倪光南院士称自研芯片应在RISCV上押宝！为什么说这种芯片是

　　近日，中国工程院院士倪光南撰文指出中国自研芯片要用好开源模式，聚焦RISCV架构。RISCV架构在国内外发展态势如何？为什么说开源芯片对中国是一次重要的机会？
　　近日，中国工程院院士倪光南在《数字世界专刊》撰文指出，一直以来，我国芯片产业在主流CPU架构上受制于人，整体生态上与国际先进水平还有很大差距。
　　目前来看，X86架构和ARM架构成为了当下逻辑数字芯片的两大主流阵营，形成了事实上的芯片封锁，让我们产生了强烈的依赖，虽然现在英特尔开放了X86架构授权，但是主动权完全掌握在别人的手里，ARM架构也是同样如此，其可以随时停止授权，不过现在，我们迎来了一个新的机遇。
　　这个机会就是一个开放的指令集架构出现了强大的发展潜力，它就是RISCV指令集架构，RISCV精简指令集采用开源模式、其架构先进、易于定制、生态也尚处于发展初期。也就是说，我们完全可以形成自己可控的芯片指令集架构，这为我国万物智联时代掌握芯片产业发展主动权提供了发展机会。
　　因此，倪光南建议应该积极抓住时代机遇，以全球视野谋划我国芯片产业发展，聚焦开源RISCV架构，推动全世界芯片产业新格局的到来。
　　今年年初，香山开源高性能RISCV处理器芯片成功运行，标志着开源CPU领域一条开源主线正逐步落地，它有希望既能被工业界广泛应用，又能支持学术界试验创新想法。RISCV芯片架构有哪些优势？为什么说开源芯片对中国是一次重要的机会？十四五规划和2035年远景目标纲要中大力倡导的创新联合体模式和开源芯片生态又有什么关系？
　　3月19日，首都科学讲堂邀请到了中国科学院计算技术研究所副所长、研究员包云岗，就曾讲述过处理器芯片的发展历程与新趋势，以及我国科学家开拓开源芯片新方向的故事。
　　以下为演讲视频及全文实录：
　　主讲嘉宾：
　　包云岗
　　中国科学院计算技术研究所副所长、研究员
　　什么是芯片
　　大家经常在生活当中看到芯片。当我们把电路板打开，电路板上很多黑色的小方块就是常见的芯片。
　　如果把这些芯片再打开，并放大几百倍以后我们会发现，实际上芯片设计和城市规划非常像，芯片内部就像一座小型城市，里面有房屋（芯片内部的一些模块），有马路（芯片模块之间的连线）一块指甲盖大小的芯片上，放着几亿个甚至几十亿个小的元器件，它们之间都要相互联系，所以非常复杂。
　　最复杂的一类芯片是处理器芯片，我们把它称之为芯片产业皇冠上的明珠，这类芯片设计复杂度非常高，难度也很大。典型的处理器芯片有中央处理器芯片（centralprocessingunit，简称CPU），我们国家研发的龙芯CPU，就是属于这类中央处理器芯片。
　　最近这几年大家经常能看到的人工智能芯片，也被称之为深度学习处理器，它也是一类处理器芯片。打游戏时，我们看到绚丽的图形和炫酷的动画效果，背后就是图形处理器芯片（graphicsprocessingunit，简称GPU）。
　　处理器芯片被称之为电子设备的大脑，几乎所有的电子设备里面都离不开处理器芯片。同时，它也是一个国家的战略产业。据数据统计，2018年我国信息产业规模已超16万亿，占全国GDP的16。其中，处理器芯片作为基石，支撑了共超过10万亿的电子设备制造业。
　　我们来回顾一下芯片的前世今生。处理器芯片实际上和早期第一台计算机紧密相连。世界上第一台电子计算机ENIAC，它发明于1946年，它的背后实际上就是一个放大版的处理器。这种处理器使用灯泡来进行运算。为什么电子计算机要用灯泡来做最基本的元器件？很重要的一点是，灯泡可以来表示开和关通电时灯泡亮，表示开；断电时灯泡灭表示关。这种灯泡也被称为电子管。这样开和关在数学上很容易就可以用1和0建立联系。
　　1705年，德国数学家莱布尼茨发现，用0和1也可以表示各种各样的数字。比如说十进制数字7用0和1来表示的话，它可以表示为111；十进制数6用0和1来表示的话可以变成110。并且二进制数也可以做运算。二进制计算体系的发明，奠定了今天计算机计算的基础。
