中科院計算所包云崗：開源芯片存在“死結(jié)”，但這是打破死結(jié)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(jī)器人峰會（CCF-GAIR 2019）于深圳正式召開。峰會由中國計算機(jī)學(xué)會（CCF）主辦，雷鋒網(wǎng)、香港中文大學(xué)（深圳）承辦，深圳市人工智能與機(jī)器人研究院協(xié)辦，得到了深圳市政府的大力指導(dǎo)，是國內(nèi)人工智能和機(jī)器人學(xué)術(shù)界、工業(yè)界及投資界三大領(lǐng)域的頂級交流博覽盛會，旨在打造國內(nèi)人工智能領(lǐng)域極具實力的跨界交流合作平臺。

2019年7月13日，來自學(xué)術(shù)界、工業(yè)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(shù)以及AI芯片的落地。值得關(guān)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(jìn)計算機(jī)系統(tǒng)研究中心主任，中國開放指令生態(tài)聯(lián)盟秘書長包云崗在《面向未來領(lǐng)域?qū)Ｓ眉軜?gòu)的敏捷開發(fā)方法與開源芯片生態(tài)》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(gòu)的人來寫，性能可能差63000倍。

中科院計算所研究員、先進(jìn)計算機(jī)系統(tǒng)研究中心主任，中國開放指令生態(tài)聯(lián)盟秘書長包云崗

他給出了兩種彌補(bǔ)軟硬件之間性能差異的方法，其中采用領(lǐng)域?qū)Ｓ皿w系結(jié)構(gòu)（DSA）的方法面臨碎片化問題，需要找到經(jīng)濟(jì)快速的方法來應(yīng)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(jié)”，不過包云崗認(rèn)為這是一個打破開源芯片死結(jié)的時代，也是一個打造開源芯片生態(tài)的時代。

以下為包云崗研究員的主題演講內(nèi)容，雷鋒網(wǎng)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(fā)以及開源芯片的現(xiàn)狀。

過去幾年摩爾定律從每18個月翻一番，到現(xiàn)在已經(jīng)快變?yōu)槭晟踔炼晷阅懿拍芊环＿@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(lǐng)域?qū)Ｓ皿w系結(jié)構(gòu)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(gòu)的人來寫，可以差63000倍。如果按照摩爾定律折算，相當(dāng)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(bǔ)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(lǐng)域?qū)Ｓ玫捏w系結(jié)構(gòu)。

但這種又會帶來一個新的問題，領(lǐng)域?qū)Ｓ皿w系結(jié)構(gòu)的興起會帶來碎片化問題。因此需要找到經(jīng)濟(jì)、快速的方式來應(yīng)對。

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

降低芯片設(shè)計門檻的重要意義

如果要做到這一點(diǎn)，芯片設(shè)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(shè)計門檻意義重大，不光是對產(chǎn)業(yè)界和對學(xué)術(shù)界，對我們的人才培養(yǎng)也一樣。

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

最終體現(xiàn)出的價值，一方面培養(yǎng)了大量學(xué)生，第二是催生半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的商業(yè)模式，也就是今天的無晶圓企業(yè)和代工企業(yè)。MOSIS也成功催生出英偉達(dá)、高通等公司。

很多人可能經(jīng)歷過開源軟件，它帶來兩大價值，一方面把互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新的門檻降低，可以很容易構(gòu)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(xiàn)想要做的業(yè)務(wù)。開源軟件還有一個價值，就是互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的自主能力也在增強(qiáng)，互聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)公司創(chuàng)新門檻、增強(qiáng)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的自主能力，這是開源軟件的兩大價值。

回頭看芯片設(shè)計，今天芯片設(shè)計的門檻真的非常高，14納米工藝并不是最先進(jìn)的工藝，一款芯片整個投入下來成本也要到上億的規(guī)模，只有很少的企業(yè)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(rèn)為這個企業(yè)在忽悠。但互聯(lián)網(wǎng)公司投幾百萬，就認(rèn)為可以把公司做起來。所以，門檻高了對整個產(chǎn)業(yè)并不利，同時制約了創(chuàng)新。

開源芯片的“死結(jié)”

芯片是不是可以像開源軟件一樣，幫助我們應(yīng)對這個問題，把硬件設(shè)計的門檻降下來。然而，現(xiàn)實是現(xiàn)在存在一個死結(jié)，做一個芯片和IP需要花那么多精力，做完以后很多企業(yè)不愿意開源，導(dǎo)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(fēng)險，這又增加了人力的投入，所以開源芯片存在一個“死結(jié)”。

怎么打破它？最近幾年很多力量都在試圖把開發(fā)投入這一環(huán)給解開，從而打破開源芯片的死結(jié)。我們來看一下整個業(yè)界和學(xué)術(shù)界都做了哪些工作。

首先，這里面存在很多機(jī)遇，一個是IoT新的應(yīng)用場景出現(xiàn)。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(tài)的計算機(jī)出現(xiàn)，從以前的大型機(jī)到工作站、到臺式PC機(jī)、到筆記本、手機(jī)，十到十五年就會產(chǎn)生一個新的顛覆。

