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。互聯網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。可以看出 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。現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。可以看到開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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