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中国如何在开源芯片领域找到突破口?RISC-V 会是一个绝佳机会!

本文作者:丛末 2019-07-11 10:12
导语:「Future can't be predicted,but it can be created」

雷锋网 AI 科技评论按:前段时间,「华为之劫」不仅引起了国内科技圈的恐慌,更是给国内一众专家和学者敲响了一记警钟,其中以开源领域为例,以来自中科院计算所的包云岗研究员为代表的国内专家学者对此展开了激烈的讨论,中国如何在开源项目等技术领域找到出路、获得主动权也成为了大家无比关注的主题。

在 6 月 27 日至 29 日由国际测试委员会(BenchCouncil)主办,国家超级计算深圳中心、中科曙光等单位共同承办的第六届世界智能计算机大会(BenchCouncil 2019)上,包云岗研究员更是组织了一场以「开源芯片」为主题的分论坛,邀请了 RISC-V 基金会中国委员会主席方之熙、中国 RISC-V 产业联盟理事长戴伟民、北京大学信息科学技术学院高能效计算与应用中心助理研究员罗国杰 、中国科学院计算技术研究所在读博士生余子濠一众专家学者,从各个维度共同探讨以 RISC-V 为代表的开源芯片目前的现状和未来,以及中国该如何在开源芯片领域找到突破口。

RISC-V 基金会中国委员会主席、前英特尔副总裁方之熙博士作为第一位出场嘉宾,带来了主题为《为什么说 RISC-V 是微处理器的一场革命》的演讲报告。他基于微处理器的发展现状以及目前面临的一些问题,探讨了 RISC-V 的优势以及给微处理器领域带来的革命性影响,并从哲学层面分享了其对于微处理器未来发展的看法。

中国如何在开源芯片领域找到突破口?RISC-V 会是一个绝佳机会!

 RISC-V 基金会中国委员会主席方之熙

首先,方之熙博士指出计算领域的现状是: 99% 的云计算基于 Inter x86 指令集架构,99% 的边缘计算使用 RISC 指令集架构,75% 的计算采用的是 ARM(高级 RISC 机器)。而微处理器目前则面临着几大主要问题,包括:第一,在数据中心、智能手机和物联网市场,功耗问题越来越严重;第二,几十年来微架构缺乏创新、性能改进不到位、没有新思路;第三,安全、隐私和可靠性在当今微处理器设计中越来越重要;第四,微处理器设计过于依赖软件生态系统和软件的兼容性;第五,目前缺乏用于新兴应用的微处理器技术,例如人工智能、大数据、云计算以及区块链等。

而 RISC-V 的出现则为微处理器领域带来了革命性的变化。作为开放源码硬件指令集体系架构(ISA),自 2010 年诞生于加州大学伯克利分校的 RISC-V ,以其简单、稳定,完全开源并且免费的特点,同时可以将基准指令和扩展指令分开从而能够通过扩展指令做定制化的模块和扩展,为芯片设计迎来了新时代。

最后,他以爱因斯坦的一句「Not everything that can be counted counts, and not everything that counts can be counted(并不是每一件能够算出来的东西,都是有意义的;也并不是每一件有意义的东西,都能够被计算出来)」表达了他对于微处理器未来发展的看法。同时,他也表示,「Future can't be predicted,but it can be created」,虽然我们很难确切地「预测」微处理器的未来,但是我们可以为该领域「创造」更好的未来。

第二位出场的是中国 RISC-V 产业联盟理事长戴伟民博士,他的演讲主题是《RISC-V: 中国集成电路产业的历史机遇》。他从 RISC-V 的发展历程出发,分享了中国在开源芯片领域未来的发展机遇。

中国如何在开源芯片领域找到突破口?RISC-V 会是一个绝佳机会!

中国 RISC-V 产业联盟理事长戴伟民

一开始,他指出,由于晶体管、功耗等没有太大改进空间,并且在 2003 年就已经从单一抵消处理器(芯片)转换到了多核高效处理器(芯片),目前只能在专用领域加速器上找到突破口,即开发出能够在某几个特定任务上实现高效执行,同时能够提高计算单位功耗性能的芯片。

而 RISC(精简指令集计算机)相对于复杂指令而言,不仅在指令读取方面简单 25%,在速度和功耗上也有其独特的优势,如今最具代表性的成果便是 RISC-V。对此,戴伟民博士向大家展示了 RISC-V(以及在中国)的发展历程:

  • 1979 年美国加州大学柏克利分校的 David Patterson 教授提出了 RISC 的概念;

  • 2010 年美国加州大学柏克利分校研究团队推出 RISC-V 指令集;

