本文來源：中國科學(xué)院院刊。作者：包云崗、孫凝暉。ZFsesmc

近年來，開源指令集RISC-Ⅴ以其“指令集應(yīng)該免費(fèi)”（instruction sets want to be free）的宗旨得到全世界的廣泛認(rèn)可與積極投入。ZFsesmc

基于RISC-Ⅴ構(gòu)建開源芯片生態(tài)，有望形成普惠世界的處理器芯片領(lǐng)域的“人類命運(yùn)共同體”。開源芯片技術(shù)體系仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，而中國具備很好的條件，應(yīng)抓住機(jī)遇積極參與，為開源芯片生態(tài)技術(shù)體系的建設(shè)作出貢獻(xiàn)。ZFsesmc

“開源”（open source）全稱為開放源代碼，其最大的特點(diǎn)是開放，即在版權(quán)限制范圍之內(nèi)任何人都可以得到源代碼，并加以修改學(xué)習(xí)、重新發(fā)放。開源模式于20世紀(jì)80年代初開始在軟件領(lǐng)域流行，現(xiàn)已成為軟件領(lǐng)域不可或缺的一種開發(fā)模式。2019年的一組調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，高達(dá)99%的軟件使用開源組件。ZFsesmc

如今，開源模式已經(jīng)擴(kuò)展到硬件領(lǐng)域，尤其在處理器芯片領(lǐng)域，基于開源指令集RISC-Ⅴ的開源芯片生態(tài)正在快速崛起，為包括中國在內(nèi)的廣大發(fā)展中國家突破中央處理器（CPU）芯片領(lǐng)域的技術(shù)壟斷和市場壟斷帶來新機(jī)遇。但同時(shí)也不能盲目樂觀，開源軟件經(jīng)歷了近40年的發(fā)展才形成今天的蓬勃態(tài)勢，而開源芯片還處于起步階段，要構(gòu)建相對完整的技術(shù)體系進(jìn)而形成一個(gè)開源芯片生態(tài)，仍然面臨諸多挑戰(zhàn)和難題。ZFsesmc

ZFsesmc

 科技開源的意義

2021年6月，在RISC-Ⅴ中國峰會的大會主題報(bào)告中李世默提出一個(gè)鮮明的觀點(diǎn)：科技開源將會是突破科技排他性的有效手段。李世默認(rèn)為，過去30年開展的全球化是封閉的全球化，發(fā)展模式通常由少數(shù)國家主導(dǎo)，最終形成了三大排他性，即經(jīng)濟(jì)排他性、政治排他性和科技排他性。在這一輪全球化過程中，中國提出了“社會主義市場經(jīng)濟(jì)”“人類命運(yùn)共同體”“一帶一路”等一系列開放、包容的新路線、新理念、新倡議，并發(fā)起創(chuàng)辦亞洲基礎(chǔ)設(shè)施投資銀行，從而突破了經(jīng)濟(jì)排他性與政治排他性。ZFsesmc

科技排他性已成為全球化進(jìn)程的主要障礙之一。以芯片領(lǐng)域?yàn)槔?，眾所周知，芯片已成為支撐各行各業(yè)的基石，但是芯片領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)集中在個(gè)別國家的少數(shù)企業(yè)，導(dǎo)致全球芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展極不平衡，且面臨極大的供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)。近期，全球陸續(xù)出現(xiàn)“缺芯潮”，導(dǎo)致汽車制造等重要工業(yè)領(lǐng)域停工停產(chǎn)，使世界各國都蒙受了不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。中國作為制造業(yè)大國，仍需大量進(jìn)口芯片，甚至面臨“卡脖子”困境。對于全球廣大發(fā)展中國家而言，更無力應(yīng)對少數(shù)國家在芯片領(lǐng)域的技術(shù)和市場壟斷。ZFsesmc

