基于開源大趨勢的芯片設計正在走向開放

摘 要：開源項目中體現的數字優先思維方式和遠程優先協作模式是解決創新研發生態商業協同難題的有效生產方式，已經成為EDA等關鍵軟硬件技術升級和產業發展的主要模式。在芯片設計領域，開源RISC-V發展迅速，生態、產品化均有長足進展。AI大模型的運算，需要在處理單元與存儲單元之間做大量的數據遷移，給芯片的功耗、成本帶來極大負擔，對算力提出更高需求。RISC-V作為一種開源指令集，其開放性可以在芯片開發中給予設計人員更大的自由度與創新空間。作為最受關注的開源硬件項目之一，中國的香山（一款開源RISC-V處理器核）在GitHub獲得了超過3580個芯標，在全球有著巨大的影響力。香山項目如何發展，如何進一步發揮RISC-V開源優勢推進創新，中國在全球RISC-V生態中發揮著怎樣的作用，未來發展趨勢如何演變等，已成為市場關注的重點方向。

關鍵詞：開源；芯片開放設計；RISC-V；香山；德州儀器模式；變革與機遇

開源是推進基礎軟硬件建設的重要條件和基礎，開源通過匯聚創新資源、構建信任環境、促進智慧知識技術成果等的共享，加速創新要素高效流動，創造更大的價值。在EDA領域，開源范圍包括芯片設計驗證及測試、邏輯綜合、物理設計建模、物理驗證、器件模型參數提取、工藝模型以及PDK驗證設計板設計及驗證等，這些領域的開源都為EDA的發展提供了源源不斷的活力。在芯片設計領域，開源RISC-V發展迅速，生態、產品化均有長足進展，如何進一步發揮開源優勢，推進創新，成為市場關注方向。 RISC-V作為一種開放指令集架構在全球范圍內的影響力和吸引力日益凸顯，得到了全球學術界、產業界的積極參與，而中國也在全球RISC-V生態中發揮著重要作用。當前，人們對AI算力的需求迅猛增長。在 AI算力需求增長過程中，離不開通用計算的支持，面對一種復雜的應用，處理器不可能只有AI加速器，而是需要多種處理器的協同整合。AI大模型的運算，需要在處理單元與存儲單元之間做大量的數據遷移，這給芯片的功耗、成本帶來極大負擔的同時，對芯片設計也提出了更高要求。

一、芯片設計正在走向開放

當前，全世界對芯片的發展逐漸形成一個共識，即芯片也開始朝著開源芯片的方向趨近。今年麻省理工學院的《技術評論》（Technology Review）評出十大科技突破性進展，把RISC-V列為其中一項，該評論特別指出芯片設計正在走向開放，同時靈活、開源的RISC-V有望改變一切芯片設計。20世紀80年代，芯片設計架構迎來一波技術變革的浪潮，芯片設計從復雜指令級轉變到精簡指令級，指令級架構從私有轉變至開放共享。幸運的是，包含各個機構在內的中國企業都在這波浪潮中發揮了積極作用。為什么這種開源開放能帶來價值，能帶來影響力和生命力？

今年圖靈獎的獲得者，是發明以太網的梅特卡夫（Robert Metcalfe）。不過，在20世紀七八十年代，他并不是以太網的唯一研發者，當時很多企業都在研制類似技術，甚至IBM、蘋果都在做局域網這種互聯技術。那么，為什么50年后以太網脫穎而出成為現有局域網采用的最通用的通信協議標準，并發展成為可以創造300億美元以上的規模產業？圖靈獎公告提及了兩個關鍵詞最為核心，一個是商業化，另一個是標準。商業化當然是梅特卡夫通過成立3Com公司和研發核心技術來推進的，不過標準尤其是開放標準在其中則起著非常重要的作用。1980年，梅特卡夫聯合Intel、DEC、Xerox創立了以太網標準，并成立了工作組，IEEE 802.3工作組的創建，推動了以太網標準的制定，從而讓全世界任何公司都可以在以太網創建自己的產品頁，這就是開放開源帶來的價值。芯片設計里的指令級架構和以太網的發展路徑非常類似，這就是為什么開源芯片能夠得到全世界關注的原因。

