近日，中國工程院院士倪光南撰文指出中國自研芯片要用好開源模式，聚焦RISC-V架構。RISC-V架構在國內外發展態勢如何？為什麼說開源芯片對中國是一次重要的機會？
近日，中國工程院院士倪光南在《數字世界專刊》撰文指出，一直以來，我國芯片產業在“主流 CPU”架構上受制於人，整體生態上與國際先進水平還有很大差距。
目前來看，X86架構和ARM架構成為了當下邏輯數字芯片的兩大主流陣營，形成了事實上的芯片“封鎖”，讓我們產生了強烈的依賴，雖然現在英特爾開放了X86架構授權，但是主動權完全掌握在別人的手裡，ARM架構也是同樣如此，其可以隨時停止授權，不過現在，我們迎來了一個新的機遇。
這個機會就是一個開放的指令集架構出現了強大的發展潛力，它就是RISC-V指令集架構，RISC-V精簡指令集採用開源模式、其架構先進、易於定製、生態也尚處於發展初期。也就是說，我們完全可以形成自己可控的芯片指令集架構，這為我國萬物智聯時代掌握芯片產業發展主動權提供了發展機會。
因此，倪光南建議應該積極抓住時代機遇，以全球視野謀劃我國芯片產業發展，聚焦開源RISC-V架構，推動全世界芯片產業新格局的到來。
今年年初，“香山”開源高性能RISC-V處理器芯片成功運行，標誌着開源CPU領域一條開源主線正逐步落地，它有希望既能被工業界廣泛應用，又能支持學術界試驗創新想法。RISC-V芯片架構有哪些優勢？為什麼說開源芯片對中國是一次重要的機會？“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要中大力倡導的“創新聯合體”模式和開源芯片生態又有什麼關係？
3月19日，首都科學講堂邀請到了中國科學院計算技術研究所副所長、研究員包雲崗，就曾講述過處理器芯片的發展歷程與新趨勢，以及我國科學家開拓開源芯片新方向的故事。
以下為演講視頻及全文實錄：
主講嘉賓：
包雲崗
中國科學院計算技術研究所副所長、研究員
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什麼是芯片
大家經常在生活當中看到芯片。當我們把電路板打開，電路板上很多黑色的小方塊就是常見的芯片。
如果把這些芯片再打開，並放大幾百倍以後我們會發現，實際上芯片設計和城市規劃非常像，芯片內部就像一座小型城市，裡面有房屋（芯片內部的一些模塊），有馬路（芯片模塊之間的連線）……一塊指甲蓋大小的芯片上，放着幾億個甚至幾十億個小的元器件，它們之間都要相互聯繫，所以非常複雜。
最複雜的一類芯片是處理器芯片，我們把它稱之為芯片產業“皇冠上的明珠”，這類芯片設計複雜度非常高，難度也很大。典型的處理器芯片有中央處理器芯片（central processing unit，簡稱CPU），我們國家研發的龍芯CPU，就是屬於這類中央處理器芯片。
最近這幾年大家經常能看到的人工智能芯片，也被稱之為深度學習處理器，它也是一類處理器芯片。打遊戲時，我們看到絢麗的圖形和炫酷的動畫效果，背後就是圖形處理器芯片（graphics processing unit，簡稱GPU）。
處理器芯片被稱之為電子設備的“大腦”，幾乎所有的電子設備裡面都離不開處理器芯片。同時，它也是一個國家的戰略產業。據數據統計，2018年我國信息產業規模已超16萬億，佔全國GDP的1/6。其中，處理器芯片作為“基石”，支撐了共超過10萬億的電子設備製造業。
我們來回顧一下芯片的“前世今生”。處理器芯片實際上和早期第一台計算機緊密相連。世界上第一台電子計算機ENIAC，它發明於1946年，它的背後實際上就是一個放大版的處理器。這種處理器使用燈泡來進行運算。為什麼電子計算機要用燈泡來做最基本的元器件？很重要的一點是，燈泡可以來表示開和關——通電時燈泡亮，表示“開”；斷電時燈泡滅表示“關”。這種燈泡也被稱為電子管。這樣“開”和“關”在數學上很容易就可以用“1”和“0”建立聯繫。
1705年，德國數學家萊布尼茨發現，用0和1也可以表示各種各樣的數字。比如說十進制數字7用0和1來表示的話，它可以表示為“1 1 1”；十進制數6用0和1來表示的話可以變成“1 1 0”。並且二進制數也可以做運算。二進制計算體系的發明，奠定了今天計算機計算的基礎。
