WAICRIOS实验室谭章熹RISCV从开源芯片制造EDA到处理器

　　机器之心报道
　　机器之心编辑部
　　在 WAIC 2021 AI 开发者论坛上，RISC-V 国际开源 (RIOS) 实验室执行主任谭章熹发表主题演讲《RISC-V——从开源芯片制造、EDA 到处理器》。在演讲中，他提到未来将会有更多高性能的芯片产品通过开源方式制造，欢迎大家参与到开源硬件项目中，推动开源社区生态发展。
　　以下为谭章熹在 WAIC 2021 AI 开发者论坛上的演讲内容，机器之心进行了不改变原意的编辑、整理：
　　我今天演讲的主题是关于开源的，主要包括开源处理器、开源芯片，以及我们在未来五年内制作开源的整个产业链上的分享。我曾在 UC Berkeley 读书，导师是 RISC-V 的发明人 David Patterson。我之前在美国和中国做过公司并购、公司上市等工作。现在担任清华 - 伯克利 RISC-V 国际开源实验室执行主任。
　　RIOS 实验室简介
　　首先简单介绍一下 RIOS 实验室，这大概是一个为期五年的开源项目，它的模式实际上就是把在 UC Berkeley 做的 RISC-V 的开源项目延伸到世界各地。该实验室是由深圳市政府、清华、伯克利于 2019 年在深圳创立，2019 年底正式开幕。此外，该实验室还进行一些研究生招生的工作，包括硕士、博士的培养。RIOS 本身是未来五年内在 RISC-V 开源指令架构下做生态的无盈利组织，未来，RIOS 实验室要培养整个芯片制造，包括处理器制造相关的 100 多名人才。
　　下图中 Logo 所展示的是和 RIOS 实验室合作的国际开源组织，包括周边的粤港澳大湾区合作学校。RIOS 本身也是 RISC-V 国际基金会重要的核心组织，此外 RIOS 跟周边学校也有合作关系，在 RIOS 成立一年多的时间里，期间和国内外许多大企业进行了合作，国际上合作的公司包括谷歌、微软等，国内有中兴、华为、字节跳动等，我们和这些公司都在 RISC-V 方面有实质性的商业科研合作。
　　RIOS 实验室为什么选择建立在深圳？深圳是整个全电子产业链的中心，可以说是 RISC-V 蓬勃发展的理想之地。深圳有大量的开发人员；大量嵌入式系统的开发者；同时深圳政府对整个信息产业的支持也非常大。如果想要 RISC-V 能够发展的更好，将科研放在产业的源头是最好的选择。
　　微处理器、EDA 所遇到的困境
　　下图展示了对过去四十年微处理器（Microprocessor）数据统计。其中位于最顶层的是晶体管，虽然有摩尔定律支撑，但是研究者还在开发新的晶体管架构。从晶体管角度来讲，我们可以看到结果还是非常理想化的，可以认为摩尔定律还是有效的。从系统层面来讲，比如处理器的单线程性能，包括处理器的频率、处理器典型的功耗，以及 2005 年之后非常流行的多核处理器，最近到 2020 年左右，可以发现单线程 CPU 性能不会比原来更快。比如在英特尔购买的 CPU 不会比原来更快，时钟频率也不会更高，典型功耗也不会非常高。虽然大家开发 CPU 等处理器时使用多核，但是从可编程性、技术角度来讲多核本身也是有问题的。
　　整个芯片设计其实已经到了非常有意思的环节，为什么现在会有这么多的 AI 芯片公司、这么多定制化的芯片？下图不仅介绍了处理器，而且从处理器角度、从整个产业链出发，包括 EDA，还包括能够做芯片的产业链进行说明。
　　下图是从 DARPA 过去五十年的报告里摘取出来的。DARPA 是美国国防部著名研究机构，DARPA 每十年会对整个行业、系统进行统计和调查，比如图中所示是计算机的性能和做计算机的成本。摩尔早在五十年前就预测，五十年后摩尔定律可能会遇到瓶颈，如图中展示的平行线。以前通过通用计算，包括非常传统的半导体工艺发展的很好。但是到了 2022 年左右，从图中趋势可以看出，左边轴描述的是芯片性能，以前从处理器角度来讲叫浮点的性能（FLOPS），但是现在由于 AI 出现，评估计算机性能不再是 FLOPS 了，可能是一些新的东西。右边 Y 轴展示的是整个芯片在相应工艺的成本，可以看出，目前具有先进工艺的芯片，虽然性能有一些增长，但是对整个的成本，包括软件成本、硬件成本，EDA 成本，其实已经出现了非常大的拐点。DARPA 将这个拐点叫做「Moore’s Inflection point」，这个点出现的时候，我们可以思考一下，现在的技术未来是不是能够延续，使得技术得以继续发展。
