芯片突围记
本文來自微信公眾號：知識自動化 （ID：zhishipai），作者：包云崗
原文標題：《包云崗 | 芯片突圍記》
被人忽略的微架構能力
精簡指令集 RISC 是計算器芯片發展史上的一個傳奇。它最得意的作品，就是 1983 年英國 Acorn 公司，開啟了基于加州大學伯克利分校 RISC 項目理念的新處理器架構研發項目 Acorn RISC Machine (ARM)，這就是如今統治移動芯片的 ARM 架構的肇始。而伯克利的 RISC 項目在 1980 年代發展了四代，2010 年啟動了第五代設計，即 RISC-V。
RISC-V 是一種指令集，并不是一種處理器的實現。指令集是一種標準規范，相當于是大家的一個約定。如果遵循同一個標準規范，那么不同廠商生產的軟件和硬件就能在一起工作，就跟螺釘螺母的尺寸規范一樣。
有了指令集標準規范，下一步最重要的就是芯片設計。根據指令集來去完成微架構的設計，形成文檔，然后通過工程開發形成源代碼。有了源代碼之后，就可以用 EDA 軟件形成芯片版圖，最后交給臺積電或中芯國際這些代工廠去流片，實現芯片制造。
當很多人將焦點集中在制造的裝備或者設計的軟件的時候，也很容易悄悄地忽略了看不見“微架構的設計和實現”。實際上，這是非常重要的能力，是芯片設計的核心競爭力。
當具備微架構設計和實現能力后，將不再受限于指令集。如果要更換一種指令集，也將非常容易。在過去幾十年，英特爾處理器的性能在不斷地提升，原因到底是什么？指令集的增加固然是看得見的積累，但更重要的是，英特爾處理器微架構和工藝的不斷演進。從 1995 年英特爾的 P6 架構開始，到 2000 年再到 2006 年，大概每五年一代架構就會演進一次。不斷迭代過程中，實現微架構層面的優化。而這正是英特爾設計能力的核心。甚至從這個角度來看，指令集在某種程度上并不是那么重要，因為它只是一種標準規范。而微架構的設計和實現能力，才真正決定了一顆芯片的性能、功耗和面積。蘋果公司在過去幾十年更換了多個指令集，從摩托羅拉到英特爾、到 PowerPC、再到今天的 ARM。由于蘋果自身的垂直協同設計能力很強，更換指令集并不是一件太難的事情。國內的龍芯公司，因為具備很強的芯片設計能力，從 MIPS 指令集更換到自有指令集龍芯（longArch）指令集時，微架構設計也幾乎不用做太多改變。國內還有企業在研發可以同時支持 Arm 和 RISC-V 的設計，也是因為底層的微架構設計并不需要大的變化，就可以支持不同的指令集。
指令集與生態
指令集不重要了嗎？如果從軟件生態而言，卻是至關重要的。它會決定軟件生態開發的效率。早年的 IBM 計算機，每一臺計算機的指令集都是獨立的，導致計算機的軟件投入特別大。1964 年 IBM 推出的 System / 360 計算機改變了這個格局，形成了統一的指令集，從而計算機軟件和硬件可以分離開。這次標準化的指令集延伸開來，逐漸使得獨立的軟件產業成為可能。統一的指令集，雖然對單一公司的作用沒有架構能力重要，但對于軟件生態卻是決定性的影響。
但是，在過去的幾十年時間里，指令集均屬于公司私有，如 X86、ARM、MIPS、SPARC 等。2010 年，加州大學伯克利分校 David Patterson 教授提出一個響亮的口號 “指令集應該免費”，這個理念立刻得到全世界的認可。伯克利分校所推出的 RISC-V 更是蓬勃發展起來。既然指令集不再屬于某一個公司，那么全世界可以共同去建設。一種全新的開源開放共享的處理器生態出現了。而共建模式的核心，就在于把標準規范和產品實現進行分離。這就和通信領域的 5G 通信標準的建設機制非常類似。5G 標準由非盈利組織 3GPP 組織來負責制定，而各個企業可以根據 5G 標準去做自己的產品，在開放的模式下去競爭。
