前段時間，「華為之劫」不僅引起了國內(nèi)科技圈的恐慌，更是給國內(nèi)一眾專家和學(xué)者敲響了一記警鐘，其中以開源領(lǐng)域?yàn)槔?，以來自中科院計算所的包云崗研究員為代表的國內(nèi)專家學(xué)者對此展開了激烈的討論，中國如何在開源項(xiàng)目等技術(shù)領(lǐng)域找到出路、獲得主動權(quán)也成為了大家無比關(guān)注的主題。

在 6 月 27 日至 29 日由國際測試委員會（BenchCouncil）主辦，國家超級計算深圳中心、中科曙光等單位共同承辦的第六屆世界智能計算機(jī)大會（BenchCouncil 2019）上，包云崗研究員更是組織了一場以「開源芯片」為主題的分論壇，邀請了 RISC-V 基金會中國委員會主席方之熙、中國 RISC-V 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長戴偉民、北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院高能效計算與應(yīng)用中心助理研究員羅國杰 、中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所在讀博士生余子濠一眾專家學(xué)者，從各個維度共同探討以 RISC-V 為代表的開源芯片目前的現(xiàn)狀和未來，以及中國該如何在開源芯片領(lǐng)域找到突破口。

RISC-V 基金會中國委員會主席、前英特爾副總裁方之熙博士作為第一位出場嘉賓，帶來了主題為《為什么說 RISC-V 是微處理器的一場革命》的演講報告。他基于微處理器的發(fā)展現(xiàn)狀以及目前面臨的一些問題，探討了 RISC-V 的優(yōu)勢以及給微處理器領(lǐng)域帶來的革命性影響，并從哲學(xué)層面分享了其對于微處理器未來發(fā)展的看法。

RISC-V 基金會中國委員會主席方之熙

首先，方之熙博士指出計算領(lǐng)域的現(xiàn)狀是： 99% 的云計算基于 Inter x86 指令集架構(gòu)，99% 的邊緣計算使用 RISC 指令集架構(gòu)，75% 的計算采用的是 ARM（高級 RISC 機(jī)器）。而微處理器目前則面臨著幾大主要問題，包括：第一，在數(shù)據(jù)中心、智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)市場，功耗問題越來越嚴(yán)重；第二，幾十年來微架構(gòu)缺乏創(chuàng)新、性能改進(jìn)不到位、沒有新思路；第三，安全、隱私和可靠性在當(dāng)今微處理器設(shè)計中越來越重要；第四，微處理器設(shè)計過于依賴軟件生態(tài)系統(tǒng)和軟件的兼容性；第五，目前缺乏用于新興應(yīng)用的微處理器技術(shù)，例如人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算以及區(qū)塊鏈等。

而 RISC-V 的出現(xiàn)則為微處理器領(lǐng)域帶來了革命性的變化。作為開放源碼硬件指令集體系架構(gòu)（ISA），自 2010 年誕生于加州大學(xué)伯克利分校的 RISC-V ，以其簡單、穩(wěn)定，完全開源并且免費(fèi)的特點(diǎn)，同時可以將基準(zhǔn)指令和擴(kuò)展指令分開從而能夠通過擴(kuò)展指令做定制化的模塊和擴(kuò)展，為芯片設(shè)計迎來了新時代。

最后，他以愛因斯坦的一句「Not everything that can be counted counts， and not everything that counts can be counted（并不是每一件能夠算出來的東西，都是有意義的；也并不是每一件有意義的東西，都能夠被計算出來）」表達(dá)了他對于微處理器未來發(fā)展的看法。同時，他也表示，「Future can‘t be predicted，but it can be created」，雖然我們很難確切地「預(yù)測」微處理器的未來，但是我們可以為該領(lǐng)域「創(chuàng)造」更好的未來。

第二位出場的是中國 RISC-V 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長戴偉民博士，他的演講主題是《RISC-V： 中國集成電路產(chǎn)業(yè)的歷史機(jī)遇》。他從 RISC-V 的發(fā)展歷程出發(fā)，分享了中國在開源芯片領(lǐng)域未來的發(fā)展機(jī)遇。

