中科院歷時5年打造RISC-V設(shè)計平臺，開源芯片死結(jié)有望打開！

說這話的人是中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研究員、先進(jìn)計算機(jī)系統(tǒng)研究中心主任包云崗，幾年前他所在的中國科學(xué)院大學(xué)有 35% 的學(xué)生不喜歡做芯片，現(xiàn)在不少學(xué)生已經(jīng)開始熱衷于做芯片，并已經(jīng)有學(xué)生“帶芯畢業(yè)”。
2020 年 6 月，五位 95 后本科生，帶著自己設(shè)計的處理器芯片“果殼（NutShell）” ，從中國科學(xué)院大學(xué)畢業(yè)，這在國內(nèi)非常罕見。


整個芯片從設(shè)計到研發(fā)，耗時僅僅 4 個月，如此高效率的研發(fā)，得益于包云崗團(tuán)隊研發(fā)的開源芯片設(shè)計平臺——SERVE。
在 2020 中關(guān)村論壇未來青年論壇現(xiàn)場，DeepTech 專訪包云崗，并請他重點闡述了 SERVE 開源芯片設(shè)計平臺的現(xiàn)狀。SERVE 的誕生，要從 2012 年開始，這是一個摸索著長大的產(chǎn)品。2016 年，負(fù)責(zé)團(tuán)隊耗時 4 年，終于研發(fā)出 SERVE 第一版。
同時，包云崗和團(tuán)隊核心成員張科博士、常軼松博士也在繼續(xù)探索。在明確開源方向后，他們決定把 SERVE，打造成開源芯片設(shè)計平臺。2019 年，SERVE 發(fā)布第三版，并發(fā)揮作用至今。

 SERVE 的主要作用，是在芯片設(shè)計結(jié)束以后，對芯片進(jìn)行開發(fā)驗證。由于 SERVE 的研究人員，本身也是高校老師，他們“就地取材”，圍繞教學(xué)場景針對教學(xué)中遇到的需求，尋找技術(shù)實現(xiàn)手段。 此前，芯片驗證一般得用 FPGA 仿真硬件基礎(chǔ)設(shè)施，并且芯片上面還得運行軟件，因此要想測試芯片是否有問題，就得讓它跑起來。跑的過程中遇到問題，就要反饋給設(shè)計人員進(jìn)行修復(fù)。
包云崗在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，上述做法面臨的痛點是，不是每個學(xué)生拿到的開發(fā)板都很穩(wěn)定，這樣就會導(dǎo)致很多無解類問題。
而 SERVE 的作用，正是用于尋找無解類問題。它能通過聯(lián)網(wǎng)來給芯片做驗證，芯片的開發(fā)流程也會因此加快。
之所以具備該功能，是因為 SERVE 使用了一種新架構(gòu)——SoC-FPGA，相比亞馬遜 F1 FPGA 云平臺，SERVE 的密度更高，一個平臺上可以集成 32 個 FPGA，并且每個 FPGA 上面還有強(qiáng)大的計算力。這樣既有較高的密度，又有較強(qiáng)的計算能力，整個芯片系統(tǒng)可以獲得更好的性價比。

包云崗介紹稱，SERVE 在遠(yuǎn)程教學(xué)中，也發(fā)揮了重要作用。2020 上半年，學(xué)生都在家學(xué)習(xí)，而 SERVE 讓學(xué)生們即便不在學(xué)校，也照樣可以完成硬件實驗。
截止目前，在疫情期間，128 位該校學(xué)生登錄 SERVE 近兩萬次，并借此進(jìn)行了近兩千小時的實驗。
過去幾年，中國科學(xué)院大學(xué)一直讓本科生用 SERVE 去做教學(xué)實驗，學(xué)生對計算機(jī)組成原理教學(xué)實驗平臺的滿意度，也從 27% 增長到 88%。
把芯片設(shè)計搬到云上來

