码可以自由获取并在遵循开源协议的规定下,进行自行修改而无需付费的计算 机软件。 对于互联网企业而言,开源软件为它们节省大量的时间与成本。据统计, 常用的开源软件已经构成了一个价值超过150亿美元的开源软件生态,一些开 源软件如LAMP( Linux+ Apache+ My SQL+PHP)组合或MEAN( MongoDB+ Express+ AngularIS+Node.js)组合,已经成为互联网公司(尤其是初创公 司)构建其业务的标配,为企业节省大量的时间与成本,让其可以专注于业务 创新上。 阿里云前总裁章文嵩博士曾在一次演讲中提到,阿里集团因为使用开源软 件而节省了大量成本。有了开源软件,当人们想创办摩拜这样的新公司,不再 需要从零开始造“轮子”,而是可以在庞大的开源软件库中寻找到合适的模块 并根据需要进行合适的修改。比如利用LAMP组合,3~5位开发人员就在几个 月时间里快速搭建出一个业务原型。因此,开源软件很重要的意义在于大大降 低了互联网创新的门槛 User Content Billion Dollar Company Code Mem Cache Apache Example $15B+ Thrift Software PhP Open Stack Source Cassandra Jenkins Infinite Stack LINUX 图1.价值上百亿美元的开源软件栈 另一方面,开源软件也可以让中国的互联网产业,在软件技术方面不再面 临“卡脖子”问题,从而让中国的互联网企业能与硅谷几乎在同一起跑线上竞 3图片来源: Andreas Olofsson, ntelligent Design of Electronic Assets(DEA)2017
7 码可以自由获取并在遵循开源协议的规定下，进行自行修改而无需付费的计算 机软件。 对于互联网企业而言，开源软件为它们节省大量的时间与成本。据统计， 常用的开源软件已经构成了一个价值超过 150 亿美元的开源软件生态，一些开 源软件如 LAMP（Linux + Apache + MySQL + PHP）组合或 MEAN（MongoDB + Express + AngularJS + Node.js）组合，已经成为互联网公司（尤其是初创公 司）构建其业务的标配，为企业节省大量的时间与成本，让其可以专注于业务 创新上。 阿里云前总裁章文嵩博士曾在一次演讲中提到，阿里集团因为使用开源软 件而节省了大量成本。有了开源软件，当人们想创办摩拜这样的新公司，不再 需要从零开始造“轮子”，而是可以在庞大的开源软件库中寻找到合适的模块 并根据需要进行合适的修改。比如利用 LAMP 组合，3～5 位开发人员就在几个 月时间里快速搭建出一个业务原型。因此，开源软件很重要的意义在于大大降 低了互联网创新的门槛。 图 1. 价值上百亿美元的开源软件栈3 另一方面，开源软件也可以让中国的互联网产业，在软件技术方面不再面 临“卡脖子”问题，从而让中国的互联网企业能与硅谷几乎在同一起跑线上竞 3 图片来源：Andreas Olofsson, Intelligent Design of Electronic Assets (IDEA),2017
争,甚至在共享经济、移动支付等领域更具竞争力。当银行等传统企业还严重 依赖于IOE(IBM的小型机、 Oracle的数据库、EMC的存储)时,中国的互联网 企业却已经用行动证明了“去IOE”的可行性,这一切都得益于中国互联网企 业积极拥抱开源软件的实践。 2.4开放指令集与开源芯片趋势 和开源软件对于中国互联网产业的作用类似,开源芯片生态如果能形成气 候,则会大幅降低芯片领域创新门槛,形成芯片领域的“大众创新”格局。这 将会对中国乃至全世界半导体产业产生深远和积极的影响 构建开源芯片生态是伟大的理想,加州大学伯克利分校开发的开放指令集 RISCⅤ朝这个目标迈出了第一步。基于RISC-V开放指令集的处理器有可能像 Linux那样成为开源芯片生态的基石。但是,只有RISC-V远远不够,还需要开 源的EDA工具链、IP模块、工艺库等协同合作,才能真正实现开源芯片生态 这正如今天的开源软件生态除了 Linux以外,还包括大量构建于 Linux之 上的其他开源工具与开源软件,例如GCC、LLwM、MySL、 Apache等。