中国芯片的困境破解之道在何处？_芯片_开源

撰文 | 包云岗（中国科学院打算技能研究所研究员）

编辑 | 邸利会

2018年，中国企业遭遇芯片禁售令而陷入困境，中国半导体家当的现状再次引起各界广泛关注。
如何尽快找出一条破解之道，是大家都很关心的问题。

来自互联网家当的启示

2018年4月10日，美国国会听证会上，脸书创始人马克·扎克伯格与阿拉斯加共和党参议员苏利文有这样一段对话：

显然，在扎克伯格看来，中国的互联网公司在国际上是具有竞争力的。
中国霸占天下十大互联网公司的四席，部分业务，如移动支付也处于天下领先地位。
2016年中国的移动支付金额达到了5.5万亿美元，是美国的50倍。

中国互联网公司的成功离不开背后强大的技能支持，而开源软件便是背后强大的技能支撑之一，助力了中国互联网家当的成功。
这些开源软件被企业普遍利用来构建其业务系统。

开源软件，是一种源代码可以自由获取并在遵照开源协议的规定下，开拓者可进行自行修正的打算机软件。

对付互联网企业而言，开源软件为它们节省大量的韶光与本钱。
据统计，常用的开源软件已经构成了一个代价超过150亿美元的开源软件生态，成为互联网公司（尤其是初创公司）构建其业务的标配，让其可以更专注于业务创新。

有了开源软件，当人们想创办新公司时，不再须要从零开始造“轮子”，而是可以在弘大的开源软件库中探求到得当的模块并根据须要进行得当的修正，有时三五位开拓职员在几个月韶光里就可以快速搭建出一个业务原型。
因此，开源软件很主要的意义在于大大降落了互联网创新的门槛。

另一方面，开源软件也可以让中国的互联网家当，在软件技能方面不再面临“卡脖子”问题，从而能与硅谷险些在同一起跑线上竞争，乃至在移动支付等领域更具竞争力。

仔细不雅观察，开源软件办理了中国互联网家当发展过程中的两大难题，一是降落了创新的门槛，二是摆脱了技能上的受制于人。
而这两个难题正是当前中国半导体家当所面临的困境。
我们是否可以从中国互联网家当拥抱开源的履历中得到启示呢？

我们认为，除了国家加大对卡脖子技能的重点扶持以正面应对之外，呼吁各界在芯片领域也积极拥抱开源、参与开源芯片行动，就像曾经的互联网家当拥抱开源一样，不失落为一条新的道路。

芯片资金高门槛让人追赶无望

然而，与软件领域不同，目前芯片领域的创新门槛之高、投入之大是业内公认的。

设计与制造一款芯片涉及到多个环节，每个环节都须要相称的资金与人力投入。
以28nm工艺研制一款系统芯片为例，比较完全的电子设计自动化工具利用版权费超过500万元，购买内存掌握器等外围IP模块（指某一方供应的可重用的逻辑单元、集成线路布局设计、器件；IP核常日已经通过了设计验证，设计职员以IP核为根本进行设计，可以缩短设计所需的周期）用度每每达到500～1000万元，流片用度根据芯片面历年夜小而定，但一样平常也会达到1000万元，封装相对便宜，大约须要50万旁边。
大略估算，研制这款芯片所须要的资金投入便已经超过2000万元。

另一方面，芯片的研发每每须要数十位工程师，花上一年的韶光来设计与验证，仅人为开销就须要上千万元。
此外，芯片设计与验证时哪怕涌现一个很小的缺点，都有可能导致芯片终极无法事情。
不只前期的投入打水漂，开拓职员还不得不再花上千万元重新流片。

芯片领域的高门槛客不雅观上严重阻碍了创新。
在互联网领域，得益于开源软件，拥有创新想法的互联网初创公司，每每只需几十万元，便可以在几个月韶光里推出原型产品进行迭代优化。
比较而言，芯片领域的初创公司却须要数千万的资金，而且迭代优化还要很长的韶光周期，以是很难想象风险投资人乐意把钱砸给这类初创公司。

事实上，半导体、大规模集成电路发展的黄金期是上世纪六七十年代，当时芯片规模都很小、本钱较低，却又具有很高的收益，吸引了美国、日本、中国台湾等大量精良的人才投入到半导体领域创办公司，也吸引了大量成本投入到这个领域，但中国大陆错过了那个黄金时期。

经由半个世纪的发展，少数发达国家和地区通过市场机制自然地形成了技能积累与家当上风，同时构建了极高的创新门槛，不仅让后来者追赶无望，也让芯片成为他们“卡别人脖子”的利器。

如今中国的半导体家当要想改变现状，已经很难完备靠初创企业与风险成本来追赶了，必须通过必要的家当政策来勾引。
我认为，借鉴中国互联网家当的成功履历，降落芯片设计的创新门槛是关键，而开源则是降落门槛的一大利器。

伯克利团队的礼物

近期受到普遍关注的开放指令集RISC-V，从生态构建角度为开源芯片设计作出了积极的事情。
RISC-V是由美国加州大学伯克利分校的Krste Asanovic教授与图灵奖得主David Patterson教授带领团队设计的一套开放指令集。