中國 RISC-V 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長戴偉民

一開始，他指出，由于晶體管、功耗等沒有太大改進(jìn)空間，并且在 2003 年就已經(jīng)從單一抵消處理器（芯片）轉(zhuǎn)換到了多核高效處理器（芯片），目前只能在專用領(lǐng)域加速器上找到突破口，即開發(fā)出能夠在某幾個特定任務(wù)上實(shí)現(xiàn)高效執(zhí)行，同時能夠提高計算單位功耗性能的芯片。

而 RISC（精簡指令集計算機(jī)）相對于復(fù)雜指令而言，不僅在指令讀取方面簡單 25%，在速度和功耗上也有其獨(dú)特的優(yōu)勢，如今最具代表性的成果便是 RISC-V。對此，戴偉民博士向大家展示了 RISC-V（以及在中國）的發(fā)展歷程：

·1979 年美國加州大學(xué)柏克利分校的 David Patterson 教授提出了 RISC 的概念；

·2010 年美國加州大學(xué)柏克利分校研究團(tuán)隊推出 RISC-V 指令集；

·2014 年，正式發(fā)布第一版用戶手冊；2015 年，RISC-V 基金會成立，吸引了全世界 150 多家企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的加入；

·2016 年，RISC-V 成為印度的事實(shí)國家指令集，同時美國、歐洲和俄羅斯等國家也開始全國推行；

·2018 年，RISC-V 在中國逐步商業(yè)化；

·2018 年 9 月 20 日，中國 RISC-V 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟正式成立。

他表示，中國實(shí)際上基本上所有類型的 CPU 都有了，但是敏銳度還是比較滯后，而要想在未來掌握 CPU 發(fā)展的主動權(quán)，需要實(shí)現(xiàn)四個層次——自主、可控、繁榮和創(chuàng)新，而 RISC-V 所具有的特性恰恰就能實(shí)現(xiàn)這四個層次，符合人工智能異構(gòu)計算的發(fā)展需要，因而也為中國在該領(lǐng)域未來的發(fā)展提供了不可多得的歷史機(jī)遇。

在這樣的背景下，前有中國 RISC-V 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟于 2018 年 10 月正式成立，聚焦了 100 多家會員單位；后有清華和伯克利攜手在 6 月 12 日成立 RISC-V 國際開源實(shí)驗(yàn)室（RISC International Open Source，RIOS），將瞄準(zhǔn)世界 CPU 產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展新方向和粵港澳大灣區(qū)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新需求，聚焦于 RISC-V 開源指令集 CPU 研究領(lǐng)域開展研究，建設(shè)以深圳為根節(jié)點(diǎn)的 RISC-V 全球創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，并最終推動全球 RISC-V 技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)程和軟硬件生態(tài)建設(shè)。

緊接著，由本次論壇的主持人包云崗研究員帶來《The Four Steps to Open-Source Chip Ecosystem》的主題演講。他基于自身轉(zhuǎn)向 RISC-V 研究的經(jīng)歷和經(jīng)驗(yàn)，分享了自己對于開源芯片領(lǐng)域的一些思考以及如何構(gòu)建開源芯片生態(tài)的觀點(diǎn)。

中科院計算所研究員包云崗

包云崗研究員首先分享了他之所以走向開源芯片這一研究領(lǐng)域的背景：2012 年開始，為了驗(yàn)證關(guān)于改進(jìn)芯片體系結(jié)構(gòu)的一個想法——標(biāo)簽化體系結(jié)構(gòu)，所在團(tuán)隊一開始在 Sparc T1 上進(jìn)行了嘗試，但是沒有成功驗(yàn)證該想法；半年后，經(jīng)過探索終于在 MicroBlaze 上驗(yàn)證了想法，但是無法實(shí)現(xiàn)開源和流片；因而最終轉(zhuǎn)向 RSIC-V ，并最終推出了「標(biāo)簽化 RISC-V」。而在這個過程中，包云崗研究員在包括 RISC-V 在內(nèi)的開源芯片領(lǐng)域積累了很多經(jīng)驗(yàn)，也有很多思考。