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

我們說摩爾定律即將終結(jié)，從另外一個角度看，也會帶給我們一些機(jī)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(yè)界帶來創(chuàng)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(xué)術(shù)界做的芯片和發(fā)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(jīng)費(fèi)可以支持65納米芯片的流片，所以在2018年的時候，來自學(xué)術(shù)界的論文（包括和工業(yè)界合作）比例已經(jīng)到了50%以上，這帶來了創(chuàng)新的機(jī)會。

綜合來說，今天確實進(jìn)入了一個黃金時代，當(dāng)我們把指令級開源工具、新語言、新應(yīng)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(nèi)尤其是學(xué)術(shù)界早已經(jīng)感受到或者洞察到這樣一個時代的變化。2016年，體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的頂級會議ISCA上有個遠(yuǎn)景研討會，討論2030年會發(fā)生什么樣的體系結(jié)構(gòu)的變化，認(rèn)為“開源”是未來大主題（Big Theme）。

在今年的ISCA上又舉辦了一個遠(yuǎn)景研討會，直接把“開源”和“敏捷開發(fā)”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(jī)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(yè)界、政府機(jī)構(gòu)對開源和敏捷開發(fā)已形成共識，認(rèn)為這是未來的發(fā)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(tài)四要素

我們提到開源芯片，第一反應(yīng)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(fā)的設(shè)計流程、高層次的綜合、加速器敏捷設(shè)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(yuǎn)景研討會上的報告里面把開源生態(tài)做了一個總結(jié)，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(dāng)然，芯片做出來以后怎么把它用好？還需要有操作系統(tǒng)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(jìn)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(shè)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(dāng)中摘出的一頁，從這一頁當(dāng)中可以看到，規(guī)范或者標(biāo)準(zhǔn)是一個維度，具體的設(shè)計、源碼又是另外一個維度。實際上，我們的規(guī)范有閉源的，比如英特爾的指令級歸英特爾所有，有可授權(quán)的ARM指令集，也有開源的規(guī)范，像RISC-V，賦予了開源的設(shè)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(xiàn)在有200家成員，目前中國僅有25家。中國有很多人關(guān)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(qū)，把中國的需求在國際上有所體現(xiàn)，還需要有更多人來加入。我們?nèi)ツ曜鲞^統(tǒng)計，國內(nèi)公開的跟RISC-V相關(guān)的企業(yè)已經(jīng)有100多家。可以看到這方面確實發(fā)展的很快。

芯片敏捷開發(fā)

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

我們團(tuán)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(fā)這方面，Chisel是面向更高抽象的硬件開發(fā)語言，對整個芯片開發(fā)有更好的抽象。如果我們用Chisel來設(shè)計芯片，就有點(diǎn)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(wù)，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(wǎng)。新的語言可以提升14倍的開發(fā)效率，并且代碼更少。

當(dāng)然這個工程師不服氣，他說他的代碼寫得更好、質(zhì)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(xué)過Chisel。他一邊讀Verilog的代碼一邊學(xué)Chisel，把Verilog代碼翻譯成Chisel，然后放在FPGA上驗證。可以看到除了中間除了邏輯的資源多一點(diǎn)，其他的都明顯是Chisel的版本比Verilog更好。

當(dāng)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(rèn)可了它的能力。其實這個工程師并不弱，拿到了耶魯大學(xué)的Offer。

另一個實驗，我們讓一個沒有硬件開發(fā)經(jīng)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(xiàn)在只是起步，相信未來通過不斷使用和迭代優(yōu)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(jìn)來，讓整個仿真變得更低廉、更容易做，因為現(xiàn)在仿真設(shè)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(shè)備，直接租就可以。實際上也有企業(yè)在朝這個方向發(fā)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(shè)計芯片。原來給每個人發(fā)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(jìn)行仿真和模擬，學(xué)生只要一個賬號登錄進(jìn)去，就可以在上面開發(fā)，做芯片指令的擴(kuò)展，滿意度達(dá)到88%。很有意思，35%的學(xué)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(fā)平臺對吸引人才也是有很大幫助的。

關(guān)于軟件工具鏈，我認(rèn)為有三個層次，分別是：第一層是面向芯片，針對新擴(kuò)展的指令或者新加的傳感器來進(jìn)行擴(kuò)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(tǒng)一的API，這就像安卓起到的作用，當(dāng)然這還有很多空間需要挖掘。

開源芯片生態(tài)建設(shè)

為了達(dá)到這些目標(biāo)，我們?nèi)ツ瓿闪⒘酥袊_放指令生態(tài)聯(lián)盟，希望以RISC-V為抓手推動開源芯片生態(tài)。我們也有一些規(guī)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(shè)計開源的芯片，最后讓每個本科生都可以帶著自己設(shè)計的芯片畢業(yè)。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(jī)體系結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實驗室在支持，會一起推動開源芯片生態(tài)的建設(shè)。

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

最后的結(jié)論是，現(xiàn)在到了一個新的時代，到了一個可以打破開源芯片死結(jié)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(wǎng)

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