　　RISC-V 开源生态
　　过去计算机是基于传统指令集冯 · 诺依曼架构，其中涉及最根本的概念叫做指令集架构。我们可以用一个类比来说明，即指令集架构相当于语言里的词汇，词汇是语言当中最基本的单元。我们可以看到过去 40、50 年出现的指令集架构，基本都是基于闭源的指令架构，它们都是由公司完全控制的架构，例如现在最常见的英特尔和 ARM 这两家公司。
　　我参与过 RISC-V 整个科研过程，2010 年我们在伯克利实验室开发了伯克利第五代开源指令集，它是完全开源、开放的架构，跟之前的指令集架构完全不同。
　　RISC-V 代表什么？首先 RISC-V 是完全免费、完全公开的标准；RISC-V 指令架构简单、是模块化的；此外，RISC-V 是非常容易增强（Enhance）的，比如说 RISC-V 有很多扩展指令集，同时，RISC-V 从开始设计的时候，并不只是做微控器，我们从小的计算机包括 IoT，到现在说的超级计算机都可以适用。
　　RISC-V 由社区维护，RISC-V 国际基金会组织位于瑞士，瑞士是一个非常中立的地方。另外，从 RISC-V 本身来讲，随着计算机的发展，尤其是涉及地缘政治，RISC-V 非常适合这个分化的时代。
　　RISC-V 从 2015 年开始建立基金会，到 2020 年、2021 年经历了非常漫长的发展过程，它的发展过程相当于一个指数级的发展。下面这张图来自 RISC-V 国际基金会对外宣传的公开资料。从整个 RISC-V 基金会会员来看，除了英特尔和 ARM 外，你能想到的很多企业都包含在这个基金会里面。RISC-V 基金会横跨 12 个行业，例如有做云的、有做 HPC 的，甚至还有做车载的等；还有 56 家研究机构以及涉及很多的服务（Services），还包括 85 家芯片厂商，甚至 OEM。RISC-V 基金会是非常全球化和国际化的，现在差不多有两千多名甚至更多的研究人员在推广 RISC-V。
　　RISC-V 发展历程
　　RISC-V 在过去十年内，经历了四个发展阶段：开始于 2010 年，这一阶段有技术报告放在网上供大家使用，从最简单的测试芯片开始；中间阶段 2017-2018 年，开始出现基于 RISC-V 微控器简单的设备；2019-2020 年期间，从产品角度来讲，有非常多的 IoT 产品出现，有一个报告指出，大概有 40% IoT 产品出现，比如视频产品都是用了 RISC-V 处理器，包括华为推出的 WIFI 产品都含有 RISC-V 处理器。2021 年之后，我们可以看到会有更多、更加复杂的 RISC-V 处理器产品，此阶段运行软件的复杂度远远高于之前的复杂度。
　　大家可能都认为 RISC-V 是 ARM 跟英特尔的廉价替代品，但是 RISC-V 并不是廉价的替代品，而是真正通过开源方式给大家提供没有限制、可以自由发挥的平台。
　　睿思芯科的产品就用了 RISC-V 扩展指令，其开发的产品蓝牙耳机就是低功耗场景应用。如果你通过开源架构进行重新设计、重新根据应用去定制的话，可以获得不少于 20%、30% 的提升，甚至是成倍的性能提升，未来 RISC-V 可以做 ARM 和英特尔做不了的事情。
　　下图是国外 Semico Research 做的预测：预测未来五年内 RISC-V 处理器数目可能呈指数级增长。保守预计到 2025 年，市场将消耗 624 亿个 RISC-V CPU 内核。
　　构建专用集成电路的三个组件
　　说到处理器，就不得不提完整的生态系统。如果我们要做 ASIC，不仅需要处理器、RTL Design，同时还需要 EDA 工具，而且还要有 Foundry PDK，这些技术在未来五年内都是结合在一起的。说到软件大家都非常熟悉，包括前端的 Java、C++ 等，中间的编译器可以生成不同的指令后端。