他指出，對于軟件開發(fā)而言，開源一方面能夠降低創(chuàng)新門檻，另一方面也能夠增強(qiáng)研究者的自主可控能力。然而芯片開發(fā)則與軟件開發(fā)完全不同，其面臨著開發(fā)門檻非常高，只有少部分大公司才能負(fù)擔(dān)得起，成為創(chuàng)新的巨大阻礙。另外值得注意的是，開源芯片領(lǐng)域現(xiàn)在也面臨非常嚴(yán)重的「死鎖」現(xiàn)象：企業(yè)不愿意進(jìn)行投入來開源→只能購買高價芯片→通過長時間的驗(yàn)證來降低風(fēng)險→反過來又增加了投入→更加不愿意投入。因此，降低芯片開發(fā)的門檻，意義重大。

而如何將成本降下來呢？包云崗研究員指出了三個機(jī)會：第一，貝爾定律依舊存在，IOT 這一新興產(chǎn)業(yè)正在崛起，帶來了新的需求：定制化、更小的尺寸、更低功耗和成本、新的編程模式，同時在制造工藝更加靈活；第二，摩爾定律的終結(jié)帶來了機(jī)會，芯片工藝成本，尤其是成熟工藝正在指數(shù)級下降，而摩爾定律的終結(jié)也意味著成熟工藝的生命周期也會變長，成本也不斷下降，帶帶來巨大價值；第三，黃金時代正在來臨，當(dāng)開源軟件、硬件，新語言，新應(yīng)用以及云融合在一起后，就會產(chǎn)生很多新的化學(xué)反應(yīng)。

又如何朝著開源芯片生態(tài)發(fā)展呢？對此，他認(rèn)為在這個過程中有四個步驟：第一步是 ISA、IP 和 Soc 實(shí)現(xiàn)開源；第二步是構(gòu)建語言和 EDA 的工具鏈；第三步是降低驗(yàn)證和仿真的門檻；第四步是具備適配的軟件和編譯器。

「我們現(xiàn)在非常需要一個平臺來將這些功能整合起來，我們的愿景是 90% 的功能都能通過這個平臺實(shí)現(xiàn)，而只需要用戶寫 10% 的代碼?！?/p>

來自北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院高能效計算與應(yīng)用中心的助理研究員羅國杰博士帶來的演講主題是《開源 EDA 與開源 IP：芯片未來生態(tài)的基礎(chǔ)設(shè)施》，他主要從開源 EDA 和開源 IP 的關(guān)系、開源 EDA 工具的研究現(xiàn)狀以及開源 EDA 工具生態(tài)的設(shè)想展開本次演講。

北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院高能效計算與應(yīng)用中心助理研究員羅國杰

演講一開始，羅國杰博士就指出當(dāng)前芯片設(shè)計困難重重，其中以設(shè)計成本為典型，并且目前設(shè)計成本也越來越難以跟隨摩爾定律，EDA 軟件許可證、較長的開發(fā)周期、開發(fā)人員的薪水、計算資源開銷等也成為設(shè)計成本中的幾大重要問題。而完整的開源芯片設(shè)計的 EDA 流程涉及到框架設(shè)計、邏輯設(shè)計、物理設(shè)計以及版圖設(shè)計等四大層面，開源要想取得成功也必須是以兼顧性能、功耗和應(yīng)用領(lǐng)域的高質(zhì)量（PPA）的開源為前提的。

針對開源 EDA 與開源 IP 關(guān)系，他指出，開源芯片由四個主體部分共同組成：一是完整的芯片，其由開源 IP 組成；二是開源 IP，它不僅需要 core，還需要 ddr phy 以及 usb、wifi 等工具；三是開源 EDA，其不僅能夠幫助 IP 進(jìn)行設(shè)計和驗(yàn)證，還能幫助 IP 實(shí)現(xiàn)集成或芯片設(shè)計；四是開源編譯器，RSIC-V 便是編譯器和指令集之間的接口。

其中，羅國杰博士重點(diǎn)介紹了 EDA 工具的行業(yè)現(xiàn)狀：目前僅國外 EDA 三大巨頭公司 Cadence、Synopsys 及 Mentor Graphics 就占據(jù)了全球該行業(yè)每年總收入的 70%，而中國本土雖然也有自主 EDA 軟件，例如華大 EDA 和 EasyEDA 等產(chǎn)品，做了多年技術(shù)積累，并擁有一大批成功用戶案例，但與國外 EDA 三大巨頭公司相比，在完整自動化設(shè)計流程上存在巨大的技術(shù)差異。