  • 2014 年,正式发布第一版用户手册;2015 年,RISC-V 基金会成立,吸引了全世界 150 多家企业和科研机构的加入;

  • 2016 年,RISC-V 成为印度的事实国家指令集,同时美国、欧洲和俄罗斯等国家也开始全国推行;

  • 2018 年,RISC-V 在中国逐步商业化;

  • 2018 年 9 月 20 日,中国 RISC-V 产业联盟正式成立。

他表示,中国实际上基本上所有类型的 CPU 都有了,但是敏锐度还是比较滞后,而要想在未来掌握 CPU 发展的主动权,需要实现四个层次——自主、可控、繁荣和创新,而 RISC-V 所具有的特性恰恰就能实现这四个层次,符合人工智能异构计算的发展需要,因而也为中国在该领域未来的发展提供了不可多得的历史机遇。

在这样的背景下,前有中国 RISC-V 产业联盟于 2018 年 10 月正式成立,聚焦了 100 多家会员单位;后有清华和伯克利携手在 6 月 12 日成立 RISC-V 国际开源实验室(RISC International Open Source,RIOS),将瞄准世界 CPU 产业战略发展新方向和粤港澳大湾区产业创新需求,聚焦于 RISC-V 开源指令集 CPU 研究领域开展研究,建设以深圳为根节点的 RISC-V 全球创新网络,并最终推动全球 RISC-V 技术的工业化进程和软硬件生态建设。

紧接着,由本次论坛的主持人包云岗研究员带来《The Four Steps to Open-Source Chip Ecosystem》的主题演讲。他基于自身转向 RISC-V 研究的经历和经验,分享了自己对于开源芯片领域的一些思考以及如何构建开源芯片生态的观点。

中国如何在开源芯片领域找到突破口?RISC-V 会是一个绝佳机会!

中科院计算所研究员包云岗

包云岗研究员首先分享了他之所以走向开源芯片这一研究领域的背景:2012 年开始,为了验证关于改进芯片体系结构的一个想法——标签化体系结构,所在团队一开始在 Sparc T1 上进行了尝试,但是没有成功验证该想法;半年后,经过探索终于在 MicroBlaze 上验证了想法,但是无法实现开源和流片;因而最终转向 RSIC-V ,并最终推出了「标签化 RISC-V」。而在这个过程中,包云岗研究员在包括 RISC-V 在内的开源芯片领域积累了很多经验,也有很多思考。

他指出,对于软件开发而言,开源一方面能够降低创新门槛,另一方面也能够增强研究者的自主可控能力。然而芯片开发则与软件开发完全不同,其面临着开发门槛非常高,只有少部分大公司才能负担得起,成为创新的巨大阻碍。另外值得注意的是,开源芯片领域现在也面临非常严重的「死锁」现象:企业不愿意进行投入来开源→只能购买高价芯片→通过长时间的验证来降低风险→反过来又增加了投入→更加不愿意投入。因此,降低芯片开发的门槛,意义重大。

而如何将成本降下来呢?包云岗研究员指出了三个机会:第一,贝尔定律依旧存在,IOT 这一新兴产业正在崛起,带来了新的需求:定制化、更小的尺寸、更低功耗和成本、新的编程模式,同时在制造工艺更加灵活;第二,摩尔定律的终结带来了机会,芯片工艺成本,尤其是成熟工艺正在指数级下降,而摩尔定律的终结也意味着成熟工艺的生命周期也会变长,成本也不断下降,带带来巨大价值;第三,黄金时代正在来临,当开源软件、硬件,新语言,新应用以及云融合在一起后,就会产生很多新的化学反应。

又如何朝着开源芯片生态发展呢?对此,他认为在这个过程中有四个步骤:第一步是 ISA、IP 和 Soc 实现开源;第二步是构建语言和 EDA 的工具链;第三步是降低验证和仿真的门槛;第四步是具备适配的软件和编译器。

「我们现在非常需要一个平台来将这些功能整合起来,我们的愿景是 90% 的功能都能通过这个平台实现,而只需要用户写 10% 的代码。」

来自北京大学信息科学技术学院高能效计算与应用中心的助理研究员罗国杰博士带来的演讲主题是《开源 EDA 与开源 IP:芯片未来生态的基础设施》,他主要从开源 EDA 和开源 IP 的关系、开源 EDA 工具的研究现状以及开源 EDA 工具生态的设想展开本次演讲。

中国如何在开源芯片领域找到突破口?RISC-V 会是一个绝佳机会!

