迎接新一輪處理器芯片技術(shù)與產(chǎn)業(yè)變革浪潮。

11月22日，2023國(guó)際產(chǎn)學(xué)研用合作會(huì)議（北京）召開了開幕式暨主論壇，本次開幕式由清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)、首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)共同承辦。

著力搭建中外高校、科研院所、企業(yè)學(xué)術(shù)交流和合作對(duì)接平臺(tái)，與更多國(guó)際友好創(chuàng)新力量共同拓展合作版圖，共同營(yíng)造開放創(chuàng)新生態(tài)，以數(shù)字化、綠色化手段推動(dòng)全球高質(zhì)量發(fā)展，持續(xù)推動(dòng)國(guó)際產(chǎn)學(xué)研用合作高質(zhì)量發(fā)展，構(gòu)建高水平對(duì)外開放合作共贏新格局，為共筑人類命運(yùn)共同體作出更大貢獻(xiàn)。

下午，集成電路分論壇上，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所副所長(zhǎng)包云崗研究員，做了《迎接新一輪處理器芯片技術(shù)與產(chǎn)業(yè)變革浪潮》的主題演講。

包云崗首先介紹了處理器芯片技術(shù)與產(chǎn)業(yè)變革浪潮的驅(qū)動(dòng)力。2023年年初，在MIT技術(shù)科技評(píng)論里面，其實(shí)它每年都會(huì)有十大突破性技術(shù)之一，就是RISC-V芯片設(shè)計(jì)，推薦理由是處理器芯片正在走向開放，靈活開源的RISC-V有望成為改變一切的芯片設(shè)計(jì)。這昭示著新一輪的芯片設(shè)計(jì)變革浪潮正在來臨。

第一個(gè)驅(qū)動(dòng)力是定制化的驅(qū)動(dòng)力。回顧歷史，上一輪技術(shù)變革浪潮在1970年代和1980年代，當(dāng)時(shí)開始指令集之爭(zhēng)，是使用Cisc指令級(jí)，還是Risc的指令級(jí)；芯片設(shè)計(jì)方法變革，從手工去繪制電路圖，到用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)逐漸演進(jìn)到今天的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。在變革浪潮當(dāng)中，涌現(xiàn)出了一批的企業(yè)，這些企業(yè)到了今天已經(jīng)逐漸發(fā)展成為世界上這樣領(lǐng)軍的企業(yè)，包括Arm、英特爾以及Cadence。

1981年，DARPA啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目叫MOSIS，這個(gè)項(xiàng)目當(dāng)中提出了一種MPW模式，這個(gè)模式數(shù)量級(jí)的降低了芯片設(shè)計(jì)的成本，使得大學(xué)里面也可以做芯片、可以去流片。過去40余年，MOSIS項(xiàng)目現(xiàn)在還存在于南加州大學(xué)，為全世界尤其是美國(guó)的企業(yè)流了6萬(wàn)多款芯片，培養(yǎng)了幾十萬(wàn)人才。

MOSIS還催生了一種新的半導(dǎo)體的模式，有一批企業(yè)能夠?qū)Ｗ⒂谠O(shè)計(jì)，而不需要關(guān)心制造。再有一批企業(yè)像臺(tái)積電、三星那樣，他就可以專注于制造，讓產(chǎn)業(yè)擁有了更細(xì)的分工。這個(gè)項(xiàng)目催生出了一批芯片設(shè)計(jì)公司，像今天看到的Nvidia、Qualcomm、Broadcom、Xillinx。這就是在上一輪變革浪潮當(dāng)中技術(shù)變革所帶來的影響。

40年后的今天，我們已經(jīng)開始面臨新的挑戰(zhàn)，需要應(yīng)對(duì)摩爾定律的放緩。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都認(rèn)為要定制。定制化能夠把晶體管的潛力發(fā)揮得更好。雖然當(dāng)前的一個(gè)芯片里面有很多晶體管，但是這些晶體管并沒有被充分地利用好。

