开源芯片+敏捷设计，降低芯片设计创新门槛 | CNCC专家谈

最近15年，云计算、移动互联网、大数据、人工智能、区块链等新兴产业的核心技术无一例外都是基于开源模式构建。中国移动互联网产业的发展壮大、领先世界也得益于开源模式。开源模式不仅仅是一种商业模式，也是一种生态构建方法，更蕴含着一种精神。

开源是一种共享共治的精神。过去20年，中国发展处理器生态有两条路线：(1)海光/兆芯、海思/飞腾基于成熟的x86、ARM生态发展自主可控技术；(2)龙芯、申威基于自主可控的指令集和核心模块，拓展自己的生态圈。开源是一种新的路线，是共享经济模式在信息技术领域的体现，是构建信息技术生态的共治道路，其核心理念与5G通信技术发展模式相同，即全世界共同制定标准规范，各国企业根据标准规范自主实现产品，投入多、贡献大则主导权大。

开源是一种打破垄断、开放创新的精神。形成垄断是企业的天性，而后阻碍创新又被历史一次次证明。开源以最大程度的开放孕育最多彩的创新，释放人们的创造力。以处理器设计为例，开源模式孕育一系列创新技术，让敏捷设计方法成为可能：如何分解处理器模块实现众包模式协同开发，如何保障开源下处理器的安全性与可靠性，如何构建基于开源IP与开源EDA工具链的全新设计流程。基于开源模式，也许有一天可以实现全球几万人共同开发一个处理器。

开源是一种鼓励奉献的精神。科研人员将其科研成果开源，让更多人更容易地站到巨人的肩膀上发挥他们的创造力，推动全人类的技术进步。如果说“两弹一星”精神是科研人员对国家的奉献精神，那么开源精神则是科研人员对产业的奉献精神，是国家领导人提出的“人类命运共同体”理念在信息技术领域的最好体现。

开源也存在竞争，不投入就会在开源生态构建过程中丧失话语权和主导权，沦为“拿来主义”分子。开源不仅仅是公开源代码，更重要的是协作开发流程的建立与社区治理机制的建设。如今开源正从软件向硬件扩展，以开放指令集RISC-V为代表的开源芯片正受到全世界越来越多的关注，也成为中国在处理器生态领域突围的一条可行道路。

Linux是开源软件生态的基石，基于Linux人们可以开发Python、LLVM、GCC等完整的工具链，创造MySQL、Apache、Hadoop等大量开源软件。开源软件生态极大降低了互联网产业创新的门槛，创造了繁荣的互联网产业。如果形成基于开源指令集的开源芯片生态，同样能将芯片设计门槛降低几个数量级——3-5人的小团队在3-4个月内，只需几万元便能研制出一款有市场竞争力的芯片，必将吸引大量人员投入芯片产业，重塑繁荣。     

加州大学伯克利分校开发的RISC-V开放指令集朝着构建开源芯片生态的目标迈出了重要一步。这一开放指令集由RISC-V基金会负责维护和推广，任何人和企业都可以免费试用，同时也容许添加自有指令集拓展而不必开放共享以实现差异化发展。RISC-V已经成为近年来半导体及软件领域一股强劲的潮流，在短短十几年间RISC-V芯片出货已有上百亿颗，从专用控制器、MCU领域快速渗透如车载芯片、移动终端、数据中心等业务领域。

基于RISC-V开放指令集的开源芯片有望像Linux那样成为开源芯片生态的基石。而要真正实现开源芯片生态，还需要开源EDA工具链与工艺库资源。畅想一下如果全世界拥有了价值上百亿美元的芯片设计所需的开源EDA工具链、IP模块、工艺库等，那么芯片领域的创新将像今天的互联网那样层出不穷，这也为解决中国半导体产业的卡脖子问题提供了一条新思路（见图1）。

