包云崗《開源新生態(tài) 開創(chuàng)“芯”未來》課件

開源新生態(tài)

開創(chuàng)“芯”未來一芯片簡介你見過的芯片模樣Motorola

68030處理器你沒見過的芯片模樣藏在故宮中的“芯片”處理器芯片：芯片產(chǎn)業(yè)“皇冠上的明珠”芯片有幾十種大門類，上千種小門類各類芯片處理器芯片處理器芯片中央處理器CPU深度學(xué)習(xí)處理器NPU圖形加速處理器GPU典型的處理器芯片典型的處理器芯片中央處理器CPU深度學(xué)習(xí)處理器NPU圖形加速處理器GPU2018年中國信息產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過16萬億元處理器芯片是信息產(chǎn)業(yè)的基石處理器芯片是國家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)處理器芯片的前世世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)ENIAC

（1946年）電子管（燈泡）=

開/關(guān)開/關(guān)

=1/0二進(jìn)制萊布尼茨1705年論文晶體管開關(guān)元器件1956年，巴丁、布拉頓和肖克利獲諾貝爾物理學(xué)獎

開關(guān)晶體管集成電路將電路集成在半導(dǎo)體底板

開關(guān)晶體管

集成電路2000年，基爾比獲諾貝爾物理學(xué)獎芯片將電路微縮集成到硅片

開關(guān)晶體管

集成電路

芯片集成電路上晶體管數(shù)，約每隔18—24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。摩爾定律2020年進(jìn)口5435億個集成電路，進(jìn)口額高達(dá)3500億美元。集成電路是中國第一大進(jìn)口產(chǎn)品在很多領(lǐng)域，國產(chǎn)芯片市場占有率仍不足5%。國產(chǎn)芯片任重道遠(yuǎn)二處理器芯片開發(fā)流程指令集架構(gòu)

（Instruction

Set

Architecture），簡稱指令集計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件與軟件之間交互的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)指令集可類比于螺母和螺釘?shù)某叽缫?guī)范我們需要一個指令集（ISA）指令集規(guī)范

指令集手冊指令集是規(guī)范，定義指令的格式、功能指令集手冊工程開發(fā)RTL代碼EDA工具芯片版圖設(shè)計(jì)文檔微架構(gòu)設(shè)計(jì)指令集手冊芯片設(shè)計(jì)：指令集手冊

芯片版圖芯片產(chǎn)品制造+封裝+測試芯片制造/封測：芯片版圖

芯片芯片版圖三新趨勢：開源芯片工程開發(fā)RTL代碼EDA工具芯片版圖設(shè)計(jì)文檔微架構(gòu)設(shè)計(jì)指令集手冊開源芯片包含三個層次設(shè)計(jì)流程/工具1 指令集

+2處理器微架構(gòu)設(shè)計(jì)/實(shí)現(xiàn)3

+“十四五”規(guī)劃開始對開源布局加快布局量子計(jì)算、量子通信、神經(jīng)芯片、DNA存儲等前沿技術(shù)，加強(qiáng)信息科學(xué)與生命科學(xué)、材料等基礎(chǔ)學(xué)科的交叉創(chuàng)新，支持?jǐn)?shù)字技術(shù)開源社區(qū)等創(chuàng)新聯(lián)合體發(fā)展，完善開源知識產(chǎn)權(quán)和法律體系，鼓勵企業(yè)開放軟件源代碼、硬件設(shè)計(jì)和應(yīng)用服務(wù)。——《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》開源成為處理器芯片發(fā)展的一個新趨勢開源軟件是過去十年來智能手機(jī)大發(fā)展的先決條件。而像RISC-V這樣的開源硬件也許會在未來十年內(nèi)讓其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)類似的擴(kuò)張。——《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》（一）智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）時代到來智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）的需求碎片化問題現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法：

通用架構(gòu)+指令擴(kuò)展復(fù)雜度高（>1000條指令）

、成本高（~$1B）周期長（(2-3年）、對設(shè)計(jì)人員要求高現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法無法應(yīng)對成千上萬種定制需求互聯(lián)網(wǎng)時代移動互聯(lián)網(wǎng)時代智能物聯(lián)網(wǎng)AIoT時代新興的智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）面臨需求碎片化挑戰(zhàn)（二）處理器芯片設(shè)計(jì)人才嚴(yán)重短缺國際計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)旗艦會議（ISCA）十年論文統(tǒng)計(jì)情況85%