Krste Asanovic教授与David Patterson教授

伯克利团队推出RISC-V，正是受到了开源软件的启示，但开源软件生态和处理器芯片生态的情形却大不相同。

开源软件中的不同领域，都有一套开放的标准（Standard），在这套开放的标准之下，既有开放自由的实现，也有企业私有的实现。
虽然总体上私有实现的效果更优，但开放自由的社区也非常生动。

然而，处理器芯片领域，从指令集（处理器为软件开拓供应的编程接口）到处理器实现全是Intel、ARM这样的私有企业掌控，乃至连开放的指令集标准都没有，更不用说开源的处理器芯片设计。
如果有一款开放自由的指令集，大家都可以用它来做任何事情，会怎么样呢？借鉴软件领域的发展状况，伯克利研究团队认为，指令集体系构做作为软硬件接口的一种标准，不应该像x86和ARM等指令集那样须要授权才能利用，而该当开放（Open）出来让大家自由（Free）利用，这样才能塑造芯片领域的繁荣生态。

于是，他们启动了一个项目，从零开始设计一款新的指令集，将其命名为RISC-V（读作RISC-Five），并将其彻底开放。

伯克利团队希望全天下任何公司、大学、研究机构与个人都可以开拓兼容RISC-V指令集的处理器，都可以融入到基于RISC-V构建的软硬件生态系统，而不须要为指令集付一分钱。

值得一提的是，RISC-V扮演的角色是指令集标准，就犹如TCP/IP定义了网络包的标准、POSIX定义了操作系统的系统调用标准。
基于标准可以有开源的实现，也可以有商业版的实现。

初版RISC-V指令集于2011年发布，经由多年的发展，如今RISC-V社区已经度过了困难的起步阶段，正进入快速发展期，前景乐不雅观。
全天下很多企业选择从ARM转向RISC-V，环球第一大硬盘公司西部数据已经宣告，未来产品将全面利用RISC-V处理器核心，每年将达到10亿颗！

美国的DARPA（美国国防高等研究操持局）也认为，降落芯片设计门槛将会为未来芯片创新创造巨大的机会。
因此，在2017年启动“电子复兴操持”（Electronic Resurgence Initiative），DARPA将开源芯片设计作为核心目标之一，每年投入超过2亿美元的经费，研究如何降落芯片设计门槛，先后帮助了5个开源硬件项目（PERFECT、CRAFT、SSITH、POSH、IDEA），部分项目明确指明须要基于RISC-V指令集。
DARPA认为开源芯片设计将会为2025～2030年的美国，授予在半导体电子领域更强大的创新能力。
除此之外，其他一些国家政府部门的芯片研究项目也开始选择RISC-V，比如以色列国家创新局（Israel Innovation Authority）选择基于RISC-V研制为全国企业做事的处理平台。

印度政府更是将RISC-V视为一次发展处理器的机会。
他们为处理器计策项目（SHAKTI）帮助9000万美元，目标是研制6款基于RISC-V指令集的开源处理器核，涵盖了32位的单核微掌握器、64核64位高性能处理器和安全处理器等多个运用领域。
2016年1月，印度电子信息技能部又帮助了4500万美元，研制一款基于RISC-V指令集的2GHz四核处理器。
在印度政府支持的另一个关于神经形态加速器（neuromorphic accelerator）项目中，也将RISC-V作为打算主核心。
过去几年，印度政府帮助的处理器干系项目都开始向RISC-V靠拢。

纵不雅观国际形势，我们可以创造，当前一些低端芯片已经有比较丰富的开源芯片设计资源。
例如，假设利用180nm工艺研制一款芯片，那么电子设计自动化工具链可以利用开源的工具包，IP模块可以利用开源模块，180nm的器件库也有多种开源的选择。
再加上流片的本钱也很便宜，以是综合起来，研制一款180nm的芯片有可能做到只须要几千美元便可以实现，门槛已经很低了。

然而，对付中高真个芯片，还缺少类似全套的开源芯片设计工具链与器件资源。
让我们畅想一下，如果全天下也拥有了代价上百亿美元的开源芯片设计所需的电子设计自动化工具链、IP模块、工艺库等，中高端芯片研制本钱降落两个数量级，从数千万元降至十万元级别，那么芯片领域的创新将会像本日的互联网那样层出不穷，中国半导体家当卡脖子的问题也将会迎刃而解。

发展生态中国成立RISC-V同盟

和开源软件对付中国互联网家当的浸染类似，开源芯片生态若能形成景象，则会大幅降落芯片创新门槛，将会对中国乃至全天下半导体家当产生深远的、积极的影响。

构建开源芯片生态是伟大的空想。
但是，只有RISC-V又是远远不足，还须要开源的电子设计自动化工具链、IP模块、工艺库等协同互助，才能实现真正的开源芯片生态。

RISC-V虽只是星星之火，但已展露出燎原的潜力。
从当前发展势头来看，RISC-V很有可能成为主宰天下的开放指令集标准。

中国开放指令生态（RISC-V）同盟成立

中国的学术界与企业界也已开始积极行动。
历经九个月的研讨与预备，在网信办、工信部、中科院等多个国家部委支持和辅导下，打算所联合海内约20家单位组成的中国开放指令生态（RISC-V）同盟（以下简称同盟）于2018年11月8日，在浙江乌镇举行的第五届互联网大会上正式宣乐成立。
同盟由倪光南院士任理事长（笔者任秘书长），旨在以RISC-V指令集为抓手，联合学术及家当界推动开源开放指令芯片及生态的康健发展。