對(duì)晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)了解的差異，會(huì)讓兩個(gè)程序員寫出來的程序性能差別達(dá)到63,000倍。懂架構(gòu)的程序員畢竟是少數(shù)，如何解決這樣的問題？對(duì)此，包云崗表示，可以把這些專業(yè)的知識(shí)沉淀到硬件當(dāng)中去，以“領(lǐng)域?qū)Ｓ眉軜?gòu)”的方式讓芯片的效率更高。這就是定制化所帶來的驅(qū)動(dòng)力。

第二個(gè)驅(qū)動(dòng)力來自于貝爾定律。貝爾發(fā)現(xiàn)每隔十年會(huì)出現(xiàn)新一類計(jì)算機(jī)（新編程平臺(tái)、新網(wǎng)絡(luò)連接、新用戶接口、新使用方式且更廉價(jià)），與之相應(yīng)的會(huì)形成一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)，對(duì)芯片產(chǎn)生新需求。今天面臨的領(lǐng)域是萬(wàn)物互聯(lián)，這種模式會(huì)帶來千億量級(jí)的芯片需求，這些芯片的需求特點(diǎn)是碎片化，每個(gè)領(lǐng)域的芯片要求都不一樣。傳統(tǒng)的通用架構(gòu)，很難去應(yīng)對(duì)這種新的時(shí)代，行業(yè)需要有一些新的方法來去應(yīng)對(duì)，這個(gè)是另外一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。 第三個(gè)驅(qū)動(dòng)力來自產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域里面要做一個(gè)初創(chuàng)公司，成本很高。包云崗介紹，互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的初創(chuàng)公司的融資種子輪大概為50萬(wàn)美元；A輪300萬(wàn)美元可以做一個(gè)原型；2000萬(wàn)美元可以把一個(gè)產(chǎn)品可以在大規(guī)模推廣。但是在芯片領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，芯片領(lǐng)域要做出一個(gè)原型芯片，往往融資要到千萬(wàn)美元。芯片設(shè)計(jì)高昂的門檻一定程度上的阻礙了創(chuàng)新的思想，會(huì)阻礙產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和繁榮。如何降低芯片設(shè)計(jì)的門檻也是一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。?

包云崗用互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展舉例，表明了開源的重要性?；ヂ?lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)在過去二十年左右成功的發(fā)展很大程度上得益于開源軟件。開源軟件把APP的門檻降低了，降低到幾個(gè)大學(xué)生，幾個(gè)小團(tuán)隊(duì)，也能做一個(gè)APP出來。開源應(yīng)對(duì)了碎片化的需求，是一個(gè)降低門檻并且能夠應(yīng)對(duì)碎片化的有效的途徑。

這提出一個(gè)問題：芯片領(lǐng)域?yàn)槭裁礇]有開源？ 過去半個(gè)世紀(jì)開源軟件越來越靈活，但是在芯片領(lǐng)域里面，行業(yè)始終沒有實(shí)現(xiàn)像軟件行業(yè)一樣的開源，這與芯片開發(fā)的流程有關(guān)。芯片開發(fā)的過程首先需要指令集，然后根據(jù)指令集來設(shè)計(jì)文檔，形成文檔再寫代碼，最后通過EDA工具變成版圖。但是在過去半個(gè)世紀(jì)指令集都是私有，指令集都在公司手里。指令集的私有讓后續(xù)過程的開源變得不可實(shí)現(xiàn)。

RISC-V在2015年被提出來的時(shí)候的口號(hào)是指令集不應(yīng)該是公司私有的，應(yīng)該是自由、免費(fèi)的，應(yīng)該大家共同擁有。這也是RISC-V得到全世界關(guān)注的原因。RISC-V從底層邏輯上的改變，催生了一系列的連鎖反應(yīng)。

今天RISC-V迎來了新一輪技術(shù)變革的浪潮，這一輪變革浪潮當(dāng)中，它也有兩個(gè)特征，第一個(gè)特征是從私有向公有開放共享去轉(zhuǎn)變。第二個(gè)設(shè)計(jì)方法也在改變，從傳統(tǒng)向AI輔助設(shè)計(jì)，像開源頂層設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。

這個(gè)過程當(dāng)中就會(huì)涌現(xiàn)出一批的企業(yè)出來，包括很多中國(guó)的企業(yè)，這也是新一輪技術(shù)變革的浪潮帶給我們的機(jī)會(huì)。全世界都在發(fā)展RISC-V。? 現(xiàn)在 RISC-V基金會(huì)在全球有70個(gè)國(guó)家，3800多個(gè)會(huì)員來參與。從區(qū)域來看的話，主要還是中美歐三個(gè)區(qū)域。

據(jù)包云崗介紹，今年8月份中國(guó)召開了與歐洲、北美并列的RISC-V的峰會(huì)，會(huì)議有超過2000人報(bào)名，800多家企業(yè)積極參與?？梢钥闯?RISC-V在國(guó)內(nèi)已經(jīng)形成相對(duì)較好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。?