vs

4%：2008—2017年，十年國際計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)旗艦會議（ISCA）論文一作，作者畢業(yè)后85%在美國就業(yè)，僅有4%在中國。處理器芯片設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)挑戰(zhàn)大，需理論與實(shí)踐并重。尚缺少類似臨床實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)1982年，全美上千所大學(xué)中只有不到100位教授和學(xué)生從事半導(dǎo)體相關(guān)研究。1970年代末至1980年代中期，美國也曾遭遇人才儲備不足問題。1981年，美國啟動MOSIS項(xiàng)目，為大學(xué)提供流片服務(wù)。破解之道降低芯片設(shè)計(jì)門檻讓學(xué)生也能流片1981年，美國啟動MOSIS項(xiàng)目，為大學(xué)提供流片服務(wù)。提出MPW模式，大幅降低芯片設(shè)計(jì)門檻。破解之道降低芯片設(shè)計(jì)門檻讓學(xué)生也能流片MOSIS項(xiàng)目（三）降低芯片設(shè)計(jì)門檻，推動產(chǎn)業(yè)變革1981年，DARPA啟動MOSIS項(xiàng)目，提出了MPW（MultipleProject

Wafer）模式，數(shù)量級降低芯片設(shè)計(jì)成本。無晶圓企業(yè)代工企業(yè)催生半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新商業(yè)模式四降低芯片設(shè)計(jì)門檻用戶定制代碼<

10%LAMP/MEAN

etc.>

90%

代碼開源軟件的成功經(jīng)驗(yàn)開放免費(fèi)的指令集是開源芯片生態(tài)的基礎(chǔ)幾十年來，處理器指令集均屬于公司私有——或無法獲取，或需授權(quán)費(fèi)。2010年，UC

Berkeley開始開發(fā)一套開放免費(fèi)的指令集RISC-V。RISC-V：指令集應(yīng)該免費(fèi)VS核心理念與5G通信技術(shù)發(fā)展模式相同——全世界共同制定標(biāo)準(zhǔn)，各國企業(yè)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)自主實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開源、開放、共建、共享的處理器芯片生態(tài)RISC-V

vs

X86/ARM：指令更精巧X86從1978年的80條指令，增長到2015年的3600條RISC-V基礎(chǔ)部分（RV32I）只有47條指令，并已凍結(jié)RISC-Vvs

X86/ARM：指令更精巧X86手冊：約5000頁 ARM手冊：約2700頁 RISC-V手冊：約200頁RISC-V

vs

X86/ARM：模塊化五RISC-V在國內(nèi)外發(fā)展態(tài)勢已有全球70多個國家2400個會員總部位于瑞士RISC-V國際基金會RISC-V國際基金會會員國別分布（2022.3）中美歐并駕齊驅(qū)中美企業(yè)參與度更高，歐洲學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)參與度更高20個理事會成員9個中國，9個美國，2個歐洲高級會員：11/19戰(zhàn)略會員：45/169學(xué)術(shù)組織：10/107俄羅斯企業(yè)RISC-V國際基金會的中國力量（2022.3）RISC-V國際基金會的中國力量（2022.3）4個發(fā)展伙伴3個來自中國RISC-V國際社區(qū)并未受到極限制裁影響RISC-V國際基金會CEO

Redmond女士的回復(fù)：我們并未看到美國制裁對RISC-V社區(qū)有任何影響。RISC-V在中國起步（2015—2018）2015年RISC-V基金會成立（中科院計(jì)算所為創(chuàng)始成員）在網(wǎng)信辦、中科院的指導(dǎo)下，中科院計(jì)算所牽頭，于2018年11月8日在世界互聯(lián)網(wǎng)大會上成立中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟聯(lián)盟已由華為、百度、騰訊、清華、北大等26個創(chuàng)始成員發(fā)展成為130個會員，匯聚國內(nèi)RISC-V的主要力量中國開放指令（RISC-V）生態(tài)聯(lián)盟平頭哥無劍平臺華米可穿戴設(shè)備AI芯片平頭哥玄鐵系列核RIOS開發(fā)板PicoRIO兆易創(chuàng)新MCU優(yōu)矽渭河系列核全志D1開發(fā)板計(jì)算所香山開源高性能核中國在建設(shè)RISC-V生態(tài)中積極貢獻(xiàn)（2018-至今）六中科院開源芯片實(shí)踐在解決“卡脖子”問題方面，科學(xué)院已經(jīng)有一些部署。2018年啟動了超算系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全、潛航器三個專項(xiàng)，2019年啟動了處理器芯片與基礎(chǔ)軟件、電磁測量、仿生合成橡膠、高端軸承、多語音多語種技術(shù)5個專項(xiàng)。推動RISC-V生態(tài)在中國發(fā)展構(gòu)建開源芯片生態(tài)大幅降低芯片設(shè)計(jì)的人力、EDA、IP、時間成本，釋放創(chuàng)新活力，賦能千行萬業(yè)芯片敏捷設(shè)計(jì)云平臺性能國際先進(jìn)的開源RISC-V處理器核本科生設(shè)計(jì)CPU芯片并完成流片首次完成基于開源EDA的流片開源供應(yīng)鏈與系統(tǒng)軟件階段性成果“香山”：開源高性能RISC-V處理器研制成功國際性能最高的開源高性能RISC-V處理器核“香山”建立一個像Linux那樣的開源RISC-V核主線，既能被工業(yè)界廣泛應(yīng)用，又能支持學(xué)術(shù)界試驗(yàn)創(chuàng)新想法階 段 性 成 果 一兩代“香山”架構(gòu)設(shè)計(jì)第一代：“雁棲湖”架構(gòu)2020年6月：代碼倉庫建立2021年7月：流片頻率：1.26GHz@28nm性能：SPEC

