迎接新一輪處理器芯片技術與產業變革浪潮。

11月22日，2023國際產學研用合作會議（北京）召開了開幕式暨主論壇，本次開幕式由清華大學、北京航空航天大學、對外經濟貿易大學、首都經濟貿易大學共同承辦。

著力搭建中外高校、科研院所、企業學術交流和合作對接平臺，與更多國際友好創新力量共同拓展合作版圖，共同營造開放創新生態，以數字化、綠色化手段推動全球高質量發展，持續推動國際產學研用合作高質量發展，構建高水平對外開放合作共贏新格局，為共筑人類命運共同體作出更大貢獻。

下午，集成電路分論壇上，中國科學院計算技術研究所副所長包云崗研究員，做了《迎接新一輪處理器芯片技術與產業變革浪潮》的主題演講。

包云崗首先介紹了處理器芯片技術與產業變革浪潮的驅動力。2023年年初，在MIT技術科技評論里面，其實它每年都會有十大突破性技術之一，就是RISC-V芯片設計，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計。這昭示著新一輪的芯片設計變革浪潮正在來臨。

第一個驅動力是定制化的驅動力。回顧歷史，上一輪技術變革浪潮在1970年代和1980年代，當時開始指令集之爭，是使用Cisc指令級，還是Risc的指令級；芯片設計方法變革，從手工去繪制電路圖，到用計算機輔助設計逐漸演進到今天的電子設計自動化。在變革浪潮當中，涌現出了一批的企業，這些企業到了今天已經逐漸發展成為世界上這樣領軍的企業，包括Arm、英特爾以及Cadence。

1981年，DARPA啟動了一個項目叫MOSIS，這個項目當中提出了一種MPW模式，這個模式數量級的降低了芯片設計的成本，使得大學里面也可以做芯片、可以去流片。過去40余年，MOSIS項目現在還存在于南加州大學，為全世界尤其是美國的企業流了6萬多款芯片，培養了幾十萬人才。

MOSIS還催生了一種新的半導體的模式，有一批企業能夠專注于設計，而不需要關心制造。再有一批企業像臺積電、三星那樣，他就可以專注于制造，讓產業擁有了更細的分工。這個項目催生出了一批芯片設計公司，像今天看到的Nvidia、Qualcomm、Broadcom、Xillinx。這就是在上一輪變革浪潮當中技術變革所帶來的影響。

40年后的今天，我們已經開始面臨新的挑戰，需要應對摩爾定律的放緩。學術界和工業界都認為要定制。定制化能夠把晶體管的潛力發揮得更好。雖然當前的一個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。

對晶體管內部結構了解的差異，會讓兩個程序員寫出來的程序性能差別達到63,000倍。懂架構的程序員畢竟是少數，如何解決這樣的問題？對此，包云崗表示，可以把這些專業的知識沉淀到硬件當中去，以“領域專用架構”的方式讓芯片的效率更高。這就是定制化所帶來的驅動力。

第二個驅動力來自于貝爾定律。貝爾發現每隔十年會出現新一類計算機（新編程平臺、新網絡連接、新用戶接口、新使用方式且更廉價），與之相應的會形成一個新的產業，對芯片產生新需求。今天面臨的領域是萬物互聯，這種模式會帶來千億量級的芯片需求，這些芯片的需求特點是碎片化，每個領域的芯片要求都不一樣。傳統的通用架構，很難去應對這種新的時代，行業需要有一些新的方法來去應對，這個是另外一個驅動力。 第三個驅動力來自產業，當前在芯片設計領域里面要做一個初創公司，成本很高。包云崗介紹，互聯網行業的初創公司的融資種子輪大概為50萬美元；A輪300萬美元可以做一個原型；2000萬美元可以把一個產品可以在大規模推廣。但是在芯片領域遠遠不夠，芯片領域要做出一個原型芯片，往往融資要到千萬美元。芯片設計高昂的門檻一定程度上的阻礙了創新的思想，會阻礙產業的創新和繁榮。如何降低芯片設計的門檻也是一個驅動力。?

包云崗用互聯網產業的發展舉例，表明了開源的重要性?；ヂ摼W產業在過去二十年左右成功的發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，降低到幾個大學生，幾個小團隊，也能做一個APP出來。開源應對了碎片化的需求，是一個降低門檻并且能夠應對碎片化的有效的途徑。

這提出一個問題：芯片領域為什么沒有開源？ 過去半個世紀開源軟件越來越靈活，但是在芯片領域里面，行業始終沒有實現像軟件行業一樣的開源，這與芯片開發的流程有關。芯片開發的過程首先需要指令集，然后根據指令集來設計文檔，形成文檔再寫代碼，最后通過EDA工具變成版圖。但是在過去半個世紀指令集都是私有，指令集都在公司手里。指令集的私有讓后續過程的開源變得不可實現。

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

今天RISC-V迎來了新一輪技術變革的浪潮，這一輪變革浪潮當中，它也有兩個特征，第一個特征是從私有向公有開放共享去轉變。第二個設計方法也在改變，從傳統向AI輔助設計，像開源頂層設計轉變。

這個過程當中就會涌現出一批的企業出來，包括很多中國的企業，這也是新一輪技術變革的浪潮帶給我們的機會。全世界都在發展RISC-V。? 現在 RISC-V基金會在全球有70個國家，3800多個會員來參與。從區域來看的話，主要還是中美歐三個區域。

據包云崗介紹，今年8月份中國召開了與歐洲、北美并列的RISC-V的峰會，會議有超過2000人報名，800多家企業積極參與?？梢钥闯?RISC-V在國內已經形成相對較好的發展態勢。?

