芯片突圍記

01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。

02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?；谶@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。

03RISC-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。

04RISC-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?；钴S，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?？傮w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。

05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?；钴S。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?；钴S，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。

06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。

07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?？紤]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。

審核編輯 ：李倩