指令級架構以前全歸公司所有，但RISC-V卻以開放的方式出現，指令級本身是標準而非實現，真正的實現要基于這個標準去構建。從開源芯片整個生態角度來看，指令級只是第一步，有了指令級還要做架構設計才能形成微架構一系列文檔。很多文檔需要幾百甚至上千頁的設計文檔，通過工程開發形成代碼，再借助EDA工具（電子設計自動化）把它變成版圖，這使芯片在整個設計過程中涉及多個層次的開源開放，指令級只是第一個層次。指令級開源是芯片設計的基礎與前提，指令級開源開放后，接下來的設計、文檔、代碼是否開源仍待討論。第二個層次是開源的設計和實現，中科院“香山開源硬件項目”在這方面做了一些貢獻。第三個層次是關于工具、流程是否開放的問題，如果走不到第三個層次，開源芯片生態就無法構建起來。

二、為產業領域帶來更多新的變革機會

芯片開源新趨勢也帶來很多新機遇。

第一是為產業領域帶來更多新的變革機會。從基金會的活躍程度可以看到，RISC-V國際基金會2020年把總部從美國搬到瑞士后，僅用3年的時間就發展得非常迅速，目前已經有70多個國家3000多名會員參與，年均增速超過100%。全球統計數據顯示，美國、中國和歐洲是踴躍參與的國家和地區，體現出這三大區域的活力、經濟狀況和市場需求。值得一提的是，歐洲地區參與度較高的是大學，而美國和中國參與度較高的則是企業。相較于大學，企業帶來的活力會更大一些，所以歐洲在開源芯片這波浪潮中相對落后于中美兩國。不過，歐洲在尋求產業領域變革方面的意愿還是非常強烈的，去年9月8日歐洲發布產業領域變革路線圖，提出九大發展方向。從RISC-V的代碼倉庫能看到方法論EDA、一系列與開源硬件相關的工具以及實施的路徑，如通過非營利機構支持RISC-V的研發及實施教育措施等，管中窺豹，可見歐洲也在努力入局并試圖迎頭趕上。然而深入觀察后，發現他們的意愿雖然很好，但從實踐落實方面來說與中美還存在差距。

就目前掌握的國際前沿最新動態，我們應該摒棄RISC-V是面向中低端的舊觀念。三年前的RISC-V主要面向嵌入式MCU，而今天的RISC-V已經開始往高端路線發展。當前，業內已經出現一系列高性能的RISC-V處理器。比如，由硅谷兩家企業推出的芯片，其性能對標ARM最先進的一檔處理器；中國香山也正在對標ARM高性能處理器，北京算能今年發布的全球首款64核RISC-V服務器級別處理器，無論在國內還是國際上都處于行業領先地位。

開源芯片生態的構建離不開軟件的發展，整個軟件的生態比想象的加速還要再加速。一方面是開源基金會工作組的大力推進，另一方面則是開源社區在主動適配，即其他社區開源軟件主動指向RISC-V。據最新統計，全球有11000多個開發者和開源社區的開發者在圍繞RISC-V架構做適配，這個規模和推力比想象得要大。安卓也在把RISC-V當作一個大力發展的平臺，和ARM放在同一個級別上。中國科學院也在RISC-V相關軟件上投入了大量工作，而國內在構建整個RISC-V軟件生態方面，也做出了非常突出的貢獻。從安卓、JAVA到OpenEuler，國內開源社區的力量在每個層面上都有積極的投入，中國在這一輪開源的RISC-V軟件生態中做出了積極貢獻。

而從全國范圍看，RISC-V的發展動態也很活躍。2018年以后，RISC-V在國內被應用的新聞越來越多，無論是初創公司還是上市企業都在各個領域內使用，每年都有十幾款基于RISC-V的芯片推出。僅國內的RISC-V初創公司融資就高達80多億元，可見這是一個比較活躍的科技投資領域，反映出強烈的社會資本投資傾向。