科技開源，其從單一走向多元，從排他走向包容，從普世走向普惠，將會是突破科技排他性的有效手段。事實(shí)上，開源也存在競爭，不投入就會在開源生態(tài)構(gòu)建過程中喪失話語權(quán)和主導(dǎo)權(quán)。發(fā)達(dá)國家一直以來對科技開源比較重視。2016年，美國政府發(fā)布《聯(lián)邦源代碼政策》，要求聯(lián)邦機(jī)構(gòu)將新開發(fā)的源代碼以不少于20%的比例開源。過去20年，歐盟成員國（包括英國）共出臺了超過75份政策文件和25份法律文件，積極推動開源發(fā)展。發(fā)達(dá)國家的企業(yè)與大學(xué)均十分重視對開源技術(shù)的投入。英特爾、谷歌、亞馬遜等國際知名企業(yè)，以及美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校、普林斯頓大學(xué)、麻省理工學(xué)院等世界一流大學(xué)都開發(fā)出有影響力的開源項(xiàng)目。2018年的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)顯示，在全球最大的開源代碼托管網(wǎng)站GitHub上，全世界參與開源項(xiàng)目人數(shù)最多的公司是微軟，有高達(dá)4550名員工參與；谷歌則排第二，有2267名員工參與。ZFsesmc

2021年3月發(fā)布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》（以下簡稱《“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)》）中明確提出支持?jǐn)?shù)字技術(shù)“開源”發(fā)展?？萍奸_源，還需要引導(dǎo)中國企業(yè)、學(xué)術(shù)界加大對開源的投入，需要形成一批中國發(fā)起的有影響力的開源項(xiàng)目。ZFsesmc

 ZFsesmc

 ZFsesmc

 ZFsesmc

 處理器芯片設(shè)計(jì)新趨勢：開源模式

芯片按功能可分為處理器芯片、存儲芯片和其他功能芯片。其中，處理器芯片是電子設(shè)備的“大腦”，作為基石和底板支撐了占我國國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）總額近1/6的信息產(chǎn)業(yè)。過去20年，我國一直高度重視處理器芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，出臺一系列產(chǎn)業(yè)政策并取得了積極效果，但一些企業(yè)仍面臨核心處理器芯片被“卡脖子”的困境。ZFsesmc

近年來，開源指令集RISC-Ⅴ以其“指令集應(yīng)該免費(fèi)”（instruction sets want to be free）的宗旨得到全世界的廣泛認(rèn)可與積極投入。截至2021年9月，RISC-Ⅴ國際基金會的會員已覆蓋70多個(gè)國家，總數(shù)已超過2300個(gè)，其中企業(yè)和機(jī)構(gòu)超500家。RISC-Ⅴ物聯(lián)網(wǎng)處理器芯片已大規(guī)模商用，僅國內(nèi)就有超5億顆RISC-Ⅴ核心芯片投放市場；同時(shí)，開始出現(xiàn)使用先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的中高端芯片研發(fā)投入，多家企業(yè)已開始布局5/7nm高性能RISC-Ⅴ處理器開發(fā)。開源開放也大幅度加速了處理器芯片架構(gòu)創(chuàng)新，基于RISC-Ⅴ的類腦、眾核等新型計(jì)算芯片的研發(fā)方興未艾。未來數(shù)年，將出現(xiàn)RISC-Ⅴ與人工智能（AI）、高性能計(jì)算等產(chǎn)業(yè)互促發(fā)展的良好局面。ZFsesmc

開源指令集打破了其他指令集屬于公司私有的現(xiàn)狀，為構(gòu)建開源芯片生態(tài)技術(shù)體系提供了可能性。開源芯片，就是將芯片設(shè)計(jì)相關(guān)的源代碼和文檔免費(fèi)公開，降低使用者的獲取成本，降低芯片設(shè)計(jì)的門檻。開源芯片發(fā)展新趨勢存在三大驅(qū)動力：①“摩爾定律”逐漸放緩，領(lǐng)域?qū)Ｓ皿w系結(jié)構(gòu)（DSA）開始盛行，但DSA會引起碎片化問題，從而使得芯片設(shè)計(jì)成本與周期2個(gè)維度同時(shí)降低門檻；②芯片研發(fā)門檻高客觀上阻礙了創(chuàng)新，而降低門檻激發(fā)了創(chuàng)新活力、繁榮了芯片產(chǎn)業(yè)；③芯片架構(gòu)人才緊缺，而降低門檻有助于快速和大規(guī)模培養(yǎng)高水平芯片設(shè)計(jì)人才。ZFsesmc

從突破科技排他性角度來看，基于RISC-Ⅴ構(gòu)建開源處理器芯片生態(tài)，既有機(jī)會破解我國核心處理器芯片被“卡脖子”的現(xiàn)狀，又能夠協(xié)同全球各國特別是眾多發(fā)展中國家共同構(gòu)建開源處理器芯片生態(tài)，并開拓新興應(yīng)用市場。這是一種突破處理器芯片壟斷格局的新路線，有望形成普惠世界的處理器芯片領(lǐng)域的“人類命運(yùn)共同體”。ZFsesmc