RISC-V 还只是星星之火,但却已展露出燎原之潜力。从当前发展势头来看,RISC-V很 有可能像 Linux那样成为主宰世界的开放指令集标准 2.5开源芯片的意义与可行性 经过多年的发展,开源芯片已经具备良好的基础,已经有了比较丰富的开 源芯片设计资源。例如,研制一款180mm工艺的芯片,可以使用开源的 Magic (包含 Xcircuit、 IRS IM、 NetGen、 Router和 Flow)EDA工具链,可以使用 兼容 WISHBONE总线协议的开源IP模块,并有多种180m开源工艺库供选择, 流片费用也并不高。综合起来,研制一款180m工艺的芯片可能只需要几千美 元便可实现,门槛已经大为降低。 然而,对于中高端的芯片,还缺乏完整的开源芯片设计EDA工具链与工艺 库资源。畅想一下,如果全世界也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,使得中高端芯片研制成本降低两个数量
8 争，甚至在共享经济、移动支付等领域更具竞争力。当银行等传统企业还严重 依赖于 IOE（IBM 的小型机、Oracle 的数据库、EMC 的存储）时，中国的互联网 企业却已经用行动证明了“去 IOE”的可行性，这一切都得益于中国互联网企 业积极拥抱开源软件的实践。 2.4 开放指令集与开源芯片趋势 和开源软件对于中国互联网产业的作用类似，开源芯片生态如果能形成气 候，则会大幅降低芯片领域创新门槛，形成芯片领域的“大众创新”格局。这 将会对中国乃至全世界半导体产业产生深远和积极的影响。 构建开源芯片生态是伟大的理想，加州大学伯克利分校开发的开放指令集 RISC-V 朝这个目标迈出了第一步。基于 RISC-V 开放指令集的处理器有可能像 Linux 那样成为开源芯片生态的基石。但是，只有 RISC-V 远远不够，还需要开 源的 EDA 工具链、IP 模块、工艺库等协同合作，才能真正实现开源芯片生态。 这正如今天的开源软件生态除了 Linux 以外，还包括大量构建于 Linux 之 上的其他开源工具与开源软件，例如 GCC、LLVM、MySQL、Apache 等。RISC-V 还只是星星之火，但却已展露出燎原之潜力。从当前发展势头来看，RISC-V 很 有可能像 Linux 那样成为主宰世界的开放指令集标准。 2.5 开源芯片的意义与可行性 经过多年的发展，开源芯片已经具备良好的基础，已经有了比较丰富的开 源芯片设计资源。例如，研制一款 180nm 工艺的芯片，可以使用开源的 Magic （包含 Xcircuit、IRSIM、NetGen、Qrouter 和 Qflow）EDA 工具链，可以使用 兼容 WISHBONE 总线协议的开源 IP 模块，并有多种 180nm 开源工艺库供选择， 流片费用也并不高。综合起来，研制一款 180nm 工艺的芯片可能只需要几千美 元便可实现，门槛已经大为降低。 然而，对于中高端的芯片，还缺乏完整的开源芯片设计 EDA 工具链与工艺 库资源。畅想一下，如果全世界也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，使得中高端芯片研制成本降低两个数量
级,从数千万元降至数十万元级别,那么芯片领域的创新将像今天的互联网那 样层出不穷,这可能为解决中国半导体产业的卡脖子问题提供了一条新思路。 历史上降低芯片设计门槛的思路曾取得巨大的成功。1980年代初,美国的 半导体产业一度落后于日本。更为尴尬的是全美上千所大学中只有不到100位 教授和学生从事半导体相关的研究,人才储备严重不足。 为了应对这场半导体之争,美国各界都积极采取行动。1981年美国国防部 高级研究计划局( DARPA)启动 MOSIS项目,资助成立一个服务大学和科研机构 的专业流片服务机构,隶属南加州大学信息学院。 MOSIS提出多项目晶圆MPW Multi Project Wafer)模式,实现将多个使用相同工艺的集成电路设计放在同 一晶圆片上流片,大幅降低了芯片设计与制造成本。近40年来M0SIS为大学和 研究机构流了60000多款芯片,培养了数万名学生,缓解了人才匮乏问题。