RISC-V大数据行业发展调研报告

中国电信股份有限公司研究院 二零二五年四月 引言 随着数字化时代的到来，大数据已经成为推动各行各业发展的关键驱动力之一。在海量数据的涌入和处理需求的增加下，传统的处理架构和技术面临着越来越大的挑战，x86和ARM指令集架构逐渐脱颖而出，并占据主流市场地位。然而x86相对封闭，ARM授权费用高昂，并且上述两种指令集均存在历史问题导致指令集复杂、冗余。在此背景下，加州大学伯克利分校于2010年发布了RISC-V指令集架构，RISC-V是基于精简指令集技术路线的开源指令集架构，由于其完整开放、免授权费的特点，自诞生以来迅速崛起，并逐渐成为全球芯片创新的关键驱动因素。本报告旨在深入探讨RISC-V技术在大数据行业中的应用情况及其发展趋势。 首先，我们将介绍RISC-V技术的基本概念和架构特点，探讨其在大数据处理中的潜力与优势。其次，我们将剖析大数据行业的发展现状和趋势，深入了解其在全球范围内的政策支持和产业生态。随后，我们将重点关注RISC-V技术在大数据行业中的具体应用情况，并探讨其未来发展的展望和趋势。 通过本报告的研究分析，我们旨在为业界提供全面的行业洞察和技术支持，促进RISC-V技术与大数据行业的融合发展。同时，我们也将提出相关建议，为推动该领域的创新和进步提供参考和借鉴。 一、RISC-V技术简介 1.1RISC-V技术介绍 1.1.1RISC-V的诞生与设计理念 RISC-V（一般读作“RISK-FIVE”）是一种开源的指令集架构，起源于加州大学伯克利分校。2010年DavidPatterson教授与KrsteAsanovic教授研究团队正在准备启动一个有关CPU设计的新项目，需要选择一种处理器指令集。他们分析了ARM、MIPS、SPARC、X86等多个指令集，发现它们不仅设计越来越复杂，而且还存在知识产权问题。于是他们决定开发一种简洁且灵活、开源免费的指令集架构。 2011年5月，第一版RISC-V指令集正式发布。该指令集设计非常简单，采用了基础指令集与扩展指令集的方式。基础指令集只包含了不到50条指令，但已经可以用于实现一个具备定点运算和特权模式等基本功能的处理器。扩展指令集提供了一些常用的原子操作指令、浮点运算指令等，用户也可以需要自身需求进行自定义。 RISC-V指令集完全开放，使用BSDLicense开源协议，全世界任何公司、大学、研究机构与个人都可以开发RISC-V指令集的处理器，而不需要为指令集付费。 简洁是RISC-V的核心设计思想。无论是架构篇幅、指令数目和编码格式， 还是寄存器组织和访存的设计，与复杂而又繁冗的x86或者ARM相比，RISC-V都要简单得多。在核心指令集架构本身简洁的同时，RISC-V还提供了多个模块化的指令集扩展，使得用户可以根据自身不同应用场景的需求来选择合适的指令集用于硬件设计。 此外RISC-V在设计时还包含以下目标： 要能适应包括从袖珍的嵌入式控制器，到高性能计算机等各种规模的处理器。能兼容各种流行的软件栈和编程语言。能适应所有实现技术，包括现场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、全定制芯片，甚至未来的设备技术。应该对所有微体系结构样式都有效：例如微编码或硬连线控制、顺序或乱序执行流水线、单发射或超标量等等。应该支持广泛的专业化，成为定制加速器的基础，因为随着摩尔定律的消退，加速器的重要性日益提高。应该是稳定的，基础的指令集架构不应该改变。更重要的是，它不能像以前的专有指令集架构一样被弃用。 1.1.2RISC-V与主流指令集架构技术对比 按照指令集架构中指令格式的复杂度标准，可以分为CISC和RISC两种指令集架构。CISC的英文全称为“ComplexInstructionSetComputer”，即“复杂指令系统计算机”。 