中科院計算所包云崗：開源芯片存在“死結”，但這是打破死結的時代 | CCF-GAIR 2019

編者按：7月12日-7月14日，2019第四屆全球人工智能與機器人峰會（CCF-GAIR 2019）于深圳正式召開。峰會由中國計算機學會（CCF）主辦，雷鋒網、香港中文大學（深圳）承辦，深圳市人工智能與機器人研究院協辦，得到了深圳市政府的大力指導，是國內人工智能和機器人學術界、工業界及投資界三大領域的頂級交流博覽盛會，旨在打造國內人工智能領域極具實力的跨界交流合作平臺。

2019年7月13日，來自學術界、工業界、投資界的重磅嘉賓齊聚CCF-GAIR 2019 AI芯片專場共同探討芯片的前沿技術以及AI芯片的落地。值得關注的是，演講嘉賓們在分享中頻頻提及軟硬融合。

中科院計算所研究員、先進計算機系統研究中心主任，中國開放指令生態聯盟秘書長包云崗在《面向未來領域專用架構的敏捷開發方法與開源芯片生態》的主題演講中指出，今天軟件、硬件之間有巨大的性能差異，同樣一個算法或者一個程序，一個普通的程序員來寫和一個懂體系架構的人來寫，性能可能差63000倍。

中科院計算所研究員、先進計算機系統研究中心主任，中國開放指令生態聯盟秘書長包云崗

他給出了兩種彌補軟硬件之間性能差異的方法，其中采用領域專用體系結構（DSA）的方法面臨碎片化問題，需要找到經濟快速的方法來應對。開源芯片將會起到非常重要的作用。

但開源芯片存在一個“死結”，不過包云崗認為這是一個打破開源芯片死結的時代，也是一個打造開源芯片生態的時代。

以下為包云崗研究員的主題演講內容，雷鋒網作了不改變原意的編輯與整理：

非常感謝邀請我來參加這次CCF-GAIR。我主要想跟大家介紹一下近年來芯片敏捷開發以及開源芯片的現狀。

過去幾年摩爾定律從每18個月翻一番，到現在已經快變為十年甚至二十年性能才能翻一番。這似乎意味著摩爾定律就快停滯了。但從另外一個角度看，我們看到了領域專用體系結構的興起。

這是為什么？今天的軟件、硬件之間有巨大的性能差異，同樣一個算法或者程序，比如矩陣乘法，一個普通的程序員來寫和一個懂體系架構的人來寫，可以差63000倍。如果按照摩爾定律折算，相當于把摩爾定律再延長二十多年。這實際上意味著摩爾定律賦予的能力還沒有充分挖掘出來。

如何彌補性能和軟硬件之間的差異？有兩種思路：一種是可以雇更好的程序員寫出更好的軟件，但是這樣的人終究很少；另一種是在硬件上加速，一些工作讓硬件來做，所以提出了硬件加速器，也就是領域專用的體系結構。

但這種又會帶來一個新的問題，領域專用體系結構的興起會帶來碎片化問題。因此需要找到經濟、快速的方式來應對。

如果可以做到把芯片開發像軟件開發一樣，未來可以把芯片開發迭代的周期從按年變成按月，軟硬件就可以協同起來實現敏捷開發，那就可以實現快速開發芯片的需求了。我相信，未來有可能做到的。

降低芯片設計門檻的重要意義

如果要做到這一點，芯片設計的門檻要降到足夠低，就像剛才地平線黃總講的，我們需要讓更多人可以來做芯片。降低芯片設計門檻意義重大，不光是對產業界和對學術界，對我們的人才培養也一樣。

如今的中美貿易戰，歸根到底還是人才的比拼，因為我們芯片設計方面的人才和美國差距非常大。這個人才危機不只中國經歷過，1980年代初美國也經歷過，當時整個美國2000多所大學里面只有不到100個教授和學生在研究半導體。美國政府在1981年啟動了MOSIS的項目，提出了芯片領域都知道的MPW（Multiple Project Wafer）模式，把整個芯片設計成本降下來，使得大學里面的研究小組也可以做芯片，可以流片。

最終體現出的價值，一方面培養了大量學生，第二是催生半導體產業新的商業模式，也就是今天的無晶圓企業和代工企業。MOSIS也成功催生出英偉達、高通等公司。

很多人可能經歷過開源軟件，它帶來兩大價值，一方面把互聯網創新的門檻降低，可以很容易構建一個APP，90%可以使用開源代碼，用戶只需要寫10%，甚至更少的代碼就可以完成自己的功能，實現想要做的業務。開源軟件還有一個價值，就是互聯網企業的自主能力也在增強，互聯網公司有能力去IOE，在軟件層次上不像芯片那樣被卡脖子那么厲害。

