包云岗：全世界都在发展RISC-V

迎接新一轮处理器芯片技术与产业变革浪潮。

11月22日，2023国际产学研用合作会议（北京）召开了开幕式暨主论坛，本次开幕式由清华大学、北京航空航天大学、对外经济贸易大学、首都经济贸易大学共同承办。

着力搭建中外高校、科研院所、企业学术交流和合作对接平台，与更多国际友好创新力量共同拓展合作版图，共同营造开放创新生态，以数字化、绿色化手段推动全球高质量发展，持续推动国际产学研用合作高质量发展，构建高水平对外开放合作共赢新格局，为共筑人类命运共同体作出更大贡献。

下午，集成电路分论坛上，中国科学院计算技术研究所副所长包云岗研究员，做了《迎接新一轮处理器芯片技术与产业变革浪潮》的主题演讲。

包云岗首先介绍了处理器芯片技术与产业变革浪潮的驱动力。2023年年初，在MIT技术科技评论里面，其实它每年都会有十大突破性技术之一，就是RISC-V芯片设计，推荐理由是处理器芯片正在走向开放，灵活开源的RISC-V有望成为改变一切的芯片设计。这昭示着新一轮的芯片设计变革浪潮正在来临。

第一个驱动力是定制化的驱动力。回顾历史，上一轮技术变革浪潮在1970年代和1980年代，当时开始指令集之争，是使用Cisc指令级，还是Risc的指令级；芯片设计方法变革，从手工去绘制电路图，到用计算机辅助设计逐渐演进到今天的电子设计自动化。在变革浪潮当中，涌现出了一批的企业，这些企业到了今天已经逐渐发展成为世界上这样领军的企业，包括Arm、英特尔以及Cadence。

1981年，DARPA启动了一个项目叫MOSIS，这个项目当中提出了一种MPW模式，这个模式数量级的降低了芯片设计的成本，使得大学里面也可以做芯片、可以去流片。过去40余年，MOSIS项目现在还存在于南加州大学，为全世界尤其是美国的企业流了6万多款芯片，培养了几十万人才。

MOSIS还催生了一种新的半导体的模式，有一批企业能够专注于设计，而不需要关心制造。再有一批企业像台积电、三星那样，他就可以专注于制造，让产业拥有了更细的分工。这个项目催生出了一批芯片设计公司，像今天看到的Nvidia、Qualcomm、Broadcom、Xillinx。这就是在上一轮变革浪潮当中技术变革所带来的影响。

40年后的今天，我们已经开始面临新的挑战，需要应对摩尔定律的放缓。学术界和工业界都认为要定制。定制化能够把晶体管的潜力发挥得更好。虽然当前的一个芯片里面有很多晶体管，但是这些晶体管并没有被充分地利用好。

对晶体管内部结构了解的差异，会让两个程序员写出来的程序性能差别达到63,000倍。懂架构的程序员毕竟是少数，如何解决这样的问题？对此，包云岗表示，可以把这些专业的知识沉淀到硬件当中去，以“领域专用架构”的方式让芯片的效率更高。这就是定制化所带来的驱动力。

第二个驱动力来自于贝尔定律。贝尔发现每隔十年会出现新一类计算机（新编程平台、新网络连接、新用户接口、新使用方式且更廉价），与之相应的会形成一个新的产业，对芯片产生新需求。今天面临的领域是万物互联，这种模式会带来千亿量级的芯片需求，这些芯片的需求特点是碎片化，每个领域的芯片要求都不一样。传统的通用架构，很难去应对这种新的时代，行业需要有一些新的方法来去应对，这个是另外一个驱动力。

第三个驱动力来自产业，当前在芯片设计领域里面要做一个初创公司，成本很高。包云岗介绍，互联网行业的初创公司的融资种子轮大概为50万美元；A轮300万美元可以做一个原型；2000万美元可以把一个产品可以在大规模推广。但是在芯片领域远远不够，芯片领域要做出一个原型芯片，往往融资要到千万美元。芯片设计高昂的门槛一定程度上的阻碍了创新的思想，会阻碍产业的创新和繁荣。如何降低芯片设计的门槛也是一个驱动力。

包云岗用互联网产业的发展举例，表明了开源的重要性。互联网产业在过去二十年左右成功的发展很大程度上得益于开源软件。开源软件把APP的门槛降低了，降低到几个大学生，几个小团队，也能做一个APP出来。开源应对了碎片化的需求，是一个降低门槛并且能够应对碎片化的有效的途径。

这提出一个问题：芯片领域为什么没有开源？

过去半个世纪开源软件越来越灵活，但是在芯片领域里面，行业始终没有实现像软件行业一样的开源，这与芯片开发的流程有关。芯片开发的过程首先需要指令集，然后根据指令集来设计文档，形成文档再写代码，最后通过EDA工具变成版图。但是在过去半个世纪指令集都是私有，指令集都在公司手里。指令集的私有让后续过程的开源变得不可实现。

RISC-V在2015年被提出来的时候的口号是指令集不应该是公司私有的，应该是自由、免费的，应该大家共同拥有。这也是RISC-V得到全世界关注的原因。RISC-V从底层逻辑上的改变，催生了一系列的连锁反应。

今天RISC-V迎来了新一轮技术变革的浪潮，这一轮变革浪潮当中，它也有两个特征，第一个特征是从私有向公有开放共享去转变。第二个设计方法也在改变，从传统向AI辅助设计，像开源顶层设计转变。