ZFsesmc

 構(gòu)建開源芯片生態(tài)技術(shù)體系的新機(jī)遇

3.1 開源軟件生態(tài)降低了軟件創(chuàng)新門檻ZFsesmc

開源軟件經(jīng)歷近40年的發(fā)展，如今各類商業(yè)軟件幾乎都有對應(yīng)的開源版本，特別是操作系統(tǒng)、編譯器、數(shù)據(jù)庫、函數(shù)庫等基礎(chǔ)軟件，一些開源軟件綜合性能甚至優(yōu)于商業(yè)軟件。這些開源軟件已經(jīng)構(gòu)成一套較為完整的技術(shù)體系，進(jìn)而形成一個(gè)價(jià)值達(dá)到數(shù)百億美元的開源軟件生態(tài)。開源軟件生態(tài)降低了軟件創(chuàng)新的門檻，為軟件企業(yè)節(jié)省了大量的時(shí)間與成本。例如，開源軟件LAMP組合或MEAN組合已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)公司（尤其是初創(chuàng)公司）構(gòu)建業(yè)務(wù)的標(biāo)配，讓企業(yè)可以更專注于業(yè)務(wù)創(chuàng)新。工業(yè)和信息化部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2018年，我國擁有近450萬個(gè)手機(jī)應(yīng)用程序（APP），數(shù)量雄踞世界第一，這正是受益于開源軟件極大地降低了APP的開發(fā)門檻。ZFsesmc

3.2 處理器芯片設(shè)計(jì)具有規(guī)范的流程ZFsesmc

相比價(jià)值已達(dá)數(shù)百億美元的開源軟件生態(tài)，開源芯片仍處于起步階段。雖然開源指令集RISC-Ⅴ得到全世界的積極響應(yīng)，但僅有指令集離一套較為完整的技術(shù)體系還有很大差距。如圖1所示，處理器芯片設(shè)計(jì)流程一般包括3個(gè)階段。ZFsesmc

階段1：根據(jù)指令集手冊進(jìn)行微架構(gòu)設(shè)計(jì)，輸出一系列設(shè)計(jì)文檔。ZFsesmc

階段2：投入相當(dāng)?shù)墓こ汤碚?，把微架?gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為寄存器傳輸級（RTL）源代碼。ZFsesmc

階段3：使用電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）工具將RTL源代碼轉(zhuǎn)化為可供流片的芯片版圖。ZFsesmc

3.3 開源芯片技術(shù)體系和RISC-Ⅴ具有完善的層級ZFsesmc

3.3.1 開源芯片技術(shù)體系的3個(gè)層次一套完整的開源芯片技術(shù)體系包括L1——開源指令集、L2——開源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、L3——開源工具3個(gè)層次（圖1）。ZFsesmc

ZFsesmc

（1）L1——開源指令集。ZFsesmc

指令集架構(gòu)ISA（instruction set architecture）本質(zhì)上是一種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其表現(xiàn)形式是一份手冊文檔。開源指令集的內(nèi)涵包含2個(gè)方面：①任何人都可以免費(fèi)獲取指令集手冊，根據(jù)手冊免費(fèi)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)自己的處理器芯片；②指令集的演進(jìn)由開源社區(qū)共同制定，而不是由某個(gè)公司掌控。ZFsesmc

（2）L2——開源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。ZFsesmc

處理器芯片的微架構(gòu)設(shè)計(jì)一般由設(shè)計(jì)文檔記錄，處理器芯片的實(shí)現(xiàn)則是用硬件描述語言（如Verilog、Chisel等）來描述設(shè)計(jì)文檔中的微架構(gòu)設(shè)計(jì)，形成一份寄存器傳輸級（RTL）源代碼。開源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)涵包含2個(gè)方面——微架構(gòu)設(shè)計(jì)文檔和RTL源代碼，均可免費(fèi)獲取。ZFsesmc

（3）L3——開源工具。ZFsesmc

處理器芯片的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中需要使用各種工具，主要包括三大類：①微架構(gòu)設(shè)計(jì)空間優(yōu)化工具，包括軟件模擬器、程序特征分析工具、性能/功耗建模與評估工具等；②測試與驗(yàn)證工具，包括不同層次（模塊級、組件級、IP級、SoC級等）的功能正確性驗(yàn)證工具、錯(cuò)誤定位與追蹤工具、形式化驗(yàn)證工具、自動化測試框架與測試用例等；③EDA工具，包括綜合工具、布局布線工具、仿真工具、版圖生成與驗(yàn)證工具等。ZFsesmc