　　不过灯泡体积还是太大了。像第一台电子计算机ENIAC，总共用了18000多个灯泡的电子管。这么多电子管组合起来，使得它重达30吨，占地面积约170平方米，需要一个很大的屋子才能放得下。怎么能让这个开关变得更小呢？
　　1947年，三位科学家，巴丁、布拉顿和肖克利发现了一种叫做半导体的材料可以做开关，于是基于半导体材料发明了晶体管，他们因此获得了1956年诺贝尔物理学奖。1957年，工程师基尔比把晶体管和电路元器件都连在了一起，并放到一个半导体的底板上面，这就是世界上第一块集成电路，他也因此获得了2000年的诺贝尔物理学奖。
　　随着晶体管体积进一步缩小，集成电路的体积也不断地缩小。今天我们用光在一个大概1平方厘米约指甲盖大小的半导体底板上，可以刻出几十亿个晶体管，这就是现代的芯片。所以，芯片其实就是一种超大规模的集成电路。
　　集成电路是我们国家的第一大进口商品。2020年，我国进口了大概超过5000亿个集成电路，进口额高达3500亿美元，远超排第二1700多亿美元的石油。在3500亿美元集成电路的芯片中，处理器芯片进口额超过1700亿美元，占49。而在全世界范围内来看，中国产的处理器芯片占有率其实不到5。所以这也是为什么我们说处理器芯片是我国的核心战略产业，我们需要更多努力，把国产芯片尤其是处理器芯片发展、壮大、做强。
　　处理器芯片是怎么开发的
　　当我们要去做一个处理器芯片的时候，首先，我们要先有一个指令集。指令集实际上是一种标准，一种规范。比如螺钉和螺母的尺寸就是一个标准规范，假如约定好螺钉和螺母的直径，内径和外径都是5毫米，遵循这个标准，不同厂商生产出的产品就可以拧到一起。指令集其实也是同样的作用，只不过它是在软件和硬件之间形成的标准和规范。遵循同一个指令集去开发软件、制造硬件，不同厂商生产的软件和硬件就能在一起工作，这就是指令集起到的作用。
　　指令集中的每一条指令都各有功能，比如说加法指令、减法指令、乘法指令、比较指令等，当我们把这样上千条指令组合，就形成一本指令集手册。通过这本手册去开发处理器，就像给你一本字典来写小说。
　　整个芯片制作的过程包含了设计、制造和封装测试。首先是设计。当拿到一本指令集手册后，我们要对它进行微架构的设计，通过完成高达上百个的文档，来描述处理器内部如何实现。有了设计文档后，需要开发人员把文档用代码方式描述出来，进行工程开发。有了代码后，我们还需要EDA的工具，即电子设计自动化工具它能够把这个代码自动翻译成芯片里面的版图。版图即是设计上亿个晶体管如何摆放。接下来就是制造和封装测试。根据版图，生产厂商可以制造晶圆，再交给封装测试的企业，变成这样一颗我们经常看到的芯片。
　　整个制造过程有点像我们把写好的小说交给出版社，把它印刷出来。只不过在芯片领域里，这一过程相当于把小说内容印刷到硅片上，步骤非常复杂。所以需要像光刻机这样的尖端设备，这也是我国亟须加紧提升的一个方面。
　　开源：处理器芯片发展新趋势
　　接下来我跟大家介绍一下处理器芯片发展的新趋势开源。到底什么是开源芯片？
　　在整个芯片设计阶段，即从一本指令集手册到形成版图的环节中，实际上就包含了指令集、设计文档、流程工具三个层次上开源，面向全世界的开放开源。开源芯片刚刚起步，但在全世界范围内，已经有很多人都在朝这个方向去努力，相信接下来的510年会看到一些非常大的进展。
　　我们国家也非常重视开源，并做了相关布局。十四五规划中就明确提到：要支持数字技术、开源社区等创新联合体的发展，要完善开源知识产权，以及法律体系，要鼓励企业去开放软件源代码、硬件设计和应用服务。
　　事实上，不仅仅我国关注，全世界范围内大家都在关注开源芯片。在2019年10月，《经济学人》杂志（TheEconomist）就撰文预测：开源软件是过去十年来智能手机大发展的先决条件。而像RISCV这样的开源硬件也许会在未来十年内让其他设备实现类似的扩张。
　　为什么会形成这样的趋势？实际上背后有三个驱动力。第一是智能物联网（AIoT）的碎片化需求。智能物联网的兴起表示万物互联时代的到来，很多物品都可以接入到网络、嵌入芯片，变得越来越智能。比如嵌入芯片的杯子能够感应到经过的人并展示笑脸。今天的芯片需求在百亿颗这个规模，而未来芯片可能在千亿颗以上，所以芯片需求至少要比现在大一个数量级。