　　同样的在芯片设计领域也存在类似的 EDA 生态系统，只是所用语言不同，EDA 生态系统用的是 Verilog 语言、System Verilog 语言等，中间编译器用的是逻辑综合工具（Synthesis Tools）。
　　在软件方面，有开源软件如 GCC、VM 等，但是在未来五年内，包括业界看到的很多趋势，发现不仅是芯片 RISC-V 本身，还包括用到的 EDA、Foundry 等都会相应的进行开源。
　　这里简单介绍一下 Google 背后在支持的项目：OpenRoad，这是美国国防部重点项目。该项目的目的不仅是对处理器、IP 进行开源，同时也开源 EDA、Foundry。Foundry 在美国叫 Skywater，他们已经对 Foundry PDK 做了开源。
　　DARPA 同时也有一个叫 OpenRoad 项目，该项目在 Global Foundry、GF 12 纳米的工艺，从设计到最后的芯片流片，耗时 24 小时就把完整的流程跑完。我们认为到 2025 年包括芯片设计、EDA，以及现在用到的处理器 IP，将来都会是开源的。
　　PicoRio
　　在这种情况下，RIOS 做什么？RIOS 是非营利性机构。我们也意识到这个事情本身要有革命性的变化，不仅需要从处理器本身出发，包括处理器周边，包括一些非常高质量的开源项目也需要发展。
　　RIOS 遵循以前在 UC Berkeley 的传统，会有为期五年的开源项目。我们希望通过非盈利开源，能够引入更高质量的设计，不仅包括处理器的设计、IP 的设计，甚至对所有开源 EDA 等进行支持。真正提供给大家可用、可跑现代操作系统、现代软件，以及低代价、低功耗的系统平台。
　　PicoRio 有三个阶段：第一个阶段在今年 1 月份举行的 RISO 国际论坛上已经对外推出，已经可以做一些包括 Linux 等在内的开源软件，同时 PicoRio 也是开源的。现在 PicoRio 处于 2.0 阶段，之后随着 2.0、3.0 不断推进，PicoRio 可以进行处理器性能，以及引入各种各样新的 GPU 支持，支持更多的非常完整的软件环境。
　　我们的目的是通过整个开源平台，对 RISC-V 软件生态、硬件生态进行一定程度的探索。
　　我们是一个开源组织，所以做了很多开源工作。比如大家用的比较多的 Chrome 浏览器的重要组件 JavaScript 引擎和 RIOS 成员一起在 Google 里进行了开源。同时也开源了谷歌 Chrome OS 关于安全性的项目等。PicoRio 对最近比较主流的 Linux 分布式，比如 Gentoo Linux 贡献也非常大。在整个软件生态里，实际上我们已经通过开源产生了一定的影响力。
　　最重要的一点是 PicoRio 的硬件平台，这里有一些开源链接，大家可以自行查看。
　　说到开源的 PDK，Google 和 SkyWater 在 GitHub 上通过完全开源的方式，已经可以对接全世界的设计。这对开源生态来说是非常重要的信息。
　　今年 Google 赞助了差不多 6 到 12 个流片，其中一半流片是免费的，一半不免费。你可以用这些完全开源的工具，把自己的代码放在 GitHub 上，由 Google 来支持这些流片（tape-out）。这对那些想尝试一些新东西、新架构的研究者来说是非常有意思的。
　　在和 Google 的合作过程中，可以看到我们在社区里的活跃程度比去年提高很多，去年大约有 50 多个项目，而现在已经上升到了大约上百个项目，预计在明年会有上千个项目，这一发展过程对未来具有非常大的冲击力。
　　今年会有 PicoRio2.0 在 SkyWater、130 纳米的工艺下做开源工具，使用开源的 EDA，包括开源的代工厂（Fab）进行流片。说到 130 纳米工艺可能感觉技术略显过时，但是现在我们看到在 pipeline 里的 Foundry，除了 TSMC 以外，其他几家公司都拥抱开源工具。未来到 2025 年，将会有更多高性能的芯片产品出现，而这些芯片都是通过开源方式做出来的，给整个行业带来非常大的变化。
　　最后，我们是开源的社区、开源的组织，非常希望大家能够参与到开源项目的贡献中来，参与整个开源发展。