而作為全球最大的電子芯片消費(fèi)市場，我國對于 EDA 的需求也是全球最高的，然而在我國目前的 EDA 現(xiàn)狀下，我國學(xué)術(shù)界與工業(yè)界也只能廣泛采用國外的 EDA 工具——每年用來購買 EDA 工具的使用權(quán)的花費(fèi)高達(dá)數(shù)十億美元。我國自主開源硬件開發(fā) EDA 工具鏈成為急需發(fā)展和意義重大的事項(xiàng)。

不僅開源、可靠的 EDA 工具對我國市場有重要意義和研發(fā)動力，開源 EDA 工具的定制化也能夠驅(qū)動我國新興應(yīng)用和新興工藝的探索。與此同時，我國面臨的挑戰(zhàn)也十分明顯，包括芯片合計需要連接算法和物理層面，設(shè)計眾多復(fù)雜的專業(yè)知識；發(fā)展完整的 EDA 工具鏈需要眾多社區(qū)的支持和維護(hù)；運(yùn)行大規(guī)模設(shè)計的 EDA 工具需要大量高性能服務(wù)器。

最后，羅國杰博士對于如何進(jìn)一步提升開源 EDA 工具生態(tài)提出了三步：一是時限后端整合，解決芯片制造商接口和工具解決開源 EDA 與相對閉源制造是數(shù)據(jù)的矛盾；二是從開源硬件的角度，支持開源 IP 的 EDA 方法，以及推動開源 IP 與 EDA 社區(qū)的融合；三是建立 IP+EDA+開發(fā)數(shù)據(jù)的完善的生態(tài)體系，并實(shí)現(xiàn)工具和流程的流片驗(yàn)證。

論壇最后，由中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所在讀博士生余子濠帶來主題為《基于 Labeled RISC-V 的芯片敏捷開發(fā)》的演講。他為大家介紹了降低門檻開發(fā)的解決方案——芯片敏捷開發(fā)，并從其之前參與的研究項(xiàng)目出發(fā)，分享了敏捷開發(fā)的優(yōu)勢以及一些經(jīng)驗(yàn)。

中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所在讀博士生余子濠

目前，芯片開發(fā)需要投入相當(dāng)?shù)娜肆蜁r間才能開展 ， 并且具有一定的風(fēng)險 ， 芯片開發(fā)的門檻一直居高不下。在這樣的背景下，其中的一個解決方案便是芯片敏捷開發(fā)，這種方法能夠有效降低開發(fā)成本，不過也需要三個前提條件：一個開放的指令集、一個開源的微架構(gòu)實(shí)現(xiàn)以及一門面向敏捷開發(fā)法的設(shè)計語言。而加州大學(xué)伯克利分校先后設(shè)計出的開放指令集 RISC-V，并開放的其 SoC 實(shí)現(xiàn) Rocket Chip 的項(xiàng)目源碼 ， 以及提出的一門面向敏捷開發(fā)的硬件構(gòu)建語言 Chisel 正好就構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)芯片敏捷開發(fā)的「新三架馬車」。

余子濠博士之后更是基于中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所在「標(biāo)簽化 RISC-V」項(xiàng)目開發(fā)過程中的若干案例 ， 為大家總結(jié)了敏捷開發(fā)的優(yōu)勢以及過程中選用工具和語言的經(jīng)驗(yàn)：

·與傳統(tǒng)開發(fā)相比，敏捷開發(fā)能在編碼效率提升一個數(shù)量級的同時 ， 能達(dá)到與傳統(tǒng)硬件開發(fā)模式相當(dāng)甚至更優(yōu)的性能、功耗與面積；

·開放又活躍的指令集生態(tài)（如 RISC-V）及其開源的微結(jié)構(gòu)設(shè)計是推動芯片研發(fā)創(chuàng)新的必要條件；

·Chisel 的信號整體連接、元編程、面向?qū)ο缶幊桃约昂瘮?shù)式編程等特性可大幅縮減代碼量、提升代碼可維護(hù)性，但同時，Chisel 和后端配合還存在不少問題待改進(jìn)。