由此可見，L1級是整個(gè)開源芯片技術(shù)體系的基礎(chǔ)；沒有L1級的開源指令集，則不可能有L2級開源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。這也正是RISC-Ⅴ指令集的價(jià)值所在，它賦予了全世界所有人免費(fèi)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)處理器芯片的平等機(jī)會。雖然L1是基礎(chǔ)，但要設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一個(gè)處理器，L2——開源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與L3——開源工具更為重要，而且2個(gè)層次緊密聯(lián)系。用操作系統(tǒng)作類比，可移植操作系統(tǒng)接口（POSIX）系統(tǒng)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)屬于L1級，Linux操作系統(tǒng)源代碼屬于L2級，C語言/GCC編譯器則屬于L3級。ZFsesmc

3.3.2 RISC-Ⅴ的分級情況ZFsesmc

根據(jù)上述開源芯片技術(shù)體系分類，可將RISC-Ⅴ的級別層次現(xiàn)狀進(jìn)行梳理。ZFsesmc

（1）RISC-Ⅴ處于L1級，它允許全世界任何人免費(fèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)RISC-Ⅴ處理器，可以是商用，也可以開源，其中基于RISC-Ⅴ的商業(yè)處理器IP則停留在L1級。ZFsesmc

（2）目前，國際上已有超過100個(gè)開源RISC-Ⅴ處理器實(shí)現(xiàn)，如伯克利的Rocket/BOOM、阿里平頭哥半導(dǎo)體有限公司的玄鐵系列、芯來科技有限公司的蜂鳥E200等，這些開源RISC-Ⅴ處理器都處于L2級。因?yàn)樗鼈冸m然開源了處理器源代碼，但相應(yīng)的設(shè)計(jì)工具并未開源。ZFsesmc

（3）理想的L3級應(yīng)該是設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)開源芯片的工具全部開源，目前全世界范圍尚未達(dá)到這個(gè)水平。中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所開發(fā)了開源高性能RISC-Ⅴ處理器“香山”，同時(shí)將開發(fā)“香山”的一系列底層工具也開源，已經(jīng)向L3級靠近。但“香山”也還未完全達(dá)到L3級，因?yàn)楫?dāng)前“香山”的開發(fā)過程中仍需大量使用商業(yè)EDA工具。只有開源EDA取得突破性進(jìn)展，L3級開源芯片才能真正得以實(shí)現(xiàn)。ZFsesmc

ZFsesmc

 構(gòu)建開源芯片生態(tài)技術(shù)體系面臨的挑戰(zhàn)與對策

4.1 挑戰(zhàn)ZFsesmc

當(dāng)開源芯片技術(shù)體系達(dá)到L2級，就基本具備了構(gòu)建開源芯片生態(tài)的條件。開源芯片生態(tài)的形成，開源處理器（L2級）僅僅是一個(gè)必要條件，還需要軟件、應(yīng)用、人才、資金等多種關(guān)鍵要素。雖然RISC-Ⅴ在中國發(fā)展得如火如荼，但基于RISC-Ⅴ構(gòu)建開源芯片生態(tài)仍面臨若干挑戰(zhàn)。ZFsesmc

（1）生態(tài)不成熟且碎片化嚴(yán)重。缺少技術(shù)主線和主導(dǎo)力量，尚不能真正有效匯聚全球研發(fā)力量，這阻礙了技術(shù)的持續(xù)迭代和應(yīng)用拓展。ZFsesmc

（2）公共服務(wù)與賦能平臺缺位。國內(nèi)自發(fā)形成的聯(lián)盟事實(shí)上承擔(dān)了極為有限的職能，組織松散且力度不足，無法形成對生態(tài)的系統(tǒng)性支持和引導(dǎo)。ZFsesmc

（3）尚未形成有效的國內(nèi)合作機(jī)制。國內(nèi)相關(guān)科研院校、龍頭企業(yè)未能形成合力，諸多共性技術(shù)未能有序布局、合作攻關(guān)，重復(fù)投入導(dǎo)致資源浪費(fèi)嚴(yán)重。ZFsesmc