RISC的英文全称为“ReducedInstructionSetComputer”，即“精简指令集计算机”，是一种执行较少类型计算机指令的微处理器，多用于嵌入式设备。CISC和RISC的详细对比如表所示。 目前，桌面计算机流行的x86体系结构即使用CISC。RISC架构包括ARM、RISC-V、MIPS等指令集架构，其中RISC-V代表第五代RISC指令集。RISC-V、x86和ARM的详细对比如表[1-3]所示。 1.2RISC-V技术优势分析 1.2.1开源免许可费 RISC-V指令集架构主要优势在于开源开放。众所周知，ARM指令集架构属于闭源体系结构，基于ARMIP核进行芯片设计的企业需要向ARM公司支付高 昂的许可费用，且在授权到期后，需要就继续授权和授权费用问题重新进行谈判。相比之下，RISC-V指令集架构以及相关的开源软件，企业和用户可以自由使用和开发，还可以将自主研发的产品进行二次开源或者商业收费，这对于小型团队和商业公司来说都非常友好。 1.2.2模块化可扩展 RISC-V是一个模块化的架构，其不同部分能以模块化的方式串在一起，从而试图通过统一的架构满足各种不同的应用。而RISC-V的可扩展特性正是来自于模块化的设计。一个基于RISC-V指令集架构的计算机可以选择只实现一部分的指令集，它还可以预留相关的接口，将无法处理的拓展指令交由计算机系统中可配置的协处理器处理，故RISC-V具有高度的可拓展性。以物联网场景为例，由于该场景非常广泛与碎片化，如果为数千种以多种不同方式接入网络的应用案例来设计芯片，那么将会耗费巨大的人力、时间与财力成本。而RISC-V指令集与微架构的松耦合性，提高了架构设计的自由度，硬件架构设计者可以按需新增指令和灵活设计专用领域架构。 就指令集具体内容而言，RISC-V的基本指令集包括RV32I，RV64I等，实现不同位数的、最基础的整数加减运算；扩展指令集包括拟定稿的向量指令集扩展（V）、基础缓存管理操作指令扩展（CMO）与密码学指令集扩展（Crypto）等，其中，向量指令和缓存预取指令的拓展可以提高RISC-V处理器的网络数据处理能力，密码学指令的拓展可以提高其数据加解密和提供网络安全服务的能力。 综上，利用RISC-V指令集精简规则、架构设计自由灵活的优势，用户可以按需裁剪并增添专用指令，使其以更小的内核面积、更低的功耗，实现高性能表现，显著提高能效比。目前，基于RISC-V指令集架构的超高性能处理器也相继问世，例如阿里的玄铁C910处理器、SiFive的P650处理器等等，在保证面积和功耗优势的前提下，进一步提高了性能极限。数据中心是典型的高耗能产业，服务器需要24小时不间断运行，电费占据了接近80%的运行成本，因此功耗和性能的转换效率比至关重要。而RISC-VDPU可以借助架构优势，将能效比作为核心优化方向，在保证高性能的同时减少面积功耗，节省运维成本，从而实现弯道超车。 1.2.3生态发展迅速 RISC-V基金会拥有超过100家公司支持免费和开放的RISC-V指令集架构，随着越来越多的工具、软件、硬件和操作系统供应商加入，其成员数量也在迅速增长。凭借其不断扩大的生态系统，RISC-V为软件和硬件设计人员提供了一个令人信服的替代现有嵌入式处理器的替代方案，随着采用率的增长，在嵌入式设计中开启了处理器创新的新时代。 1.3RISC-V行业生态与发展现状 1.3.1RISC-V基金会 RISC-V起源于加州大学伯克利分校，具有“开源、开放、免授权”的独特基因，这一特性使其从诞生之初就具备强烈的全球协作属性。2015年，RISC-V基金会正式成立，负责维护指令集标准并推动生态建设。2020年，该基金会总部从美国迁至瑞士，标志着其真正走向中立化、国际化，有效规避了地缘政治影响。截至目前，RISC-VInternational已吸纳2000余家全球企业和研究机构成员，包括谷歌、英伟达、高通、三星、阿里巴巴、华为、中科院等，成为全球最具影响力的开源硬件生态组织之一。 