为此，同盟制订了一个“三步走”操持，希望用10年旁边的韶光，到2030年逐步完成开源芯片生态的建立：第一步，为开源社区供应经由流片验证的高质量开源RISC-V核、IP核及SoC（System-on-Chip，片上系统）芯片设计方案；第二步，逐步构建一套基于开源工具链、开源IP、开源工艺库的SoC芯片设计流程，为企业供应商业版工具与IP之外的开源方案；第三步，迭代优化形成自动化的开源工具，提高设计验证效率，为大批科研机构、中小企业供应定制芯片做事，降落芯片开拓门槛。

敏捷开拓开启开源芯片生态大门

在美好的愿景之下，我们也要复苏地认识到开源软件在协作开拓、质量掌握、商业模式、生态构建等方面都经历了很多次失落败的考试测验与探索，才沉淀出成熟的开源软件组合。

开源芯片生态仍处于襁褓阶段，未来的发展也一定会面临很多寻衅。
开源芯片最大的寻衅之一在于芯片开拓门槛高，如果能数量级降落开拓门槛（本钱与周期），那就可能吸引广大的芯片开拓者。
芯片敏捷开拓，将会是降落芯片开拓门槛的关键，将成为开启开源芯片生态的钥匙。

软件开拓早已采取敏捷开拓模式，通过不断迭代、循规蹈矩的开拓方法快速发布软件产品，将以往数年的开拓周期大幅缩减为几个月乃至几周。
然而，如今芯片的开拓周期仍旧须要数年，每每设计和验证事情须要花费1～2年，投片须要花费约大半年。
如果流片失落败，投入的韶光和精力将会付之东流，风险非常大。
这也导致本日基于这种模式开拓的IP模块价格非常高昂，进一步又推高了芯片设计本钱。

开拓本钱与周期正是芯片设计门槛高的紧张缘故原由。
因此，芯片敏捷开拓是有可能撬动上述困境的支点——如果通过敏捷开拓模式将芯片设计本钱降落到几十万乃至几万、开拓周期降落到几个月，那么用这种办法开拓的IP模块本钱也将大幅低落，开拓职员将更乐意开源与共享IP模块。

当芯片开拓周期也能从数年缩减为几个月，那将形成一种软硬件协同的敏捷开拓模式，这将颠覆现在的IT产品开拓模式。
如今，互联网运用开拓团队一样平常有卖力手机APP的前端工程师，与卖力做事器真个后端工程师合营起来一起开拓。
而在未来的软硬件协同敏捷开拓模式下，开拓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拓出新的软件功能，硬件端则用几个月很快实现出相应的加速芯片。
这正是两位图灵奖得主John Hennessy与David Patterson在图灵奖演讲中所推崇的领域专用体系构造DSA（Domain-Specific Architecture）的表示。

事实上，在推广RISC-V的同时，伯克利研究团队也开放了RISC-V的系统芯片实现Rocket Chip以及面向敏捷开拓的硬件设计措辞Chisel，期望通过“RISC-V+Rocket+Chisel”这三驾马车推动芯片设计领域迈进敏捷开拓时期，降落芯片设计门槛。

我们团队也在基于新的硬件开拓措辞Chisel上开展了一系列芯片敏捷开拓实践，并取得了令人欣喜的效率。
一个本科生的Chisel新手，可以在更短的韶光内编写更少的代码，代码质量就能达到和工程师相称的水平，乃至还可以超越工程师。
纵然代码质量与传统开拓有20%的差距，敏捷开拓仍旧展现了其节省人力和韶光的代价——能快速构建一个可以事情的原型，对项目开展来说是非常故意义的。
从这点来看，敏捷开拓确实大大降落了硬件开拓的门槛。

作为全天下最大的芯片用户，中国一贯希望能把国产芯片家当做大做强，各方也都在努力。
借鉴开源软件对付中国互联网发展的浸染，大概开源芯片设计是一条值得考试测验的道路。

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参考资料

[1] 中国开放指令生态(RISC-V)同盟，“开放指令集与开源芯片发展报告”，2019年1月。

http://crva.io/documents/OpenISA-OpenSourceChip-Report-v1p0.pdf

[2] 余子濠，刘志刚，李一苇，黄博文，王卅，孙凝晖，包云岗，“芯片敏捷开拓实践：标签化RISC-V”，打算机研究与发展，2019年1月。

http://acs.ict.ac.cn/baoyg/downloads/Agile-Chip-Design.pdf

文章头图及封面图片来源：maxpixel.net

原文刊载于《前沿科学》2018年第4期，“赛师长西席”经作者授权转载，内容略有编辑。