　　需求增量背后的问题就是碎片化。杯子芯片和窗帘芯片显然是不一样的，而英特尔公司、ARM公司传统做芯片的方式已经没有办法去应对海量碎片化的需求了。因为如果它们要做的话，往往需要投入上千人才能够去做一款芯片。所以，我们需要有新方法去解决智能物联网时代的芯片需求。
　　我们可以借鉴开源软件。因为开源软件把APP开发的门槛降低了，三五个人就可以去做一个APP，这就把中国人多的优势给发挥出来了，也使得我国互联网产业吸引到更多的人才和资金，从而在国际上具有竞争力。这就是开源软件降低门槛，来应对碎片化需求的一个有效方式，这是很好的一个例子。
　　第二个驱动力是对芯片人才的渴求。卡脖子困境归根到底还是缺乏足够的人才。特别是在处理器芯片领域，设计人才更是短缺。怎么能更好地去解决人才短缺问题，是我们应对芯片卡脖子困境的重要突破口。
　　降低芯片设计门槛是一种有效的手段。1970年代和1980年代初的时候，美国也遇到过人才储备不足的问题。1982年一项数据统计显示，全美上千所大学当中只有不到100位教授和学生从事芯片、半导体相关研究。美国是怎么解决的？
　　1981年，美国启动MOSIS项目，为大学提供流片等服务，目的就是降低芯片的设计门槛，让学生也可以去做芯片。这个项目在过去40多年的时间，累计为美国的大学和研究机构流了6万多款芯片，培养了几万名学生，其实是有效地解决了芯片人才缺失的问题。
　　第三个驱动力是从产业角度来看，降低芯片设计的门槛，实际上是可以帮助我们更好地去推动产业的变革，或者有机会孕育出一些新的产业。前面讲到的MOSIS项目，就提出了一种模式叫做MPW（MultipleProjectWafer）模式，数量级降低芯片设计成本，更重要一点是这种模式把制造和设计分离了，也就是说有一些企业，可以不需要去建制造工厂，它只需要专注于设计，就可以生存下去，并且能够发展得很好。
　　MOSIS项目不仅仅培养了几万名学生，更重要的是也催生了半导体领域里面新的商业模式，也就是今天我们说的无晶圆企业（Fabless）。Fabless模式把整个半导体产业做了更细分工，让一些企业更专注于设计，另一些企业专注于代工、制造。这种模式孕育了AMD、高通、英伟达这样的公司，其实它们都是一些无晶圆企业，都是专注于设计。还有专注于代工的企业，比如说像台积电和中芯国际。所以，降低芯片设计的门槛有助于繁荣整个市场和产业。
　　RISCV在国内外发展态势
　　我们希望能够在十年内，降低芯片设计的门槛，未来让天下没有难做的芯片。本科生也可以去做芯片，并且可以带着自己设计的芯片毕业。让三五个人的团队也敢于创办芯片创业公司，让做芯片像写APP这么简单。想要达到这个愿景，我们需要构建一个开源芯片的生态。这个生态目标是最终实现用户只需自己做10的芯片设计的代码就够了。
　　如何构建开源芯片生态？第一是要有开放免费的指令集，这是开源芯片生态的基础。半个多世纪以来，处理器芯片的指令集几乎都是归公司所有。
　　2010年，加州大学伯克利分校的几位教授提出了一个新的口号：指令集应该免费。他们创造出了开源的RISCV指令集的雏形。当指令集是开放免费的，就可以带来一个新的构建处理器芯片生态的方式，这种生态构建方式是一种开放、开源、共享共治的模式。标准制定好了以后形成指令集手册，全世界的企业根据这本手册的标准来研制自己的产品。这种模式下，谁投入多贡献大，主导权就会更大。近年来，中国在RISCV生态中的贡献正越来越大。
　　RISCV国际基金会在2015年成立，总部设在瑞士，负责协调大家一起去制定指令集的标准。中国科学院计算所也是创始成员，基金会目前已有来自全世界70多个国家2300多个会员。
　　2018年，国内相继也成立了中国开放指令生态联盟、中国RISCV产业联盟等。这些联盟把中国的上百家企业、大学，以及一些研究机构组织到了一起，共同推动RISCV生态发展。
　　当前，RISCV在整个中国以及全世界都呈现出一个蓬勃发展的态势。有机构预测，到2025年，全球的RISCV芯片将超过600亿颗。而另一个预测是，2030年RISCV在数据中心领域也会有一席之地。所以RISCV生态前景未来可期。
