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中国的重要机会？

　　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RISC-V架构。RISC-V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RISC-V指令集架构，RISC-V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RISC-V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RISC-V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。RISC-V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（central processing unit，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（graphics processing unit，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1/6。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＂1 1 1＂；十进制数6用0和1来表示的话可以变成＂1 1 0＂。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5-10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（The Economist）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RISC-V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（Multiple Project Wafer）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。
　　RISC-V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RISC-V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RISC-V生态中的贡献正越来越大。
　　RISC-V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RISC-V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RISC-V生态发展。
　　当前，RISC-V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RISC-V芯片将超过600亿颗。而另一个预测是，2030年RISC-V在数据中心领域也会有一席之地。所以RISC-V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RISC-V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＂N+1＂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RISC-V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3-5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5-7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）
　　出品：科普中央厨房
　　监制：北京科技报 | 北科传媒