CPU2006

~7分/GHz兩代“香山”架構(gòu)設(shè)計(jì)第二代：“南湖”架構(gòu)2021年5月：開始RTL實(shí)現(xiàn)工作2021年12月：功能確定，時序優(yōu)化階段2022年5月：計(jì)劃流片預(yù)期頻率：2GHz@14nm預(yù)期性能：SPEC

CPU2006

20分對標(biāo)ARM最新數(shù)據(jù)中心處理器核Neoverse

N2為企業(yè)提供處理器核敏捷開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)目標(biāo)對標(biāo)ARM

Neoverse

N2處理器核（5nm）3GHz以上，15分/GHz，總分45分目前Intel60分；ARM50分；香山20分7nm/5nm/3nm等先進(jìn)工藝第三代“香山”（“昆明湖”）規(guī)劃“香山”在國際高性能RISC-V處理器核“軍備競賽”中占有一席之地開源協(xié)議：MulanPSLv2協(xié)議（兼容Apache

v2.0）代碼托管：GitHub、Gitee、GitLink、iHub“香山”代碼開源，過程開放開源開放敏捷

設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)施“香山”核心價值是構(gòu)建一套芯片敏捷設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)施，縮短迭代優(yōu)化周期開源開放能力體系，聯(lián)合企業(yè)加速處理器研發(fā)節(jié)奏，支持按需快速定制芯片“一生一芯”計(jì)劃階 段 性 成 果 二完成封裝的芯片在芯片上運(yùn)行Linux系統(tǒng)并展示中科院logo學(xué)生在本科畢業(yè)遠(yuǎn)程答辯中，代表“一生一芯”團(tuán)隊(duì)向評委展示芯片運(yùn)行的過程果殼芯片展示“龍芯”國科大“一生一芯”從“超硬核錄取通知書”

到“超硬核畢業(yè)證書”超硬核錄取通知書 超硬核畢業(yè)證書“一生一芯”計(jì)劃執(zhí)行情況第一期：5位學(xué)生成本：5萬/人第二期：11位學(xué)生成本：2萬/人第三期：100位學(xué)生成本：<1萬/人760人報名，覆蓋168所高校報名總數(shù)：1105人在校生是“一生一芯”的主力，共

961

人，占比88％覆蓋

216

所高校（含國外32所）第四期“一生一芯”報名情況在中科院與北京市的指導(dǎo)下，

北京開源芯片研究院于2

0

2

1

年1

2

月6

日成立阿里平頭哥、騰訊、百度等1

6

家發(fā)起單位聯(lián)合發(fā)起構(gòu)建開源芯片技術(shù)體系，

加速開源芯片生態(tài)發(fā)展北京開源芯片研究院，

加速開源芯片生態(tài)建設(shè)七未來展望開源PC設(shè)計(jì)，催生新產(chǎn)業(yè)1981

年8

月12

日，

IBM推出PC，

公開了設(shè)計(jì)文檔，

包括源代碼、電路圖，

成就繁榮的PC市場開源芯片，賦能物聯(lián)網(wǎng)（IoT）新產(chǎn)業(yè)I

n

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、N

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i

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i

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、A

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用不同方式成功構(gòu)建各自生態(tài)，

推動新產(chǎn)業(yè)發(fā)展開源芯片，

有機(jī)會