（4）中國企業(yè)在RISC-Ⅴ國際基金會話語權(quán)仍需加強(qiáng)。我國RISC-Ⅴ相關(guān)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在與RISC-Ⅴ國際基金會的合作過程中，雖有合作松散等自身原因，但更因國際話語權(quán)缺失，導(dǎo)致尚未能在國際上協(xié)同推動有利于我國的技術(shù)生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。ZFsesmc

4.2 對策ZFsesmc

20世紀(jì)80年代以來，歐美國家形成了一批基于產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的創(chuàng)新聯(lián)合體，如MCC、SRC、IMEC和Sematech等。經(jīng)過近40年的發(fā)展，這些研究機(jī)構(gòu)取得了業(yè)界公認(rèn)的成就，在原始創(chuàng)新、技術(shù)轉(zhuǎn)移與專利共享、人才培養(yǎng)等方面取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)，對全球半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了重要作用，受到政產(chǎn)學(xué)研等各方的好評和支持。因此，加速基于RISC-Ⅴ的開源芯片生態(tài)建設(shè)，需聯(lián)合多家企業(yè)共同開發(fā)共性基礎(chǔ)技術(shù)，這迫切需要在國內(nèi)建設(shè)一個(gè)開源芯片新型研究機(jī)構(gòu)作為總體研發(fā)平臺。對此，《“十四五”規(guī)劃與2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中提出了“支持?jǐn)?shù)字技術(shù)開源社區(qū)等創(chuàng)新聯(lián)合體”的指導(dǎo)思路。聯(lián)合多家企業(yè)共同構(gòu)建開源芯片生態(tài)，這正是《“十四五”規(guī)劃與2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中大力倡導(dǎo)的“創(chuàng)新聯(lián)合體”模式。目前，中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所正積極探索構(gòu)建開源芯片創(chuàng)新聯(lián)合體模式，準(zhǔn)備聯(lián)合企業(yè)力量，匯聚地方資源，逐步形成國際領(lǐng)先且開放包容的RISC-Ⅴ協(xié)同創(chuàng)新體系，加速RISC-Ⅴ開源芯片生態(tài)建設(shè)。ZFsesmc

 結(jié)語ZFsesmc

20世紀(jì)80年代，開源模式在軟件領(lǐng)域開始流行，如今已經(jīng)擴(kuò)展到芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域。開源模式作為一種有效地突破科技排他性的手段，對于關(guān)鍵核心技術(shù)被個(gè)別國家的少數(shù)企業(yè)所壟斷的芯片領(lǐng)域，意義尤其重大——開源芯片有望聯(lián)合并賦能全世界更多國家特別是發(fā)展中國家的芯片產(chǎn)業(yè)。當(dāng)然，開源芯片仍處于起步階段，仍然面臨諸多挑戰(zhàn)和需要解決的問題。中國在開源芯片領(lǐng)域具備很好的條件，有機(jī)會成為開源芯片領(lǐng)域的引領(lǐng)者。ZFsesmc

作者介紹ZFsesmc

包云崗ZFsesmc

中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所副所長、研究員，中國科學(xué)院大學(xué)教授。中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會優(yōu)秀會員、第三屆與第四屆理事，中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟秘書長，RISC-V國際基金會理事，《中國科學(xué)院院刊》青年編輯委員會主任。從事計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和開源芯片方向前沿研究，主持研制多款達(dá)到國際先進(jìn)水平的原型系統(tǒng)，相關(guān)技術(shù)在華為、阿里、英特爾、微軟等國內(nèi)外企業(yè)應(yīng)用。發(fā)表學(xué)術(shù)論文 70 余篇，長期受邀擔(dān)任國際頂級會議程序委員會委員。入選 ARM 全球研究峰會45分鐘特邀大會報(bào)告，獲“CCF-Intel 青年學(xué)者”獎(jiǎng)、“CCF-IEEE CS”青年科學(xué)家獎(jiǎng)、共青團(tuán)中央“全國向上向善好青年”榮譽(yù)稱號等。ZFsesmc

孫凝暉ZFsesmc

中國工程院院士，中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所學(xué)術(shù)所長、研究員、博士生導(dǎo)師，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，中國科學(xué)院大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長?！队?jì)算機(jī)學(xué)報(bào)》主編，《中國科學(xué)院院刊》編委，中國科學(xué)院信息科技領(lǐng)域發(fā)展路線圖戰(zhàn)略研究專家組組長。主要研究領(lǐng)域包括高性能計(jì)算、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。ZFsesmc

ZFsesmc

 ZFsesmc