技術(shù)角度看變革

總的來說，發(fā)展RISC-V是希望通過開源，以及開源背后帶來一系列的連鎖反應(yīng)，形成一個(gè)新的生態(tài)，即開源芯片的生態(tài)。通過開源可以實(shí)現(xiàn)90%的功能，大幅度降低芯片設(shè)計(jì)的門檻，從而釋放創(chuàng)新的活力來賦能千行百業(yè)。

談到如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)？包云崗表示可以從開源軟件的經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)。通過與開源軟件開發(fā)流程的對(duì)比，布局芯片領(lǐng)域缺失的環(huán)節(jié)，進(jìn)而打通開源處理器的開發(fā)流程。

從過去五十年編程方法的演進(jìn)歷程可以發(fā)現(xiàn)，編程方法和開源是緊密聯(lián)系的。

從分解角度來開，分解一個(gè)大型的軟件（對(duì)象），可以復(fù)雜代碼精簡(jiǎn)化，更多人可以看懂的也可以參與修改，進(jìn)而促進(jìn)了軟件生態(tài)的發(fā)展。反過來說，這種模式可以更好的去復(fù)用，也可以更快的去迭代。設(shè)計(jì)模式和方法結(jié)合起來以后，推動(dòng)了軟件的快速發(fā)展。 在過程當(dāng)中，編程語(yǔ)言逐步演進(jìn)，分解與抽象能力不斷提升。這些過程當(dāng)中也是誕生了很多的這樣的一些創(chuàng)新的技術(shù)，面向早期對(duì)象語(yǔ)言的奠基性工作 Simula 和 Smalltalk 均獲得圖靈獎(jiǎng)。

除了分解以外還有組合，組合很重要的一點(diǎn)就是要有統(tǒng)一的接口，接口協(xié)議很重要。所以大家很重視API的問題，有一些API調(diào)用接口把它定義清楚以后，不同之間的模塊跟怎么進(jìn)行對(duì)接，從而可以很容易組合，也可以容易擴(kuò)展。在軟件中，D-bus可以來幫助模塊接近，這種模式進(jìn)一步又可以促進(jìn)一些眾包式的開發(fā)。

包云崗表示，當(dāng)前的軟件已經(jīng)是高度的眾包式開發(fā)了，即把一個(gè)復(fù)雜的軟件，分成很多模塊分發(fā)到不同社區(qū)里面，再通過一些方式把它組合起來。?

開源也推動(dòng)了軟件測(cè)試驗(yàn)證方法的發(fā)展。90年代開始，一些編譯的團(tuán)隊(duì)針對(duì)開源軟件進(jìn)行測(cè)試，隨著開源軟件變成了軟件工程測(cè)試的對(duì)象，行業(yè)發(fā)展出一系列的新興的工具，推動(dòng)了軟件測(cè)試方法的發(fā)展。

開源不僅僅是把源代碼公開，開源的背后有一系列的技術(shù)在支撐，這些技術(shù)同時(shí)推動(dòng)著整個(gè)生態(tài)的發(fā)展。這就是開源芯片所希望看到的結(jié)果，目前開源芯片領(lǐng)域中，還有很多這樣的創(chuàng)新的機(jī)會(huì)可以挖掘。

開源芯片項(xiàng)目：香山

香山項(xiàng)目引入了一個(gè)面向?qū)ο蟮膶哟?。這個(gè)層次把傳統(tǒng)的面相電路的設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變成面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)，這種方式可以讓 CPU 設(shè)計(jì)變成像樂高積木一樣。包云崗介紹，在項(xiàng)目初期香山團(tuán)隊(duì)曾擔(dān)心描述對(duì)象的方式可能會(huì)影響芯片性能，不過在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，這樣的方法是可以開發(fā)出高性能處理器的。?