不過燈泡體積還是太大了。像第一台電子計算機ENIAC，總共用了18000多個燈泡的電子管。這麼多電子管組合起來，使得它重達30噸，佔地面積約170平方米，需要一個很大的屋子才能放得下。怎麼能讓這個開關變得更小呢？
1947年，三位科學家，巴丁、布拉頓和肖克利發現了一種叫做半導體的材料可以做開關，於是基於半導體材料發明了晶體管，他們因此獲得了1956年諾貝爾物理學獎。1957年，工程師基爾比把晶體管和電路元器件都連在了一起，並放到一個半導體的底板上面，這就是世界上第一塊集成電路，他也因此獲得了2000年的諾貝爾物理學獎。
隨着晶體管體積進一步縮小，集成電路的體積也不斷地縮小。今天我們用光在一個大概1平方厘米約指甲蓋大小的半導體底板上，可以刻出幾十億個晶體管，這就是現代的芯片。所以，芯片其實就是一種超大規模的集成電路。
集成電路是我們國家的第一大進口商品。2020年，我國進口了大概超過5000億個集成電路，進口額高達3500億美元，遠超排第二1700多億美元的石油。在3500億美元集成電路的芯片中，處理器芯片進口額超過1700億美元，佔49%。而在全世界範圍內來看，中國產的處理器芯片佔有率其實不到5%。所以這也是為什麼我們說處理器芯片是我國的核心戰略產業，我們需要更多努力，把國產芯片尤其是處理器芯片發展、壯大、做強。
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處理器芯片是怎麼開發的
當我們要去做一個處理器芯片的時候，首先，我們要先有一個指令集。指令集實際上是一種標準，一種規範。比如螺釘和螺母的尺寸就是一個標準規範，假如約定好螺釘和螺母的直徑，內徑和外徑都是5毫米，遵循這個標準，不同廠商生產出的產品就可以擰到一起。指令集其實也是同樣的作用，只不過它是在軟件和硬件之間形成的標準和規範。遵循同一個指令集去開發軟件、製造硬件，不同廠商生產的軟件和硬件就能在一起工作，這就是指令集起到的作用。
指令集中的每一條指令都各有功能，比如說加法指令、減法指令、乘法指令、比較指令等，當我們把這樣上千條指令組合，就形成一本指令集手冊。通過這本手冊去開發處理器，就像給你一本字典來寫小說。
整個芯片製作的過程包含了設計、製造和封裝測試。首先是設計。當拿到一本指令集手冊後，我們要對它進行微架構的設計，通過完成高達上百個的文檔，來描述處理器內部如何實現。有了設計文檔後，需要開發人員把文檔用代碼方式描述出來，進行工程開發。有了代碼後，我們還需要EDA的工具，即電子設計自動化工具——它能夠把這個代碼自動翻譯成芯片裡面的版圖。版圖即是設計上億個晶體管如何擺放。接下來就是製造和封裝測試。根據版圖，生產廠商可以製造晶圓，再交給封裝測試的企業，變成這樣一顆我們經常看到的芯片。
整個製造過程有點像我們把寫好的小說交給出版社，把它印刷出來。只不過在芯片領域裡，這一過程相當於把小說內容印刷到硅片上，步驟非常複雜。所以需要像光刻機這樣的尖端設備，這也是我國亟須加緊提升的一個方面。
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開源：處理器芯片發展新趨勢
接下來我跟大家介紹一下處理器芯片發展的新趨勢——開源。到底什麼是開源芯片？
在整個芯片設計階段，即從一本指令集手冊到形成版圖的環節中，實際上就包含了指令集、設計文檔、流程工具三個層次上開源，面向全世界的開放開源。開源芯片剛剛起步，但在全世界範圍內，已經有很多人都在朝這個方向去努力，相信接下來的5-10年會看到一些非常大的進展。
我們國家也非常重視開源，並做了相關布局。“十四五”規劃中就明確提到：要支持數字技術、開源社區等創新聯合體的發展，要完善開源知識產權，以及法律體系，要鼓勵企業去開放軟件源代碼、硬件設計和應用服務。
事實上，不僅僅我國關注，全世界範圍內大家都在關注開源芯片。在2019年10月，《經濟學人》雜誌（The Economist）就撰文預測：“開源軟件是過去十年來智能手機大發展的先決條件。而像RISC-V這樣的開源硬件也許會在未來十年內讓其他設備實現類似的擴張。”
為什麼會形成這樣的趨勢？實際上背後有三個驅動力。第一是智能物聯網（AIoT）的碎片化需求。智能物聯網的興起表示萬物互聯時代的到來，很多物品都可以接入到網絡、嵌入芯片，變得越來越智能。 比如嵌入芯片的杯子能夠感應到經過的人並展示笑臉。今天的芯片需求在百億顆這個規模，而未來芯片可能在千億顆以上，所以芯片需求至少要比現在大一個數量級。