第二是為人才培養帶來新機遇。芯片的開源開放有益于促進人才培養。在設計領域，復雜芯片的設計長期面臨著重理論輕實踐的困境。實踐之所以少，是因為兩大壁壘。一是教學資源不平衡，大量的教學資源集中在少數大學里，即使很多學生有意愿參與芯片設計工作，卻無法獲取相關教學資源，可見教育資源在這方面是失衡的。二是學科劃分不科學，中國的學科越分越細，學科之間條塊化明顯，雖然現在電子集成電路是個熱門專業，但集成電路里的很多專業體系結構課并不開設，這如何能培養出研發CPU復雜芯片的人才？教師在操作系統或者計算機課程里最深講到微架構理論，就不再往下拓展延伸，電路等物理設計也都不學，所以國內的芯片設計人才在知識結構上存在天然的缺失。現在，通過開源開放的方式可以把一系列的知識壁壘都打通，學生通過開源EDA掌握EDA知識，通過開源芯片掌握芯片知識，再通過開源軟件把這些知識點串聯起來，更好地參與到實踐中去。經過培養再進入開源社區進而破解芯片設計人才“卡脖子”的難題，這就是中國開展“一生一芯”計劃的目標（編者注：“一生一芯”計劃的愿景目標是，在中國科學院大學實踐經驗的基礎上向全國輻射，幫助更多高校形成從處理器芯片設計到流片并運行操作系統的實踐課程，提高我國處理器芯片設計人才培養規模，縮短人才從培養階段到投入科研與產業一線的周期）。

2019年，中國科學院大學公布了首期“一生一芯”計劃成果，由5位2016級本科生主導完成的一款64位RISC-V處理器SoC芯片設計完成并實現流片，芯片能成功運行Linux操作系統。這是RISC-V全球峰會接收的唯一由本科生完成的設計，整個設計的開源開放在GitHub上獲得了大量的關注，現在有1000多個Star、200多個Fork。中國科學院軟件所把OpenEuler移植到這款名為“果殼（NutShell）”的處理器芯片上，該芯片就能夠在學生畢業設計中運行一個工業級的操作系統，這個成果讓人備受鼓舞。

從第一期一所高校5位同學開始，學員的培養規模逐步擴大，第二期已經擴展至五所高校15位同學，到2022年的第五期計劃，有300多所高校的1600多位同學報名參加，累計報名人數也達到4000多人。然而，真正能夠持續學習下來的大概只有600名同學左右，因為大多數學生課內外獲取的知識還不足以支撐如此高強度的實踐課。但是很顯然，開源開放對我國一些課程的學習或者教學是有一定促進作用的，而通過“一生一芯”計劃也可以了解我國芯片人才培養的真實情況。

三、德州儀器的開源模式為IoT領域賦能

開源芯片是一個趨勢，并且帶來了新機遇。開源芯片未來將如何發展，對業界各方面將產生什么樣的影響，成為業界普遍關注的話題。雖然RISC-V與ARM和IntelX86進行對比的確有優勢，但如果直接跟ARM對比反而埋沒掉其真正的價值優勢。從企業的角度來看，開源芯片可能帶來的不是ARM，反而可能是放大版的德州儀器。德州儀器的特點在于它的芯片非常碎片化，有8萬多種芯片，規模也比ARM大好幾倍。德州儀器在美國德州和馬來西亞建有一些共享工廠，涵蓋共享平臺、共享庫、共享工具、共享IP。公司內部在這個基礎上搭建了上千個小作坊、小團隊，這些團隊基于共享平臺、共享庫開發各種各樣的芯片。