SERVE 的目標(biāo)，是要把芯片設(shè)計過程搬到云上去。未來，該平臺有望實現(xiàn)所有的芯片設(shè)計，都能在云上完成。 屆時，開發(fā)人員只需一個帳號，就能在云平臺里面，制作芯片開發(fā)的基礎(chǔ)組件，并能完成開發(fā)和驗證等所有過程，從而產(chǎn)出芯片設(shè)計版圖。版圖設(shè)計出來后，就可以交給芯片制造廠商去制造。
據(jù)包云崗介紹，在云上做芯片設(shè)計，也是未來的趨勢，如果再融入開源要素，還能幫助降低芯片設(shè)計和驗證的成本。 而降低設(shè)計成本，正是降低芯片制造門檻的首要因素。當(dāng)前芯片的生產(chǎn)要素如 EDA、IP、仿真驗證平臺等造價都非常昂貴，如果生產(chǎn)要素特別難獲取，生產(chǎn)門檻就會非常高。 他舉例稱，以 14 納米芯片為例，一般需要幾千萬甚至上億元的研發(fā)經(jīng)費。這樣的投入，只有少數(shù)企業(yè)才能承擔(dān)。如果是創(chuàng)業(yè)公司，還沒開始創(chuàng)業(yè)就要花這么多錢購買設(shè)備，那么芯片行業(yè)自然難以注入新鮮力量。 說到這里，包云崗說開發(fā) App 的要素都是開源的，三五位工程師下載一些開源組件，很快就能做出一款 App。同樣，通過開源和云上設(shè)計的方式，也能讓芯片設(shè)計像開發(fā) App 一樣簡單。
“讓天下沒有難做的芯片”
2019 年 10 月份，《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志有篇文章提到：過去十年開源軟件讓智能手機(jī)實現(xiàn)了大爆發(fā)，未來十年新的開源硬件有可能讓物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實現(xiàn)類似的爆發(fā)。 包云崗介紹稱，開源芯片已經(jīng)是大家比較關(guān)注的新趨勢。
它背后有三大驅(qū)動力，第一是當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的整體趨勢，如 2020 年中國半導(dǎo)體行業(yè)明顯“變熱”；
第二是人才，和美國相比，近十年在芯片設(shè)計領(lǐng)域里面，中國仍有 20 倍人才差距；
第三是產(chǎn)業(yè)，如果把領(lǐng)域?qū)＜业闹R實現(xiàn)到芯片里面，就能把芯片性能功耗比提升幾百倍。
談及芯片和開源的結(jié)合，包云崗表示，一枚芯片的誕生，包括設(shè)計、制造和封裝等三個階段，這和出版小說的過程很相似。 設(shè)計階段，就好比把小說寫出來；制造階段，相當(dāng)于寫完后把電子稿發(fā)給印刷廠、并把它印出來；封裝測試好比把它封裝成一本書。 他舉例稱，以寒武紀(jì)公司為例，他們把人工智能、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器學(xué)習(xí)的設(shè)計固化到硬件里面，最終做出的 AI 芯片，比通用芯片的各方面性能都高出一個數(shù)量級。 由于寒武紀(jì)芯片針對的是某一類大領(lǐng)域，公司需要投入上千研發(fā)人力。但還有很多場景，不需要面對復(fù)雜應(yīng)用，也不需要投入過多人力，可能只是做窗簾里面一個小處理器，這個小處理器只需感知光線是強(qiáng)還是弱，并根據(jù)光的強(qiáng)弱、接收手機(jī)發(fā)來的請求，從而實現(xiàn)窗簾的自動開關(guān)。 而用多快好省的方式快速做出芯片，便是降低芯片門檻的主要意義所在。對于有較強(qiáng)應(yīng)用需求的小芯片來說，它們將在未來實現(xiàn)門檻低、成本低、周期迭代的能力。這樣，便能最大程度激發(fā)芯片領(lǐng)域的創(chuàng)新活躍度。 包云崗繼續(xù)分析稱，現(xiàn)在全中國有 400 多萬個 App，App 擁有量位居世界首位，每個 App 都需要團(tuán)隊開發(fā)，未來這些 App 可直接跟芯片關(guān)聯(lián)起來。仍以窗簾為例，假如開發(fā)一個 App 控制窗簾，那么與窗簾對應(yīng)的芯片，也可以打包形成一個軟硬結(jié)合的解決方案。 比如，一家窗簾公司不僅可以給用戶提供智能窗簾，還能給用戶一個 App，用戶在手機(jī)上可以很容易地控制窗簾。與此同時，窗簾公司還能很快做出一款小芯片，并嵌入到的窗簾里面。 這樣，窗簾跟 App 是緊耦合的關(guān)系，它們之間可以通信，App 里面的請求可以發(fā)送到芯片里面，進(jìn)而通過芯片來控制窗簾。這類芯片的出貨量會比較大，相應(yīng)的場景需求也比較多。包云崗表示，希望未來能把門檻降低到連窗簾公司都可以自己做芯片。 相比中低端芯片，高端芯片的制造門檻更難以降低。以建筑為例，假如要造大興機(jī)場，就不是以成本為中心來考慮，因為它是非常高端的明星項目，需要先進(jìn)的工程設(shè)備來做。 而大量存在的普通居民樓和寫字樓，會更加重視經(jīng)濟(jì)適用。而包云崗團(tuán)隊目前正在解決的問題，是怎么把量大面廣的芯片生產(chǎn)門檻降下來。 他認(rèn)為，假如造一個普通房子，都需要尖端人員來做，那么房子的推廣成本就會非常高。
而把制造量大面廣的芯片，跟計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（Computer Architecture）對應(yīng)起來，事情就會更加容易。
 在計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中做開源，相當(dāng)于把很多預(yù)制件都做好、并加以儲備，以備隨時使用。比如，僅用 10 天就可以造出雷神山和火神山醫(yī)院，此前長沙還曾用 7 天造出 10 幾層樓的酒店。 為什么能做到這一點？因為已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，有了預(yù)制件就能很快構(gòu)建出建筑。包云崗認(rèn)為，當(dāng) AIoT（人工智能物聯(lián)網(wǎng)）得到進(jìn)一步普及后，芯片也應(yīng)朝此方向發(fā)展，因為它跟建筑一樣，也有量大面廣的需求。屆時，芯片制造就會更快更便宜，造出來的芯片也會更適用。
開源芯片死結(jié)有望打開
但就開源芯片的研發(fā)，還面臨著“死結(jié)”。由于投入很大，大家不愿意開源，沒有可用的開源資源，就只能花高價去買 IP。
與此同時，大家又都希望一次流片成功，所以會花更多的時間去驗證它，導(dǎo)致人力成本高企。如今，這個死結(jié)有望打破。
 開源芯片設(shè)計平臺 SERVE，相當(dāng)于一群人合伙做出預(yù)制件，根據(jù)這些預(yù)制件就能快速搭出產(chǎn)品。從宏觀角度來看，開源就像基建一樣需要有投入，投入以后不見得能看到回報，因為做完以后就要貢獻(xiàn)給大家使用。 從商業(yè)模式角度來看，開源芯片設(shè)計平臺，就像是國家建設(shè)高速公路，前期投入很大，但是建好以后大家的出行會很方便。 正所謂要想富先修路，高速公路一旦建成，就可以促進(jìn)很多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這便是基礎(chǔ)設(shè)施的作用。開源芯片設(shè)計平臺也是同樣的道理，芯片門檻降低以后，平臺就可以變成公共設(shè)施，廠商就可以在平臺上做自己的芯片。