需求增量背後的問題就是碎片化。杯子芯片和窗帘芯片顯然是不一樣的，而英特爾公司、ARM公司傳統做芯片的方式已經沒有辦法去應對海量碎片化的需求了。因為如果它們要做的話，往往需要投入上千人才能夠去做一款芯片。所以，我們需要有新方法去解決智能物聯網時代的芯片需求。
我們可以借鑒開源軟件。因為開源軟件把APP開發的門檻降低了，三五個人就可以去做一個APP，這就把中國人多的優勢給發揮出來了，也使得我國互聯網產業吸引到更多的人才和資金，從而在國際上具有競爭力。這就是開源軟件降低門檻，來應對碎片化需求的一個有效方式，這是很好的一個例子。
第二個驅動力是對芯片人才的渴求。“卡脖子”困境歸根到底還是缺乏足夠的人才。特別是在處理器芯片領域，設計人才更是短缺。怎麼能更好地去解決人才短缺問題，是我們應對芯片“卡脖子”困境的重要突破口。
降低芯片設計門檻是一種有效的手段。1970年代和1980年代初的時候，美國也遇到過人才儲備不足的問題。1982年一項數據統計顯示，全美上千所大學當中只有不到100位教授和學生從事芯片、半導體相關研究。美國是怎麼解決的？
1981年，美國啟動MOSIS項目，為大學提供流片等服務，目的就是降低芯片的設計門檻，讓學生也可以去做芯片。這個項目在過去40多年的時間，累計為美國的大學和研究機構流了6萬多款芯片，培養了幾萬名學生，其實是有效地解決了芯片人才缺失的問題。
第三個驅動力是從產業角度來看，降低芯片設計的門檻，實際上是可以幫助我們更好地去推動產業的變革，或者有機會孕育出一些新的產業。前面講到的MOSIS項目，就提出了一種模式叫做MPW（Multiple Project Wafer）模式，數量級降低芯片設計成本，更重要一點是這種模式把製造和設計分離了，也就是說有一些企業，可以不需要去建製造工廠，它只需要專註於設計，就可以生存下去，並且能夠發展得很好。
MOSIS項目不僅僅培養了幾萬名學生，更重要的是也催生了半導體領域裡面新的商業模式，也就是今天我們說的“無晶圓企業（Fabless）”。Fabless模式把整個半導體產業做了更細分工，讓一些企業更專註於設計，另一些企業專註於代工、製造。這種模式孕育了AMD、高通、英偉達這樣的公司，其實它們都是一些無晶圓企業，都是專註於設計。還有專註於代工的企業，比如說像台積電和中芯國際。所以，降低芯片設計的門檻有助於繁榮整個市場和產業。
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RISC-V在國內外發展態勢
我們希望能夠在十年內，降低芯片設計的門檻，未來讓天下沒有難做的芯片。本科生也可以去做芯片，並且可以帶着自己設計的芯片畢業。讓三五個人的團隊也敢於創辦芯片創業公司，讓做芯片像寫APP這麼簡單。想要達到這個願景，我們需要構建一個開源芯片的生態。這個生態目標是最終實現用戶只需自己做10%的芯片設計的代碼就夠了。
如何構建開源芯片生態？第一是要有開放免費的指令集，這是開源芯片生態的基礎。半個多世紀以來，處理器芯片的指令集幾乎都是歸公司所有。
2010年，加州大學伯克利分校的幾位教授提出了一個新的口號：指令集應該免費。他們創造出了開源的RISC-V指令集的雛形。當指令集是開放免費的，就可以帶來一個新的構建處理器芯片生態的方式，這種生態構建方式是一種開放、開源、共享共治的模式。標準制定好了以後形成指令集手冊，全世界的企業根據這本手冊的標準來研製自己的產品。這種模式下，誰投入多貢獻大，主導權就會更大。近年來，中國在RISC-V生態中的貢獻正越來越大。
RISC-V國際基金會在2015年成立，總部設在瑞士，負責協調大家一起去制定指令集的標準。中國科學院計算所也是創始成員，基金會目前已有來自全世界70多個國家2300多個會員。
2018年，國內相繼也成立了中國開放指令生態聯盟、中國RISC-V產業聯盟等。這些聯盟把中國的上百家企業、大學，以及一些研究機構組織到了一起，共同推動RISC-V生態發展。
當前，RISC-V在整個中國以及全世界都呈現出一個蓬勃發展的態勢。有機構預測，到2025年，全球的RISC-V芯片將超過600億顆。而另一個預測是，2030年RISC-V在數據中心領域也會有一席之地。所以RISC-V生態前景未來可期。