图1：开放指令集与开源芯片发展报告

传统芯片开发的门槛非常高。一次芯片设计流程需20~50人，花费1~2年的时间，同时需要投入几千万元的资金。如果流片失败，投入的时间和成本将会付诸东流，需要承当相当大的风险。如果可以降低芯片设计成本同时能加快芯片设计效率，就可以极大降低芯片开发的成本和风险，而开源芯片的敏捷开发就是这样一种模式。

开源芯片可以将芯片的设计成本降低到几十万甚至几万，敏捷开发可以将芯片开发周期从数年缩减为几个月，形成一种软硬件协同的敏捷开发模式，这将颠覆现在的IT产品开发模式。如今，互联网应用开发团队一般有负责手机APP的前端工程师，与负责服务器端的后端工程师配合起来一起开发。而在未来的软硬件协同敏捷开发模式下，开发团队将包括软件端工程师与硬件端工程师——软件端通过几个月开发出新的软件功能，硬件端则用几个月很快实现出相应的加速芯片（见图2）。此外，Chisel这门更高抽象的硬件描述语言，包含元编程、面向对象、函数式编程等诸多高级特性，可以极大提升开发效率，增强代码的可读性和易维护性。

图2：软硬件协同的敏捷开发模式

随着摩尔定律的终结，充分挖掘芯片上晶体管潜力的领域专用体系结构 (DSA)芯片种类会急剧增加，其带来的碎片化问题需要低成本芯片设计；培养高水平芯片设计人才以及激发初创芯片企业创新活力同样需要降低芯片设计门槛。因此降低芯片设计门槛已成为芯片领域发展的必然需求，而构建开源芯片生态是降低芯片设计门槛的有效途径，并且可以将整个芯片及硬件开发周期从几年降低至几个月。

图3：开源芯片生态要素

构建开源芯片生态的目标需要在这四个方面积极投入并取得突破: (1)开放指令集、开源IP与SoC设计；(2)开源EDA工具链；(3)低成本的芯片开发验证平台；(4)快速适配芯片的系统软件（见图3）。国内的很多科研团队也以构建开源芯片生态为目标开展了一系列在开源芯片和敏捷设计上的实践：

中科院计算所近几年开展了“一生一芯”计划、开源高性能RISC-V处理器“香山”项目、芯片敏捷设计云平台SERVE、开源EDA工具链、SNN扩展指令集等工作，积累了一些开源芯片与敏捷设计实践经验。复旦大学韩军教授带领的团队基于OpenXuantie RISC-V处理器进行了DSA敏捷开发方法与实践，在为DSA提供便捷的编程模型并与通用软件框架实现高效融合进行了探索。腾讯公司高剑林研发团队探索了芯片设计交付过程中的敏捷设计，包括：芯片架构和建模的敏捷探索、验证过程中敏捷验证（混合验证）的探索、芯片交付后敏捷适配业务和落地。北京大学梁云长聘副教授带领的团队提出了通用的基于多层中间表示的敏捷硬件综合框架Hector，可以显著降低硬件开发成本，缩短设计周期。中科院微电子所曾传滨研究员对当前开源软件与CPU发展历程进行分析，探讨了开源芯片面向未来发展的机遇、挑战以及对策。

在此也积极呼吁国内有更多人能参与一起构建开源芯片生态，如果中国能主导开源芯片生态的构建，将有助于提升中国在半导体芯片领域的人才储备、供应链安全、技术自主能力与国际竞争力，破解中国半导体产业面临的“卡脖子”问题。

本年度CNCC大会将举办“开源芯片与敏捷设计”技术论坛。来自中国科学院计算技术研究所副所长包云岗、复旦大学教授韩军、腾讯蓬莱实验室总监高剑林、北京大学研究员/北大-商汤智能计算联合实验室主任梁云、中国科学院微电子研究所曾传滨，将针对开源芯片与敏捷设计问题深入交流及就热点话题进行一一解答，相关探索与实践工作，均将在本次论坛中为大家展示。

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