幅少于 300 页，基本指令集仅 40 余条，其他常用模块子集也仅几十条） 资料来源：山西证券研究所 横向比较 （ RISC-V vs X86） ： RISC-V 与 x86 架构相比，不但兼具了 RISC 相对 X86 的优点，而请务必阅读最后一页股票评级说明和免责声明 9 行业研究 /行业深度 且更加简洁，兼容性好，支持第三方扩展，同时还是开源架构，可以被任何的学术机构、商业组织和个人免费使用，省去了昂贵的授权费用。 表 2： RISC-V vs X86 技术特性对比 特性对比 X86（ CISC） RISC-V 流水线及硬件复杂程度 流水线指令复杂、硬件实现难度大 流水线指令精简、硬件实现相对容易 访存 小端格式存储； 可以通过多个指令与存储器交互，指令集相对复杂； 小端格式存储； 使用专用存储器读（ Load）指令和存储写（ Store）指令访问存储器，其他普通指令无法访问； 指令集整体性能 模块化 不支持 支持模块化 指令集 可扩展性 不可扩展 支持第三方扩展 自己的指令子集， RISC-V 预留了大量的指令编码空间用于用户的自定义扩展。 兼容性 不同架构之间互不兼容 一套指令集支持所有架构， 兼容性好 是否开源 否 是 架构 篇幅及指令数目 多（架构篇幅上千页，指令数繁多） 少（架构篇幅少于 300页，基本指令集仅 40 余条，其他常用模块子集也仅几十条） 资料来源：山西证券研究所 请务必阅读最后一页股票评级说明和免责声明 10 行业研究 /行业深度 图 3： RISC-V 技术特性 资料 来源：山西证券研究所 RISC-V 的技术特性在于简洁、模块化、可扩展及开源，通过有限指令集的组合和扩展，构建适合任何领域的微处理器。 3. RISC-V 产业生态逐步完善 3.1 国际产业发展 迅速 3.1.1 多个 RISC-V 开源版本及商用 IP 诞生 技术 RISC-V 指令集架构极简、开源、模块化的技术特性，众 多商业公司及初创公司加入到 RISC-V 架构的开发和设计竞争中，出现了多个 RISC-V 开源版本和商用 IP。主要呈现以下特点： 基于 RISC-V 开源或商用的 Core，与 ARM 架构相比，具有更高的性能，更低的功耗和更小的面积，支持多种配置接口，可扩展性强，安全系数更高。 多数开源处理器仅提供了处理器核的实现，没有提供配套的 SoC。