技術角度看變革

總的來說，發展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，形成一個新的生態，即開源芯片的生態。通過開源可以實現90%的功能，大幅度降低芯片設計的門檻，從而釋放創新的活力來賦能千行百業。

談到如何實現這一點？包云崗表示可以從開源軟件的經驗中學習。通過與開源軟件開發流程的對比，布局芯片領域缺失的環節，進而打通開源處理器的開發流程。

從過去五十年編程方法的演進歷程可以發現，編程方法和開源是緊密聯系的。

從分解角度來開，分解一個大型的軟件（對象），可以復雜代碼精簡化，更多人可以看懂的也可以參與修改，進而促進了軟件生態的發展。反過來說，這種模式可以更好的去復用，也可以更快的去迭代。設計模式和方法結合起來以后，推動了軟件的快速發展。 在過程當中，編程語言逐步演進，分解與抽象能力不斷提升。這些過程當中也是誕生了很多的這樣的一些創新的技術，面向早期對象語言的奠基性工作 Simula 和 Smalltalk 均獲得圖靈獎。

除了分解以外還有組合，組合很重要的一點就是要有統一的接口，接口協議很重要。所以大家很重視API的問題，有一些API調用接口把它定義清楚以后，不同之間的模塊跟怎么進行對接，從而可以很容易組合，也可以容易擴展。在軟件中，D-bus可以來幫助模塊接近，這種模式進一步又可以促進一些眾包式的開發。

包云崗表示，當前的軟件已經是高度的眾包式開發了，即把一個復雜的軟件，分成很多模塊分發到不同社區里面，再通過一些方式把它組合起來。?

開源也推動了軟件測試驗證方法的發展。90年代開始，一些編譯的團隊針對開源軟件進行測試，隨著開源軟件變成了軟件工程測試的對象，行業發展出一系列的新興的工具，推動了軟件測試方法的發展。

開源不僅僅是把源代碼公開，開源的背后有一系列的技術在支撐，這些技術同時推動著整個生態的發展。這就是開源芯片所希望看到的結果，目前開源芯片領域中，還有很多這樣的創新的機會可以挖掘。

開源芯片項目：香山

香山項目引入了一個面向對象的層次。這個層次把傳統的面相電路的設計方法轉變成面向對象的設計，這種方式可以讓 CPU 設計變成像樂高積木一樣。包云崗介紹，在項目初期香山團隊曾擔心描述對象的方式可能會影響芯片性能，不過在實踐中發現，這樣的方法是可以開發出高性能處理器的。?

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包云崗介紹，目前在香山實踐當中已經大量的使用面向對象。通過這種方式，可以用一套代碼同時實現兩種指令級，即用面相對象里面的繼承和多態的方式，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到80%；同時也可以提高開發效率，從六個星期減少到三天。2020年，快速完成第一版亂序6發射香山處理器實現，三個月啟動Linux。2022年，設計代碼66944行，驗證代碼30983行。

這種方式也帶來了驗證方面的問題。香山重新建立了一個敏捷的電子開發平臺，這個平臺里面包含了有大概十幾個工具，可以來幫助實現一套敏捷的驗證的平臺。這些工具包括性能驗證、功能驗證，加起來有20個工具，入選2022年度體系結構領域全球12項亮點成果（IEEE Micro Top Picks）。

香山項目形成了聯合開發的模式?，F在香山已經發展到第三代，可以和Arm的一些高性能處理器在性能上對標。根據RISC-V國際基金會技術委員會評估，香山是目前國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標Arm A76。香山項目也是國際上最活躍的開源芯片項目之一。

包云崗舉了一個例子。一家初創公司基于香山開源CPU IP核，兩周實現SoC演示系統，并且可以在APP上運行3D游戲?？梢钥吹介_源真的是幫助企業能夠快速構建產品、降低門檻。這家企業的創始人表示，如果需要購買Arm的相關IP需要花費3000萬，但是有了香山可以很快實現一個demo。?

現在越來越多的企業基于香山去做一些產品，所以開源項目真正的是有希望從學術界走向這種產業界。

最后，包云崗對RISC-V進行了未來的展望。1981年，IBM推出個人電腦（PC），并公開了設計文檔，包括源代碼、電路圖，成就繁榮的PC市場，實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年代有建設一批的 PC的公司。甚至像戴爾大學沒畢業，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之前一臺個人電腦大概將近1萬美元，當時惠普的電腦是9000多美元，但是有了IBM以后，PC推出來以后一下子降到了1000萬美元，從而使PC進入千家萬戶。比爾·蓋茨說要讓每個家庭都有一臺PC，實際上IBM真正幫他實現了這個愿望。

開源能夠催生一個新興產業，開源芯片是構建全球芯片共同體。包云崗表示，開源芯片可以賦能未來的新興產業。同時也希望通過技術的開源讓更多人受益，一起構建全球的開放共享生態。

審核編輯：黃飛

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