類似的，RISC-V 也帶來了這樣的新機會，指令集的標準由 RISC-V 國際基金會來制定。基于這個標準，不同國家的不同企業都可以來研制不同的 RISC-V 產品，例如，美國硅谷新秀 Sifive 公司的 RISC-V 產品、國內阿里平頭哥的玄鐵 RISC-V 處理器、以及中科院在開發的香山處理器。這為后進入賽道的處理器廠家，帶來了一種新模式，即“5G 模式發展芯片”。在過去 20 多年，國內的處理器發展模式，主要有“高鐵模式”和“北斗模式”。高鐵模式代表了一種融入現有生態的思路，通過引進-消化-吸收-再創新，實現產品升級，代表企業有海光、海思和飛騰。而北斗模式則是獨立構建技術體系和生態，以龍芯、申威為代表。而“5G 模式”意味著中國的處理器可以采用第三種模式，制定開放標準，自研核心技術，在開放的框架下去競爭和合作，并且面向國際市場和生態建設。
RISC-V 的再認識
盡管 RISC-V 意義重大，但行業依然有很多誤解。2022 年 12 月，David Patterson 教授寫了一篇文章，專門來糾正關于 RISC-V 的一些謬誤。
第一個誤解，RISC-V 是一個開源處理器，就像 Linux 是一個開源操系統。實際上，RISC-V 不是一個開源處理器，它只是一種標準規范，本質上是一本描述性手冊，類似以太網標準、USB 標準等。而 Linux 操作系統是一種源代碼。所以這兩個不具備可比性。RISC-V 就是一個標準，而國際基金會就類似一個制定標準規范的工作組。
第二個誤解，成熟封閉的指令集要比選擇開放的指令集更安全可靠。安全性跟封閉和開源并無關系。封閉指令集屬于公司，就會和公司的命運緊密綁定。如果公司不景氣，該公司的指令集就會消失，供應鏈安全無法得到保障。歷史上消失的指令有很多，包括像曾經一度流行的 DEC VAX 和 DEC Alpha 指令集。此外，封閉指令集也未必穩定，當年 MIPS 曾經賣給了六個企業，ARM 也有三個東家，而更換一個東家就意味著商業模式可能會發生變化。
第三個誤解，封閉的指令集是整齊劃一，沒有碎片化的割裂狀態。實際上，封閉指令集會在其生命周期中，經常碰到無法預見的不兼容問題。即使在 ARM 的一個體系下，也出現過不兼容的情況。ARMv1 到 ARMv7 使用 32 位地址空間，然而在下一代能夠同時提供 32 位和 64 位地址版本的 ARMv8-a，卻無法兼容。而且，即使同一代產品，ARMv8-a 和 ARMv8-m 也存在不兼容。碎片化，在某種程度上其實是一種常態。
第四個誤解，相對于封閉指令集，RISC-V 的模塊化導致了更加碎片化的軟件生態。在這一點上，RISC-V 技術工作組已經在提供一些新的機制，比如通過配置（Profile）機制，來規范軟件生態，從而使軟件不會像想象得那么碎片化。
最后一個謬誤，很多人斷言 RISC-V 不可能成為主流指令集。這一點結論為時過早。從技術上而言，RISC-V 是可以去支持從嵌入式、到普通計算機、一直到超級計算機領域的，并不存在系統性缺陷。如果從商業角度而言，更加開放的標準，往往會更有生命力。這一點倒是可以跟 Linux 操作系統的成功相媲美。
RISC-V 的五大趨勢
RISC-V 已經開始往高性能領域發展了。以前很多人認為它只能在嵌入式領域，但最近這幾年，已經出現了一批 RISC-V 高性能處理器實現，代表企業有硅谷的 Sifive、Ventana，在技術上有一定優勢。國內還有香山處理器，以及上海賽昉。SiFive 近期推出高達 3.4GHz 的 RISC-V 處理器，性能可以對標 ARM A78，是一個相當高性能的處理器。對比國內來看，在研發進度上，這款設計領先國內的香山大概一年左右。但是香山也有它的優勢，因為香山通過開源開放的模式聯合多個企業一起來研發，可以更快地迭代，同時通過分攤降低成本。
值得注意的是，許多國家在國家層面上在積極地推動或支持 RISC-V。例如 2022 年 6 月份，俄羅斯數字發展部宣布將大力扶持 RISC-V 處理器的發展。印度也啟動了“數字印度 RISC-V 處理器”(DIR-V) 發展規劃”。同時，印度的電子信息部（相當于國內的工信部）以部的名義加入了 RISC-V 國際基金會，并成為了高級會員。此外，歐盟在 2022 年 9 月 8 號發布了《關于建立歐洲開源硬件、軟件和 RISC-V 技術主權的建議和路線圖》報告，支持 RISC-V 與開源硬件，尤其給出了九大優先發展關鍵方向，并給出了實施路徑，包括建立非盈利機構來支持研發、實施教育政策和措施等等。由此可見，全世界都在積極投入 RISC-V 生態建設。