北京大学信息科学技术学院高能效计算与应用中心助理研究员罗国杰 

演讲一开始,罗国杰博士就指出当前芯片设计困难重重,其中以设计成本为典型,并且目前设计成本也越来越难以跟随摩尔定律,EDA 软件许可证、较长的开发周期、开发人员的薪水、计算资源开销等也成为设计成本中的几大重要问题。而完整的开源芯片设计的 EDA 流程涉及到框架设计、逻辑设计、物理设计以及版图设计等四大层面,开源要想取得成功也必须是以兼顾性能、功耗和应用领域的高质量(PPA)的开源为前提的。

针对开源 EDA 与开源 IP 关系,他指出,开源芯片由四个主体部分共同组成:一是完整的芯片,其由开源 IP 组成;二是开源 IP,它不仅需要 core,还需要 ddr phy 以及 usb、wifi 等工具;三是开源 EDA,其不仅能够帮助 IP 进行设计和验证,还能帮助 IP 实现集成或芯片设计;四是开源编译器,RSIC-V 便是编译器和指令集之间的接口。

其中,罗国杰博士重点介绍了 EDA 工具的行业现状:目前仅国外 EDA 三大巨头公司 Cadence、Synopsys 及 Mentor Graphics 就占据了全球该行业每年总收入的 70%,而中国本土虽然也有自主 EDA 软件,例如华大 EDA 和 EasyEDA 等产品,做了多年技术积累,并拥有一大批成功用户案例,但与国外 EDA 三大巨头公司相比,在完整自动化设计流程上存在巨大的技术差异。

而作为全球最大的电子芯片消费市场,我国对于 EDA 的需求也是全球最高的,然而在我国目前的 EDA 现状下,我国学术界与工业界也只能广泛采用国外的 EDA 工具——每年用来购买 EDA 工具的使用权的花费高达数十亿美元。我国自主开源硬件开发 EDA 工具链成为急需发展和意义重大的事项。

不仅开源、可靠的 EDA 工具对我国市场有重要意义和研发动力,开源 EDA 工具的定制化也能够驱动我国新兴应用和新兴工艺的探索。与此同时,我国面临的挑战也十分明显,包括芯片合计需要连接算法和物理层面,设计众多复杂的专业知识;发展完整的 EDA 工具链需要众多社区的支持和维护;运行大规模设计的 EDA 工具需要大量高性能服务器。

最后,罗国杰博士对于如何进一步提升开源 EDA 工具生态提出了三步:一是时限后端整合,解决芯片制造商接口和工具解决开源 EDA 与相对闭源制造是数据的矛盾;二是从开源硬件的角度,支持开源 IP 的 EDA 方法,以及推动开源 IP 与 EDA 社区的融合;三是建立 IP+EDA+开发数据的完善的生态体系,并实现工具和流程的流片验证。

论坛最后,由中国科学院计算技术研究所在读博士生余子濠带来主题为《基于 Labeled RISC-V 的芯片敏捷开发》的演讲。他为大家介绍了降低门槛开发的解决方案——芯片敏捷开发,并从其之前参与的研究项目出发,分享了敏捷开发的优势以及一些经验。

中国如何在开源芯片领域找到突破口?RISC-V 会是一个绝佳机会!

中国科学院计算技术研究所在读博士生余子濠

目前,芯片开发需要投入相当的人力和时间才能开展 , 并且具有一定的风险 , 芯片开发的门槛一直居高不下。在这样的背景下,其中的一个解决方案便是芯片敏捷开发,这种方法能够有效降低开发成本,不过也需要三个前提条件:一个开放的指令集、一个开源的微架构实现以及一门面向敏捷开发法的设计语言。而加州大学伯克利分校先后设计出的开放指令集 RISC-V,并开放的其 SoC 实现 Rocket Chip 的项目源码 , 以及提出的一门面向敏捷开发的硬件构建语言 Chisel 正好就构成了实现芯片敏捷开发的「新三架马车」。

余子濠博士之后更是基于中国科学院计算技术研究所在「标签化 RISC-V」项目开发过程中的若干案例 , 为大家总结了敏捷开发的优势以及过程中选用工具和语言的经验:

  • 与传统开发相比,敏捷开发能在编码效率提升一个数量级的同时 , 能达到与传统硬件开发模式相当甚至更优的性能、功耗与面积;

  • 开放又活跃的指令集生态(如 RISC-V)及其开源的微结构设计是推动芯片研发创新的必要条件;

  • Chisel 的信号整体连接、元编程、面向对象编程以及函数式编程等特性可大幅缩减代码量、提升代码可维护性,但同时,Chisel 和后端配合还存在不少问题待改进。

雷锋网 AI 科技评论报道   雷锋网(公众号:雷锋网)

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