降低互聯網公司創新門檻、增強互聯網企業的自主能力，這是開源軟件的兩大價值。

回頭看芯片設計，今天芯片設計的門檻真的非常高，14納米工藝并不是最先進的工藝，一款芯片整個投入下來成本也要到上億的規模，只有很少的企業可以做。如果投資人聽到投一個（中端）芯片公司只需小幾千萬，基本上會認為這個企業在忽悠。但互聯網公司投幾百萬，就認為可以把公司做起來。所以，門檻高了對整個產業并不利，同時制約了創新。

開源芯片的“死結”

芯片是不是可以像開源軟件一樣，幫助我們應對這個問題，把硬件設計的門檻降下來。然而，現實是現在存在一個死結，做一個芯片和IP需要花那么多精力，做完以后很多企業不愿意開源，導致市場上沒有開源可以用，大家只能去買，而且IP都還很貴，買來以后則會花很多力氣和時間去驗證它以降低風險，這又增加了人力的投入，所以開源芯片存在一個“死結”。

怎么打破它？最近幾年很多力量都在試圖把開發投入這一環給解開，從而打破開源芯片的死結。我們來看一下整個業界和學術界都做了哪些工作。

首先，這里面存在很多機遇，一個是IoT新的應用場景出現。我們知道有一個貝爾定律(Bell’s Law)，每十到十五年就會有一種新形態的計算機出現，從以前的大型機到工作站、到臺式PC機、到筆記本、手機，十到十五年就會產生一個新的顛覆。

到今天，IoT就是這樣一種新的應用需求，它對芯片的設計會提出很多新的需求，它要求可定制化、尺寸小、開發周期短，很重要的一點是對工藝的要求不再那么高。

我們說摩爾定律即將終結，從另外一個角度看，也會帶給我們一些機會。為什么？這意味著成熟工藝可以用的時間更長，而且成熟工藝的成本也在不斷下降。十年前我要用40納米需要千萬的量級，今天要用40納米，可能幾十萬就可以做到。

這種成熟工藝成本的下降，可以給整個業界帶來創新。這是集成電路里面頂級的會議ISSCC，從1988年到1998年、從2008年到2018年，學術界做的芯片和發表的論文越來越多，這是因為65納米的工藝成本不斷下降。比如2018年很多小組都有經費可以支持65納米芯片的流片，所以在2018年的時候，來自學術界的論文（包括和工業界合作）比例已經到了50%以上，這帶來了創新的機會。

綜合來說，今天確實進入了一個黃金時代，當我們把指令級開源工具、新語言、新應用綜合起來看，確實是黃金時代到來了。值得一提的是，全世界范圍內尤其是學術界早已經感受到或者洞察到這樣一個時代的變化。2016年，體系結構領域的頂級會議ISCA上有個遠景研討會，討論2030年會發生什么樣的體系結構的變化，認為“開源”是未來大主題（Big Theme）。

在今年的ISCA上又舉辦了一個遠景研討會，直接把“開源”和“敏捷開發”作為主題來討論，一共有11個報告，美國有10個，中國有1個，我很榮幸有機會作為一個中國代表來介紹開源芯片。

我們可以看到，第一個報告是2017年的圖靈獎得主，后面還有多位工程院院士。美國企業界、政府機構對開源和敏捷開發已形成共識，認為這是未來的發展方向。我做了很多會議記錄，近期會整理出來。

開源芯片生態四要素

我們提到開源芯片，第一反應是RISC-V，這其實是片面的。我們還需要有開源EDA工具鏈、敏捷開發的設計流程、高層次的綜合、加速器敏捷設計方法，以及高效驗證硬件代碼自動生成、端到端的形式化驗證等等，可以看到開源芯片有一系列的問題包含在里面。

我在遠景研討會上的報告里面把開源生態做了一個總結，分為四個要素，首先要有開源的指令集，包括開源的IP和SoC的模板，除此之外還有開源EDA工具鏈。光有這些還不夠，需要有性價比高、快速低廉的驗證和仿真方法。當然，芯片做出來以后怎么把它用好？還需要有操作系統和編譯器的支持。真正滿足這些以后，我們才有可能讓芯片里面90%的代碼能夠重用，從而可以讓客戶很方便地完成10%的定制，可以做出適合你的加速器或者AIoT的芯片出來。

我們分別來看一下每部分的進展。對于開源的IP，我們知道RISC-V可以降低IP的成本。開源芯片的概念需要大家理解，我們很多時候說到RISC-V就跟開源芯片混在一起。其實RISC-V只是一個指令集，基于這個指令集可以做具體設計，這兩者不一樣，就像是C語言的語法和真正的代碼，這是兩個完全不同的層次。

這是我從報告當中摘出的一頁，從這一頁當中可以看到，規范或者標準是一個維度，具體的設計、源碼又是另外一個維度。實際上，我們的規范有閉源的，比如英特爾的指令級歸英特爾所有，有可授權的ARM指令集，也有開源的規范，像RISC-V，賦予了開源的設計。所以這是兩個不同的維度，RISC-V給我們打開了新的空間。