RISC-V 關鍵軟件生態的發展也是非常迅速。一方面，RISC-V 國際基金會在積極推動基礎軟件的適配工作；另一方面，很多開源軟件社區也在主動適配。這就使得全世界的軟件力量也都在支持 RISC-V 生態的發展。以 Linux 發行版 Debian 為例，開源社區于 2019 年開始支持 RISC-V，在全世界開源社區的努力下，僅用 3 年時間就完成了 2 萬多個軟件包中 95% 的移植，使 RISC-V 成為 Debian 支持的 Tier-1 架構。在 RISC-V 生態建設上，中國處于第一梯隊。尤其是 2018 年以來，很多企業都在推出各種各樣基于 RISC-V 的芯片產品。同時，地方政府也出臺一系列政策。特別是北京政府，在 RISC-V 方面有很大的投入。
由于 RISC-V 軟件生態也在加速，RISC-V 正在得到了越來越多企業的支持。除了初創公司外，包括像英特爾這樣的巨頭也積極投入到 RISC-V 的生態建設當中。美國企業在高性能處理器領域的投入比較大，總體處于領先地位。但在國內，初創公司非常活躍，數量上也遠大于美國。盡管目前，還是主要還集中在 MCU 級別。但這對于歐美日壟斷性的市場，注入了一點新鮮的空氣。
整體而言，RISC-V 應用正在全球快速地增長。2022 年上半年，RISC-V 國際基金會的數據顯示，RISC-V 的出貨量已經超過一百億顆，預計到 2025 年有望突破 800 億顆。總體來講，RISC-V 還是缺少一些里程碑的、標桿式的 RISC-V 應用。但好消息是，歐盟計劃投入 2.7 億歐元，來研制超級計算機，這將是里程碑的事件。
中國的落地生花
RISC-V 國際基金會作為負責標準制定的機構，目前非常活躍。在全球已經有 70 多國家、3000 多個會員加入到 RISC-V 國際基金會，近幾年每年都以超過 100% 的速度在增長。而從國家分布情況來看，中美歐并駕齊驅。中國國內企業的參與度非常高，在 RISC-V 國際基金會高級會員中，有 14 個國內企業是高級會員；在全球 25 個理事中，其中有 9 個成員是來自中國；還有一些技術發展伙伴，中國的機構和企業也在積極參與。這是一個非常充滿中國活力的組織。
在北京市和中科院支持下，有 18 家企業聯合發起了北京開源芯片研究院（開芯院），是 RISC-V 基金會的高級會員。開源芯片研究院希望像構建開源軟件一樣去構建開源芯片生態。在這樣的一個開源芯片生態下，有很多開源的硬件組件可以被充分復用，從而大幅降低構建一顆芯片的成本，進一步讓更多的中小企業去釋放他們的創新活力。
目前，開芯院啟動了香山開源高性能處理器核的研發。它的目標就是像 Linux 一樣。如前所屬，Linux 和 RISC-V 并不在一個層次，但香山和 Linux 是在一個層次。RISC-V 是一個標準規范，而香山是一個具體的實現。RISC-V 本身并不像 Linux，但香山像 Linux。開源芯片研究院的香山，定位成類似 Linux 開源處理器主線，既能夠被工業界廣泛應用，同時又可以支持學術界去做創新。
香山的特點在于它的源代碼是開源的，同時開發代碼的整個平臺和工具也是開放的。用冰山做類比，芯片本身可看做是冰山水上面的部分，那冰山水下面的部分就是如何設計芯片所需要一系列的基礎設施、測試及驗證工具等。香山，就是要把所有的這些內容都開源開放，這樣可以聯合更多的企業來共同研發。目前香山的架構設計，已經發展到第三代。第一代叫“雁棲湖”，在 2022 年初已經實現流片，并達到了預期性能。第二代叫“南湖”，目前已經實現了對第一個客戶的交付。南湖的性能是對標 ARM A76 的水平，并持續迭代新的版本。香山，是一個通過開源模式來構建的芯片設計，得到了全世界開源社區的大力支持。從 2021 年公開以來，香山在 GitHub 上非常活躍，是國際上最活躍的開源芯片項目之一。