这个过程当中就会涌现出一批的企业出来，包括很多中国的企业，这也是新一轮技术变革的浪潮带给我们的机会。全世界都在发展RISC-V。

现在 RISC-V基金会在全球有70个国家，3800多个会员来参与。从区域来看的话，主要还是中美欧三个区域。

据包云岗介绍，今年8月份中国召开了与欧洲、北美并列的RISC-V的峰会，会议有超过2000人报名，800多家企业积极参与。可以看出 RISC-V在国内已经形成相对较好的发展态势。

 技术角度看变革

总的来说，发展RISC-V是希望通过开源，以及开源背后带来一系列的连锁反应，形成一个新的生态，即开源芯片的生态。通过开源可以实现90%的功能，大幅度降低芯片设计的门槛，从而释放创新的活力来赋能千行百业。

谈到如何实现这一点？包云岗表示可以从开源软件的经验中学习。通过与开源软件开发流程的对比，布局芯片领域缺失的环节，进而打通开源处理器的开发流程。

从过去五十年编程方法的演进历程可以发现，编程方法和开源是紧密联系的。

从分解角度来开，分解一个大型的软件（对象），可以复杂代码精简化，更多人可以看懂的也可以参与修改，进而促进了软件生态的发展。反过来说，这种模式可以更好的去复用，也可以更快的去迭代。设计模式和方法结合起来以后，推动了软件的快速发展。

在过程当中，编程语言逐步演进，分解与抽象能力不断提升。这些过程当中也是诞生了很多的这样的一些创新的技术，面向早期对象语言的奠基性工作 Simula 和 Smalltalk 均获得图灵奖。

除了分解以外还有组合，组合很重要的一点就是要有统一的接口，接口协议很重要。所以大家很重视API的问题，有一些API调用接口把它定义清楚以后，不同之间的模块跟怎么进行对接，从而可以很容易组合，也可以容易扩展。在软件中，D-bus可以来帮助模块接近，这种模式进一步又可以促进一些众包式的开发。

包云岗表示，当前的软件已经是高度的众包式开发了，即把一个复杂的软件，分成很多模块分发到不同社区里面，再通过一些方式把它组合起来。

开源也推动了软件测试验证方法的发展。90年代开始，一些编译的团队针对开源软件进行测试，随着开源软件变成了软件工程测试的对象，行业发展出一系列的新兴的工具，推动了软件测试方法的发展。

开源不仅仅是把源代码公开，开源的背后有一系列的技术在支撑，这些技术同时推动着整个生态的发展。这就是开源芯片所希望看到的结果，目前开源芯片领域中，还有很多这样的创新的机会可以挖掘。

 开源芯片项目：香山

香山项目引入了一个面向对象的层次。这个层次把传统的面相电路的设计方法转变成面向对象的设计，这种方式可以让 CPU 设计变成像乐高积木一样。包云岗介绍，在项目初期香山团队曾担心描述对象的方式可能会影响芯片性能，不过在实践中发现，这样的方法是可以开发出高性能处理器的。

包云岗介绍，目前在香山实践当中已经大量的使用面向对象。通过这种方式，可以用一套代码同时实现两种指令级，即用面相对象里面的继承和多态的方式，把一些接口分装成抽象类，抽象类就可以把它变成各种各样的子类。

这样的方式也可以让代码量大幅的减少达到80%；同时也可以提高开发效率，从六个星期减少到三天。2020年，快速完成第一版乱序6发射香山处理器实现，三个月启动Linux。2022年，设计代码66944行，验证代码30983行。

这种方式也带来了验证方面的问题。香山重新建立了一个敏捷的电子开发平台，这个平台里面包含了有大概十几个工具，可以来帮助实现一套敏捷的验证的平台。这些工具包括性能验证、功能验证，加起来有20个工具，入选2022年度体系结构领域全球12项亮点成果（IEEE Micro Top Picks）。

香山项目形成了联合开发的模式。现在香山已经发展到第三代，可以和Arm的一些高性能处理器在性能上对标。根据RISC-V国际基金会技术委员会评估，香山是目前国际上性能最高一档的RISC-V处理器核。第二代香山性能可以对标Arm A76。香山项目也是国际上最活跃的开源芯片项目之一。

包云岗举了一个例子。一家初创公司基于香山开源CPU IP核，两周实现SoC演示系统，并且可以在APP上运行3D游戏。可以看到开源真的是帮助企业能够快速构建产品、降低门槛。这家企业的创始人表示，如果需要购买Arm的相关IP需要花费3000万，但是有了香山可以很快实现一个demo。

现在越来越多的企业基于香山去做一些产品，所以开源项目真正的是有希望从学术界走向这种产业界。

最后，包云岗对RISC-V进行了未来的展望。1981年，IBM推出个人电脑（PC），并公开了设计文档，包括源代码、电路图，成就繁荣的PC市场，实际上这就是一种开源。70年代要做一款PC不容易，但是在IBM把源代码公开后，80年代有建设一批的 PC的公司。甚至像戴尔大学没毕业，他也可以成立戴尔公司去做 PC。

另外一方面PC的成本降下来，在IBM之前一台个人电脑大概将近1万美元，当时惠普的电脑是9000多美元，但是有了IBM以后，PC推出来以后一下子降到了1000万美元，从而使PC进入千家万户。比尔·盖茨说要让每个家庭都有一台PC，实际上IBM真正帮他实现了这个愿望。

开源能够催生一个新兴产业，开源芯片是构建全球芯片共同体。包云岗表示，开源芯片可以赋能未来的新兴产业。同时也希望通过技术的开源让更多人受益，一起构建全球的开放共享生态。

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