 包云崗指出，構(gòu)建開源芯片生態(tài)，需要四大元素：開源開放的指令集、開源的 EDA 工具鏈、敏捷開發(fā)語言、操作系統(tǒng)和編譯器。 以開源開放的指令集這一元素為例，得益于開放和免費，RSIC-V（一個基于精簡指令集原則的開源指令集架構(gòu)）已經(jīng)逐漸為人所知。
打個比方，指令集相當(dāng)于一種語言的語法和詞匯，而每一種語言都有一本字典，去解釋這種語言的語法和詞匯的便是指令集手冊。 指令集手冊都比較厚，以 X86 指令集手冊為例，頁數(shù)多達(dá) 5000 多頁，而 RISC-V 指令集手冊只有 200 多頁，本科生就可以讀懂。頁數(shù)少且淺顯易懂，這樣就可以用較少的人才投入，用它去做處理器芯片設(shè)計。

不同指令集的規(guī)模差別也很大，X86 如今已有 3000 多條指令，但事實上并不需要這么多。而 RISC-V 基礎(chǔ)指令只有 47 條，且可以完成很多功能。
與此同時，RISC-V 是模塊化的，雖然只有 47 條基礎(chǔ)指令，但其可以像搭積木一樣，根據(jù)需求構(gòu)建出定制的處理器。 仍以高速公路為例，路面可以行駛各種各樣的車輛，車主也可以基于不同的目的來使用高速公路，有的是做物流，有的是出去旅游。
對于開源芯片設(shè)計平臺來說，廠商也可以在上面發(fā)揮各種想象力和創(chuàng)造力，從 0 到 1 開拓出新業(yè)務(wù)。 可以說，開源芯片是一個生態(tài)基礎(chǔ)，而包云崗的工作則是構(gòu)建一個類似于公共服務(wù)的生態(tài)，讓芯片設(shè)計可以有更多創(chuàng)新。
芯片門檻降低以后，“良禽”才會“擇木而棲”。相比如日中天的互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，芯片行業(yè)研發(fā)人員收入普遍不高，但是芯片人才的要求卻很高，他們既需要懂設(shè)計流程，又需要懂前端、后端等一系列技術(shù)。 包云崗認(rèn)為，中國還沒有像英特爾和英偉達(dá)這樣的 GPU 純設(shè)計公司，中國的 GPU 跟美國的差距也在十年以上。
其中一個原因正是因為芯片門檻過高，人才很難保持活躍度，資本也不太愿意進(jìn)去。只有降低芯片門檻，學(xué)生才會不再害怕做芯片，人才參與一旦增多，資本也更愿意加入。
不過他同時指出，門檻也不能降得過低，移到中間某一個位置時，就會形成較好的業(yè)界態(tài)勢，這時便可以創(chuàng)造更大價值。