香山早已不再是中科院的一個科研項目，而是通過開芯院這樣的連接學術與工業界的組織，實現產品化、工業級的交付能力。
從性能對比圖來看，目前香山在全世界的開源芯片中性能最高，在這個基礎上，開芯院進一步確定了“兩核”發展目標。第一個是經典核，能夠適用于中高端工業、泛工業技術平臺的處理器核，對標 ARM A76。第二個核是高性能核，主要應用在高性能場景，比如數據中心、算力基礎設施等，對標 ARM N2。目前經典核“南湖”（性能對標 ARM A76），開芯院也在 2022 年 11 月實現了順利交付，即按期交付了 100% 的 RTL 代碼給第一個用戶。在合作過程中，也得到用戶的高度評價。接下來，開芯院在今年 2 月份還會將南湖交付給第二個用戶。
更長遠的計劃也在跟進。2022 年 8 月，第三代香山“昆明湖架構”的聯合研發，形成了將約 100 人的研發團隊，面向新未來而拉開大幕。
更輕更廣：第四代芯片商業模式
很多人非常關注的問題是：開源芯片有未來嗎？
這個問題，可以從歷史中獲得一些啟發。IBM 在 1981 年推出了個人電腦，并且把所有的文檔都進行了公開。至今，人們還可以到網上找到 IBM 當年公開的這個近 400 頁的文檔。這個文檔包含了所有的源代碼、電路圖以及各種寄存器的配置等。這在當時高度競爭、相互不兼容的個人計算機市場，是非常令人震驚的行動。
它帶來了兩個深遠的影響：第一個影響是誕生了一批新興的企業，像戴爾、康柏，以及國內的聯想和長城等。戴爾和聯想都是在 1984 年成立，至今仍然是全球三大家的主宰者（另外一家是老牌惠普）。由于降低了個人電腦設計的門檻，使得很多企業都可以進入個人電腦領域找到企業發展的新空間。第二個影響是 PC 的價格和成本大幅降低，原來一臺 PC 要將近一萬美元，因為 IBM 的開源開放，PC 售價降低到了 1500 美元，使得 PC 真正能進入到每家每戶，并成就了一個新興的 PC 市場。
開源芯片有著同樣的潛力，激活一個更大的產業，即“人-機-物”融合的新興物聯產業。這個產業規模會更大，因為萬物互聯、人機互聯的場合到處都是，無論是智能家居、還是車聯網等。那么在過去幾十年，面對不同的產業，不同的芯片企業是怎么去支撐的？一個有趣的現象是：企業的模式越開放，所需要的資源越少，但撬動的產業卻越來越大。
英特爾的模式是“IDM 模式 + 銷售芯片”，企業只能拿 Intel 的芯片做整機。這種模式可以看作是重資產模式，因此 Intel 需要有超過五百億美元的營業額、上百億美元的利潤才能支撐 PC 產業。以圖像 GPU 起家的英偉達的模式，比英特爾模式更加輕一些，采用的是“無制造的芯片設計 Fabless 模式 + 芯片銷售”的模式，它只需要一百五十億美元以上的營業額以及三十億美元的利潤，就可以包打天下，支撐人工智能產業的發展。第三代模式是英國 ARM 公司，資產更輕。它采用了“Fabless+IP 授權”的方式，只做 IP 而讓其他企業去做芯片。于是只需要二十億美元營業額、三億美元的利潤的 ARM，就可以統治天下的智能手機產業。
現在物聯網是奧迪如果開源芯片，可以把 IP、開發工具都進行實現開源開放，它所撬動的市場就會更大。通過開芯院等這樣非盈利機構，采用“聯合 Fabless + 共享 IP 授權”的模式，只需要兩億美元的研發經費，就足以撼動一個豐富的物聯網產業。更多的初創企業，將具備根據場景需求而快速定制芯片的能力。開源芯片，將會有一個非常廣闊的前景。
小記：開源是條值得嘗試的路
RISC-V 為集體智慧開發芯片，開啟獨特之路。考慮到全球供應鏈大環境下的安全性，開源芯片適逢其時。它對于創新的貢獻，不僅僅是技術，更是帶來組織和商業模式的顛覆性變化。芯片事關未來，開源打開了一個全新的天地。
作者簡介
作 者
包云崗：中科院計算所 / 北京開源芯片研究院
編 審
林雪萍：北京聯訊動力咨詢公司總經理
總結
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