德州儀器芯片需要搭配適當的場景出售，它配備有上百個場景，例如登陸德州儀器網站點擊電子汽車場景，它就能給客戶提供包括上百顆芯片的一個解決方案。先通過場景把芯片組合成解決方案，再通過提供解決方案向客戶出售芯片，這就是德州儀器模式的高明之處，非常好地應對了芯片碎片化的問題。德州模式成功的核心在于它下面的共享，通過大量的平臺共享使得上層能夠更方便更快速地開發定制，這也是中國開發者始終堅持把底座開放出來、共享出來的原因。如果把芯片開發看成是一座冰山，那么架構上面的設計代碼就是冰山水面上的部分，但要保持架構持續迭代演進就離不開冰山水面下的部分開發工具。本文所討論的OPENDACS正是冰山下面的部分，是真正能夠持續讓上層架構迭代開發的關鍵核心，只有這部分開放共享了，那冰山水面上的部分才能有更多的人能夠創造。

相比之下，英特爾在這方面就顯得比較保守。英特爾的原代碼是不可能給到客戶的，它只賣芯片，更別提公開如何開發芯片了。ARM稍微開放一些，他們可以向客戶提供IP甚至IP源代碼，但也不會向客戶透露芯片是如何開發的。事實上，通過更開放的方式，整個社區不僅能夠訪問到代碼，也可以訪問到開發代碼的這些平臺，這的確能給我們帶來一些價值。開源開放能夠產生什么樣的價值，歷史上有非常成功的案例。IBM在1981年推出PC的時候，除了把機器拿出來，還公開了所有文檔，直到今天我們還能下載到它當年公開的文檔。當所有的設計電路圖和各種集成器的配置全部公開后，再做一臺PC就變得很容易了。當年戴爾這樣一個本科生，就是憑借IBM的開源帶來的便捷，才創立了一個PC公司。那些由開源帶來的價值可以降低整個行業的門檻，激發創新活力，讓PC走入千家萬戶。如果沒有IBM，那么惠普一臺PC要賣到9000多美元；而IBM出現后，PC就降到1500美元，真正走進尋常百姓家。這就是開源開放帶來的價值，它催生了一個新的產業。

現如今人機物三元融合是我們面臨的一個比PC還要大的新興產業，它對芯片的需求是千億量級，這比PC產業要多出一個數量級。如何為這樣的產業提供芯片解決方案，值得深思。不同行業的解決方案也都各有千秋，PC的解決方案由英特爾提供，AI芯片的解決方案主要由英偉達提供，它們的模式越來越開放，所需要的資源也越來越輕。英特爾自己建工廠，要達到500億美元的營業額和上百億美元的利潤，才能支撐PC產業芯片的解決方案。英偉達更“輕”一點，它只做設計，制造交給臺積電，所以當它實現150億美元營業額和30億美元利潤的時候，大家都覺得它還有很大的成長空間，能夠支撐AI產業的大發展。事實上，英偉達現在做到了更大的市值，而這種開源模式為它帶來了更好的成長。ARM自己不做芯片，而且把IP提供給第三方，這種模式只需20億美元的營業額和3億美元的利潤就能撬動智能手機產業，開源模式比英偉達更“輕”。通過一些非營利機構，無需利潤和估值考核，只要找到眾籌方式，就能夠讓企業具備定制能力，像德州儀器一樣快速定制各種各樣的芯片，這不僅是我們應對AIoT（人工智能物聯網）產業的好思路，也是開源芯片能賦予的價值，而這其中當然離不開EDA的開源開放。

我們的愿景是把德州儀器的開源開放模式復制到IoT領域，通過國內28納米工藝、40納米工藝或是60納米工藝，構建基于云的、開源的整個芯片生態，包含各種各樣的開源IP、開源EDA等等，支持整個產業界成千上萬家企業，使它們可以快速生產出定制的芯片。而在我們開源的軟件生態中有幾百萬個App，這些App中有10%與一些物體產生交互，它就會產生大量的芯片需求。未來，如果開發App的團隊同時也具備定制芯片的能力，那么這個開源生態或許就可以構建起來。

參考文獻略。

（作者系中科院計算所副所長，北京開源芯片研究院首席科學家）