　　开源芯片实践：香山和一生一芯
　　接下来，我想跟大家聊一下我们在开源芯片领域的相关实践。
　　我们最近研制成功了一个性能达到国际先进的开源高性能RISCV处理器核叫香山，我们希望它能够像Linux操作系统一样变成一个开源的主线，既能够被工业界广泛应用，又能够让学术界去试验创新的想法。更重要的，我们也希望香山能够像Linux一样，至少活上30年。目前香山这个芯片也已成功地流片，它可以运行各种各样的软件。
　　香山的微架构设计，我们是用湖来表示的。第一代香山的微架构叫雁栖湖，其位于北京怀柔。这也是因为参与香山的很多同学是来自中国科学院大学的本科生和研究生，他们一年级的时候都会在雁栖湖度过一年，所以对雁栖湖很有感情，就用了雁栖湖这个名字。这个芯片现在已经流片成功，可以正常工作，并且也达到了我们预期的效果。
　　第二代香山的架构叫南湖，在2021年5月正式启动，这个名字也是向建党100周年致敬。南湖的架构性能比雁栖湖架构性能又有很大提升，频率达到2G赫兹，并且它的预期峰值会比整个雁栖湖架构提升1倍。
　　其实在开源芯片领域里面不仅仅是开放开源代码，更重要的是要把过程开放。所以我们研发了很多基础设施，这些芯片开发基础设施将会开放出来给整个社群一起来使用。我们经常用冰山来形容香山项目事实上大家看到的芯片只是浮在水面上的那一部分，更重要的是在水面以下的芯片开发基础设施，我们花费大量的工作在做基础设施的研发。
　　香山项目在国内外取得了积极评价，来自国外的一些专家认为香山项目出色地展现了开源指令集的一些力量，也有专家甚至希望大学时期也能参与类似项目。他们认为，这个项目有大学的团队来参与完成，非常令人很敬佩。这也是我们作为中国团队，由中国发起的开源项目对世界的一个贡献。
　　下一步我们也在探索一些新模式，所谓的N1模式。即通过类似的开源项目来联合多个企业一起去开发一款芯片。因为模式是开源的，即开发过程都是公开的，每个企业随时可以参与其中，贡献都可以得到认可。
　　第二个实践我们想跟大家分享一下芯片人才培养的计划，也就是一生一芯计划，它的目标是希望本科生也可以带着自己设计的处理器芯片毕业。
　　2019年8月，在中国科学院大学，这个项目正式启动。它也是在国内首次以流片为目标，来指导了5位本科同学在4个月时间内完成了一个RISCV芯片设计，并成功流片。这个芯片是基于中芯国际110纳米工艺完成的流片，可以运行到200兆350兆这样的一个频率，它成功地运行了Linux系统，同学们把它命名为果壳。
　　这个芯片虽然是一个本科的教学芯片，但也支撑了这5位同学的本科毕业设计，其中有一位同学也获得了北京市优秀毕业论文。最终，通过参与一生一芯项目，这5位同学实现了带着自己设计的处理器芯片毕业的目标，走完了从超硬核录取通知书到超硬核毕业证书的历程。
　　一生一芯计划目前已执行了三期，从第一期的5位同学发展到了第二期的11位同学，一直到第三期约100位同学。事实上在第三期总共有来自国内外168所高校，超过760位同学报名。这些同学参与到了一生一芯计划的培养过程当中，虽然不是所有的同学都完成了芯片流片，但我们还在进一步地改进一生一芯计划通过把开源和芯片设计和人才培养结合起来，使得最后自己做芯片的同学越来越多。
　　通过努力，我们也逐渐地在降低芯片设计的门槛。回想2018年，我们制定过一个三步走规划：第一步就是希望通过35年的时间，让整个业界可以获得开源的处理器核香山其实就是这个计划里一个很重要的产出。
　　第二步，我们当时设想是能够用开源的EDA工具链去做开源的芯片，这个是需要57年的时间，这一步我们还在努力中。我们还设想让本科生用这些开源的工具完成一个开源芯片的设计，最后带着设计的芯片毕业。很遗憾我们现在还没有做到，但是至少通过一生一芯计划我们已经完成了一半，接下来我们还会努力朝这个方向去做。最终我们希望，到2030年左右的时候，可以通过开源工具链自动化地、智能地去设计芯片。
　　（来源：首都科学讲堂微信公众号第738期，ZAKER资讯）
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