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包云崗介紹，目前在香山實(shí)踐當(dāng)中已經(jīng)大量的使用面向?qū)ο?。通過這種方式，可以用一套代碼同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種指令級(jí)，即用面相對(duì)象里面的繼承和多態(tài)的方式，把一些接口分裝成抽象類，抽象類就可以把它變成各種各樣的子類。?

這樣的方式也可以讓代碼量大幅的減少達(dá)到80%；同時(shí)也可以提高開發(fā)效率，從六個(gè)星期減少到三天。2020年，快速完成第一版亂序6發(fā)射香山處理器實(shí)現(xiàn)，三個(gè)月啟動(dòng)Linux。2022年，設(shè)計(jì)代碼66944行，驗(yàn)證代碼30983行。

這種方式也帶來了驗(yàn)證方面的問題。香山重新建立了一個(gè)敏捷的電子開發(fā)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)里面包含了有大概十幾個(gè)工具，可以來幫助實(shí)現(xiàn)一套敏捷的驗(yàn)證的平臺(tái)。這些工具包括性能驗(yàn)證、功能驗(yàn)證，加起來有20個(gè)工具，入選2022年度體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域全球12項(xiàng)亮點(diǎn)成果（IEEE Micro Top Picks）。

香山項(xiàng)目形成了聯(lián)合開發(fā)的模式?，F(xiàn)在香山已經(jīng)發(fā)展到第三代，可以和Arm的一些高性能處理器在性能上對(duì)標(biāo)。根據(jù)RISC-V國(guó)際基金會(huì)技術(shù)委員會(huì)評(píng)估，香山是目前國(guó)際上性能最高一檔的RISC-V處理器核。第二代香山性能可以對(duì)標(biāo)Arm A76。香山項(xiàng)目也是國(guó)際上最活躍的開源芯片項(xiàng)目之一。

包云崗舉了一個(gè)例子。一家初創(chuàng)公司基于香山開源CPU IP核，兩周實(shí)現(xiàn)SoC演示系統(tǒng)，并且可以在APP上運(yùn)行3D游戲?？梢钥吹介_源真的是幫助企業(yè)能夠快速構(gòu)建產(chǎn)品、降低門檻。這家企業(yè)的創(chuàng)始人表示，如果需要購(gòu)買Arm的相關(guān)IP需要花費(fèi)3000萬(wàn)，但是有了香山可以很快實(shí)現(xiàn)一個(gè)demo。?

現(xiàn)在越來越多的企業(yè)基于香山去做一些產(chǎn)品，所以開源項(xiàng)目真正的是有希望從學(xué)術(shù)界走向這種產(chǎn)業(yè)界。

最后，包云崗對(duì)RISC-V進(jìn)行了未來的展望。1981年，IBM推出個(gè)人電腦（PC），并公開了設(shè)計(jì)文檔，包括源代碼、電路圖，成就繁榮的PC市場(chǎng)，實(shí)際上這就是一種開源。70年代要做一款PC不容易，但是在IBM把源代碼公開后，80年代有建設(shè)一批的 PC的公司。甚至像戴爾大學(xué)沒畢業(yè)，他也可以成立戴爾公司去做 PC。 另外一方面PC的成本降下來，在IBM之前一臺(tái)個(gè)人電腦大概將近1萬(wàn)美元，當(dāng)時(shí)惠普的電腦是9000多美元，但是有了IBM以后，PC推出來以后一下子降到了1000萬(wàn)美元，從而使PC進(jìn)入千家萬(wàn)戶。比爾·蓋茨說要讓每個(gè)家庭都有一臺(tái)PC，實(shí)際上IBM真正幫他實(shí)現(xiàn)了這個(gè)愿望。

開源能夠催生一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，開源芯片是構(gòu)建全球芯片共同體。包云崗表示，開源芯片可以賦能未來的新興產(chǎn)業(yè)。同時(shí)也希望通過技術(shù)的開源讓更多人受益，一起構(gòu)建全球的開放共享生態(tài)。

審核編輯：黃飛

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