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開源芯片實踐：“香山”和“一生一芯”
接下來，我想跟大家聊一下我們在開源芯片領域的相關實踐。
我們最近研製成功了一個性能達到國際先進的開源高性能RISC-V處理器核叫“香山”，我們希望它能夠像Linux操作系統一樣變成一個開源的主線，既能夠被工業界廣泛應用，又能夠讓學術界去試驗創新的想法。更重要的，我們也希望“香山”能夠像Linux一樣，至少活上30年。目前“香山”這個芯片也已成功地流片，它可以運行各種各樣的軟件。
“香山”的微架構設計，我們是用湖來表示的。第一代“香山”的微架構叫雁棲湖，其位於北京懷柔。這也是因為參與“香山”的很多同學是來自中國科學院大學的本科生和研究生，他們一年級的時候都會在雁棲湖度過一年，所以對雁棲湖很有感情，就用了雁棲湖這個名字。這個芯片現在已經流片成功，可以正常工作，並且也達到了我們預期的效果。
第二代“香山”的架構叫南湖，在2021年5月正式啟動，這個名字也是向建黨100周年致敬。南湖的架構性能比雁棲湖架構性能又有很大提升，頻率達到2G赫茲，並且它的預期峰值會比整個雁棲湖架構提升1倍。
其實在開源芯片領域裡面不僅僅是開放開源代碼，更重要的是要把過程開放。所以我們研發了很多基礎設施，這些芯片開發基礎設施將會開放出來給整個社群一起來使用。我們經常用“冰山”來形容“香山”項目——事實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開發基礎設施，我們花費大量的工作在做基礎設施的研發。
“香山”項目在國內外取得了積極評價，來自國外的一些專家認為“香山”項目出色地展現了開源指令集的一些力量，也有專家甚至希望大學時期也能參與類似項目。他們認為，這個項目有大學的團隊來參與完成，非常令人很敬佩。這也是我們作為中國團隊，由中國發起的開源項目對世界的一個貢獻。
下一步我們也在探索一些新模式，所謂的“N+1”模式。即通過類似的開源項目來聯合多個企業一起去開發一款芯片。因為模式是開源的，即開發過程都是公開的，每個企業隨時可以參與其中，貢獻都可以得到認可。
第二個實踐我們想跟大家分享一下芯片人才培養的計劃，也就是“一生一芯”計劃，它的目標是希望本科生也可以帶着自己設計的處理器芯片畢業。
2019年8月，在中國科學院大學，這個項目正式啟動。它也是在國內首次以流片為目標，來指導了5位本科同學在4個月時間內完成了一個RISC-V芯片設計，並成功流片。這個芯片是基於中芯國際110納米工藝完成的流片，可以運行到200兆-350兆這樣的一個頻率，它成功地運行了Linux系統，同學們把它命名為“果殼”。
這個芯片雖然是一個本科的教學芯片，但也支撐了這5位同學的本科畢業設計，其中有一位同學也獲得了北京市優秀畢業論文。最終，通過參與 “一生一芯”項目，這5位同學實現了帶着自己設計的處理器芯片畢業的目標，走完了從“超硬核錄取通知書”到“超硬核畢業證書”的歷程。
“一生一芯”計劃目前已執行了三期，從第一期的5位同學發展到了第二期的11位同學，一直到第三期約100位同學。事實上在第三期總共有來自國內外168所高校，超過760位同學報名。這些同學參與到了“一生一芯”計劃的培養過程當中，雖然不是所有的同學都完成了芯片流片，但我們還在進一步地改進“一生一芯”計劃——通過把開源和芯片設計和人才培養結合起來，使得最後自己做芯片的同學越來越多。
通過努力，我們也逐漸地在降低芯片設計的門檻。回想2018年，我們制定過一個“三步走”規劃：第一步就是希望通過3-5年的時間，讓整個業界可以獲得開源的處理器核——“香山”其實就是這個計劃里一個很重要的產出。
第二步，我們當時設想是能夠用開源的EDA工具鏈去做開源的芯片，這個是需要5-7年的時間，這一步我們還在努力中。我們還設想讓本科生用這些開源的工具完成一個開源芯片的設計，最後帶着設計的芯片畢業。很遺憾我們現在還沒有做到，但是至少通過“一生一芯”計劃我們已經完成了一半，接下來我們還會努力朝這個方向去做。最終我們希望，到2030年左右的時候，可以通過開源工具鏈自動化地、智能地去設計芯片。
（來源：“首都科學講堂”微信公眾號 第738期，ZAKER資訊）
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