这一开放机制推动了全球多方技术力量的深度融合与分工协作：欧美企业专注于高性能核心开发与软件生态建设，亚洲企业则在嵌入式、存储、AI、边缘计算等方面加速产品化落地。RISC-V生态已形成从标准制定、IP设计、芯片制造到系统集成和商业化的完整链条，并在不同市场领域快速扩展。 1.3.2RISC-V硬件生态 在芯片开发层面，RISC-V已不再局限于实验室或教育用途，而是逐步进入产业级商用阶段。高性能处理器方面，阿里平头哥的玄铁C910处理器具备极强的性能扩展能力；SiFive公司推出的P550/P650系列高性能内核被视为挑战ARMCortex-A的有力竞争者；西部数据则宣布未来旗下的SSD主控将全部切换为RISC-V架构。 在嵌入式和物联网市场，RISC-V更是展现出快速扩张的势头。例如，兆易创新与芯来科技联合推出了GD32V系列MCU，已实现量产并被应用于家电、工业控制等场景；在AI加速器和图形处理方面，ThinkSilicon推出了NEOX系列基于RISC-V的GPU，支持OpenGL、Vulkan等图形标准，展示了RISC-V生态向多媒体和边缘AI领域渗透的可能性。 更值得关注的是，存储控制器领域也在积极推动RISC-V替代。西部数据SweRV项目发布的SSD主控芯片已实现自主可控替代ARM内核，国内厂商如芯盛智能、库瀚科技也陆续推出基于RISC-V架构的PCIe4.0/5.0控制器芯片，逐步打破外资垄断局面. 1.3.3RISC-V软件生态 软件生态是衡量一个指令集能否成功的关键要素。RISC-V在软件方面虽然起步较晚，但凭借全球开源社区的力量，发展极为迅猛。当前，GCC和LLVM主线已完全支持RISC-V，并拥有成熟的调试器（如GDB）、汇编器、模拟器（如QEMU、Spike）等工具。开发者可基于Chisel、Verilator等硬件建模语言和仿真工具进行敏捷开发，极大地提升了设计效率。 操作系统支持方面，主流的Linux发行版如Debian、Fedora、Ubuntu等均已提供RISC-V的版本，嵌入式操作系统方面则有Zephyr、RT-Thread、FreeRTOS等广泛适配。在可信计算方向，RISC-V已启动TEE和加密扩展规范的标准制定，推动OP-TEE等平台在RISC-V芯片上的落地。这些成果为RISC-V处理器在嵌入式、边缘计算、数据中心等场景中提供了基础支撑。 1.3.4RISC-V国内生态 在国家自主可控战略的推动下，RISC-V在中国的产业生态建设持续加速。自2018年中国RISC-V产业联盟成立以来，国内已有超过百家企业和研究机构加入，包括阿里巴巴、华为、中科院、复旦大学等单位。国产厂商围绕RISC-V芯片设计、开发工具、IP核授权、软件栈、操作系统、安全架构等环节展开深度布局，初步形成了“可替代、可量产、可演进”的本土RISC-V生态。 应用场景方面，国内厂商已将RISC-V产品推广至物联网、工业控制、边缘计算、智能家居、车载设备、存储控制器等多个领域，并逐步向服务器CPU、AI加速器、DPU等高端芯片领域渗透。同时，RISC-V也逐步进入国产信创体系，被列入多个关键项目的技术路线图中，体现了其战略地位的提升。 尽管RISC-V生态发展迅速，但也面临一定挑战，最突出的就是标准碎片化和软硬件兼容性问题。由于RISC-V允许用户自定义扩展指令集，不同厂商实现的RISC-V内核可能存在兼容性差异，这对生态整合提出了挑战。为此，RISC-VInternational推动制定兼容性测试套件（CTS）和架构认证机制，以保证指令集实现的一致性与互操作性。 同时，高性能领域的软件生态仍有待补齐，尤其是在服务器操作系统、数据库、大数据平台、AI框架等层面仍需持续投入。此外，国内RISC-V开发工具链与EDA工具仍依赖进口，未来需加强与国产EDA工具的深度融合，构建自主可控的开发体系。 1.4RISC-V技术的政策支持情况 1.4.1国家战略规划与政策体系 2025年3月，中国首次由网信办、工信部、科技部等八