2015年RISC-V的基金會成立，現在有200家成員，目前中國僅有25家。中國有很多人關注，但實際上在國際上我們的力量還不夠，我們怎么影響整個社區，把中國的需求在國際上有所體現，還需要有更多人來加入。我們去年做過統計，國內公開的跟RISC-V相關的企業已經有100多家。可以看到這方面確實發展的很快。

芯片敏捷開發

RISC-V僅僅只是一個方面，我們還需要開源硬件開發的語言以及開源EDA工具鏈，這對開源芯片也非常關鍵?，F在有很多更高級的語言可以提高芯片開發的效率，比如Chisel、PyMTL。同時已經有一些開源工具鏈可以讓大家用，從設計到網表，從網表到GDS的版圖，都可以找到開源工具。

我們團隊對一些開源的工具鏈和語言做了對比實驗，比如敏捷開發這方面，Chisel是面向更高抽象的硬件開發語言，對整個芯片開發有更好的抽象。如果我們用Chisel來設計芯片，就有點像JAVA語言來寫，有更好的效率。

 

我們找了工程師和本科生來完成同樣的任務，工程師用6周時間，寫了5000多行代碼，真正有效的大概是1700多行，6周以后，他的Linux還是不能啟動起來。本科生用3天時間寫了350行代碼可以啟動多核Linux，支持DMA模式的以太網。新的語言可以提升14倍的開發效率，并且代碼更少。

當然這個工程師不服氣，他說他的代碼寫得更好、質量更高，所以我們找了另外一個更低年級的本科生，他在上大三，沒有學過Chisel。他一邊讀Verilog的代碼一邊學Chisel，把Verilog代碼翻譯成Chisel，然后放在FPGA上驗證?？梢钥吹匠酥虚g除了邏輯的資源多一點，其他的都明顯是Chisel的版本比Verilog更好。

當把Chisel的高級屬性用起來，幾乎都比Verilog的性能好，這時候工程師認可了它的能力。其實這個工程師并不弱，拿到了耶魯大學的Offer。

另一個實驗，我們讓一個沒有硬件開發經驗的員工用開源EDA工具鏈嘗試從Verilog生成GDS版圖，確實可以做到，雖然工藝比較低，用了中興國際180納米，但整個流程所用的工具全是開源的。現在只是起步，相信未來通過不斷使用和迭代優化，開源的工具鏈也有可能成為一個選擇。仿真和模擬方面我們也需要有更多力量投入進來，讓整個仿真變得更低廉、更容易做，因為現在仿真設備真的很貴，動不動就要幾百萬甚至上千萬。

也有一些新的模式可以用，比如像云計算那樣，不用買設備，直接租就可以。實際上也有企業在朝這個方向發展。我們在中科院也做了這樣的嘗試，從2014年開始招本科生，我們的課程實驗會讓他們設計芯片。原來給每個人發FPGA板做芯片的指令和模塊，但是滿意度很差，不到27%。

后來集中到云平臺進行仿真和模擬，學生只要一個賬號登錄進去，就可以在上面開發，做芯片指令的擴展，滿意度達到88%。很有意思，35%的學生由原來不喜歡做芯片的方向變成開始喜歡了。所以，好的開發平臺對吸引人才也是有很大幫助的。

關于軟件工具鏈，我認為有三個層次，分別是：第一層是面向芯片，針對新擴展的指令或者新加的傳感器來進行擴展，這需要Linux、LLVM這些軟件起作用。第二層是功能軟件層，就像Apache、MySQL等。第三層是面向用戶和程序員，需要提供更好統一的API，這就像安卓起到的作用，當然這還有很多空間需要挖掘。

開源芯片生態建設

為了達到這些目標，我們去年成立了中國開放指令生態聯盟，希望以RISC-V為抓手推動開源芯片生態。我們也有一些規劃，包括剛開始我們可以通過開源SoC，接著可以用開源的工具鏈設計開源的芯片，最后讓每個本科生都可以帶著自己設計的芯片畢業。也許十年左右的時間可以起到一定的效果。

總得來看，今天的開源芯片還是處于二十多年前開源軟件的階段，中間還有很長一段路要走。我們計算所與深圳鵬城實驗室成立了開源芯片院士工作室，有計算機體系結構國家重點實驗室在支持，會一起推動開源芯片生態的建設。

我們推出了兩個報告，分別是《開放指令集與開源芯片發展報告》《開源項目風險分析與對策建議》，報告中有近期大家都很關心的中美貿易大戰下面開源項目有沒有風險、開源的平臺License等等。

最后的結論是，現在到了一個新的時代，到了一個可以打破開源芯片死結的時代，同時這也是一個打造開源芯片的新時代，但是需要更多人來一起努力。

我的報告就到這里。謝謝大家！雷鋒網

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