【栏目：研究思路】在AI的发展中，如果说数据是血肉，算法是灵魂，那么芯片就是AI的骨头。没有芯片，所有的程序都只能是空中楼阁。

RISC-V（开放指令集）作为一种开源芯片指令集，因其具有高性能、功耗较低、灵活性和开源等特点，有可能形成一种处理器芯片生态新模式，即使一种开放、开源、共享、共治的处理器芯片生态。

在开源模式的驱动下，围绕RISC-V技术研发的处理器、EDA、测评方法等相关技术快速发展，逐渐形成新兴的芯片生态。在这一进程中，中科院计算所研究员、中国开放指令指令生态（RISC-V）联盟秘书长包云岗起到了重要的作用。

中科院计算所研究员、智源学者包云岗在「开源芯片与敏捷设计：现状与趋势」的演讲，介绍了团队推动构建开源芯片生态所做的工作，包括开源高性能RISC-V处理器香山、敏捷性能评估方法，通过开源EDA工具设计了果壳-1芯片的敏捷开发流程，以及设计云平台等方面的工作。

包云岗认为，目前我国芯片设计人才严重短缺，和国际先进水平差距大。而通过开源模式，能够降低芯片设计的门槛，是解决这一问题的有效途径。

对此，包云岗提出了三步走的规划，以期在中国构建开源的芯片生态。他认为， 「开源模式+敏捷设计」将是应对未来AIoT碎片化场景的有效解决方案，或将能够支撑上万芯片的设计工作。

以下由智源社区根据演讲主要内容整理。

演讲者：包云岗

整理：沈林杉

审校：戴一鸣

01

RISC-V指令集架构：开源模式，全球共享

在处理器芯片领域，指令集架构是连接芯片硬件和上层软件的标准规范。尽管开放标准是计算机领域许多技术的基础，但在芯片领域，Power指令集、x86指令集、ARM指令集等都被大公司控制。

2010年，加州大学伯克利分校（UC Berkeley）开发一套新指令集，名为RISC-V，其口号是「指令集应该免费（Instruction Sets Want to Be Free）」，并基于此建立了RISC-V基金会。

截止2020年底，RISC-V基金会在全球拥有1000多个会员。中科院计算所在2015年以创始成员的身份加入，如今中国在RISC-V基金会正扮演着越来越重要的作用。

开源芯片并不是简单地开源代码，而是包含了三个层次的工作，分别是开源的开放指令集、开源的处理器微架构设计/实现，以及开源的设计流程/工具。包云岗认为，这里蕴藏着很多的技术创新机会。

图注：芯片开源和敏捷设计方面的研究领域和工作

02

模型预训练开源探索，研发「香山」处理器

近年来，中科院计算所联合北京智源研究院、鹏城实验室等在开源芯片实践形成了开源RISC-V处理器核与设计流程、开源EDA工具与云平台、探索芯片敏捷设计开发流程等工作。

包云岗认为，RISC-V作为一个开放免费的指令集，很重要的一个优势就是可以做开放免费的结构设计；国际上现有的开源RISC-V核不能满足业界对高性能的需求，这为打造高性能开源RISC-V处理器提供了机会。

通过探索开源芯片设计模式，包云岗希望建立像Linux一样的被工业界广泛应用的体系结构创新开源平台，从而用于研究和验证芯片敏捷设计方法、流程与工具。

2020年开始，包云岗团队研制了一款开源的高性能RISC-V处理器——香山，其第一版采用了雁栖湖架构，已于2021年7月流片，并与头部企业签署了联合开发协议。

研发过程中，团队初步形成了一套芯片敏捷开发流程，采用Chisel语言，而非Verilog，在硬件源码、验证框架、评估框架、配套软件等开发流程上实现了创新。

这种开源开发模式类似于Linux，每个参与者都可以进行新功能的开发。新功能在经过模块测试、功能评测、性能评估、代码审阅、流片验证等流程后，最终并入主线。

在微架构的设计上，团队也在探索前沿性的方法。在构建敏捷的性能评估方法上，团队通过使用高级抽象硬件语言Chisel，采用面向对象的设计思想，引入软件工程差分测试技术，提高了代码复用率，并实现敏捷验证与仿真，并支持了「一生一芯」项目。

图注：包云岗团队探索得出的芯片敏捷设计与验证方法

此外，团队在开源工具的设计以及云平台方面也进行了研究。自2019年起，团队开始使用开源的EDA工具设计开源芯片，并于2021年年初完成了设计「果壳-1」芯片的目标。其中，团队构建了一套基于Python的RTL到GDS II的设计流程，为开源芯片的设计提供了宝贵的经验。

下一步，团队计划联合联合国内力量发布白皮书，将EDA工具对应的问题拆解为多个子问题，并形式化描述，最终的目标是构建一套支持国产28nm工艺线的开源EDA工具链。

芯片云平台也是团队持续发力的方向，包云岗希望把各种开源工具和资源集成在同一的平台上，让用户能够快速定制芯片开发与软件开发，降低门槛，并简化云软件栈部署，具有更好的性价比与扩展性。

去年疫情期间，许多高校学生都只能在家进行学习，而云平台为他们参与研究，完成项目发挥了很大的作用。通过团队提供的芯片云平台，同学们可以在线进行异地实验，只需要在家里登陆平台，便可以完成芯片设计。

图注：采用开源EDA实现果壳-1设计的过程

通过以上工作，包云岗团队的最终目标是构建开源芯片的生态，将开放指令集、开源EDA工具链、敏捷模拟仿真验证等要素集成到一起，为开发者提供具有90%的基础功能的集成开发平台。通过开源芯片与敏捷开发，达到降低芯片设计的人力、EDA以及IP成本的目的。

图注：云芯片设计平台的总体架构

包云岗认为，目前我国优秀处理器芯片人才储备严重不足，据包云岗团队的调查统计，2008-2017年，国际计算机架构旗舰会议ISCA论文的第一作者有85%在美国工作，而在中国的仅有4%，不足美国的1/20，加快处理处理器芯片人才培养迫在眉睫。

图注：ISCA论文一作国籍和毕业去向的统计结果

03

三步走，构建我国自主开源芯片生态

从2018年成立开放指令生态联盟开始，包云岗希望通过「三步走」的发展规划，在2030年实现构建国内的开源芯片生态的目标：

第一阶段：开源SoC——用3-5年为社区提供经过流片验证的高质量RISC-V开源核、开源SoC设计。

第二阶段：用开源工具链构建开源SoC——用5-7年逐步构建一套基于开源EDA工具链、开源IP、开源工艺库的开源SoC芯片设计流程。

第三阶段：用开源工具链构建开源SoC——用10-15年开发更智能、更自动化的开源工具，提升设计验证效率。

而目前团队也在朝着这个目标不断地努力着。对于未来，包云岗认为开源模式+敏捷设计将是应对未来AIoT碎片化场景的有效解决方案。

德州仪器公司的运作模式便是一个成功的典型案例。

据统计，德州仪器拥有高达有8万多款产品，每款芯片都不一样，而他们的员工只有3万人。而企业为此打造了一套共享的研发体系，包括共享的工厂，共享的设计工具、IP与库等。在面对不同的场景时，开发者可以从芯片库中找到核心的芯片来组成一个解决方案，这是应对碎片化场景非常有效的方式。

在未来，面对AIoT的碎片化场景，包云岗认为也可以实现这样的效果。如果将芯片设计需求开放给整个工业界，采用开源模式推动工业界进行敏捷开发，可以支撑起上万个芯片设计的需求。此外，芯片可能还会跟软件、APP关联起来，有效解决芯片设计需求碎片化的问题。