更 为重要的是, MOSIS通过降低芯片开发门槛,直接催生了新的商业模式一一无 晶圆厂模式( Fabless)企业,如英伟达( NVIDIA)、高通( Qualcomm)、博通 ( Broadcom)和赛灵思( Xilinx)等,它们只需专注于芯片设计(如图2) 也启发张忠谋于1987年创办了台积电(TSMC),专注于芯片制造。 如今通过开源芯片降低芯片设计门槛,也有可能催生出芯片产业领域的新 商业模式。因此,开源芯片虽然面临众多困难,但仍是一条值得探索的道路 TranseR 一 Transistors per chip.0■ Desion Cos MOSIS MOSISO Technology Node 180 130 as 4s 32 2214 NVIDIA Qualcomm Broadcom Xilin 图2.1980年代初 DARPA资助MsIS项目,降低芯片设计 门槛,催生无晶圆厂模式( Fabless)企业的诞生 图片来源 Andreas olofsson. Intelligent Design of Electronic Assets(DEA),2017
9 级，从数千万元降至数十万元级别，那么芯片领域的创新将像今天的互联网那 样层出不穷，这可能为解决中国半导体产业的卡脖子问题提供了一条新思路。 历史上降低芯片设计门槛的思路曾取得巨大的成功。1980 年代初，美国的 半导体产业一度落后于日本。更为尴尬的是全美上千所大学中只有不到 100 位 教授和学生从事半导体相关的研究，人才储备严重不足。 为了应对这场半导体之争，美国各界都积极采取行动。1981 年美国国防部 高级研究计划局（DARPA）启动 MOSIS 项目，资助成立一个服务大学和科研机构 的专业流片服务机构，隶属南加州大学信息学院。MOSIS 提出多项目晶圆 MPW (Multi Project Wafer)模式，实现将多个使用相同工艺的集成电路设计放在同 一晶圆片上流片，大幅降低了芯片设计与制造成本。近 40 年来 MOSIS 为大学和 研究机构流了 60000 多款芯片，培养了数万名学生，缓解了人才匮乏问题。更 为重要的是，MOSIS 通过降低芯片开发门槛，直接催生了新的商业模式——无 晶圆厂模式（Fabless）企业，如英伟达（NVIDIA）、高通（Qualcomm）、博通 （Broadcom）和赛灵思（Xilinx）等，它们只需专注于芯片设计（如图 2 4）； 也启发张忠谋于 1987 年创办了台积电（TSMC），专注于芯片制造。 如今通过开源芯片降低芯片设计门槛，也有可能催生出芯片产业领域的新 商业模式。因此，开源芯片虽然面临众多困难，但仍是一条值得探索的道路。 4 图片来源：Andreas Olofsson, Intelligent Design of Electronic Assets (IDEA),2017. 图 2. 1980 年代初 DARPA 资助 MOSIS 项目，降低芯片设计 门槛，催生无晶圆厂模式（Fabless）企业的诞生
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3 RISC-V开放指令集生态现状 3.1RISC-V起源 010年,加州大学伯克利分校的 David Patterson教授与 Krste asanovic 教授研究团队正在准备启动一个新项目,需要选择一种处理器指令集。他们分 析了ARM、MIPS、 SPARC、X86等多个指令集,发现它们不仅设计越来越复杂, 而且还存在知识产权问题。于是伯克利的研究团队临时组建一个四人小组,开 展一个3个月的暑期小项目—一从零开始设计一套全新的指令集!这个小项目 的目标是新指令集能满足从微控制器到超级计算机等各种尺寸的处理器,能支 持从FPGA到AsIC到未来器件等各种实现,能高效地实现各种微结构,能支持 大量的定制与加速功能,能和现有软件栈与编程语言很好的适配。还有最重要 的一点就是要稳定一一不会改变,不会消失。 2011年5月,第一版指令集正式发布。该指令集设计非常简单,采用了基 础指令集与扩展指令集的方式。基础指令集只包含了不到50条指令,但已经可 以用于实现一个具备定点运算和特权模式等基本功能的处理器。扩展指令集提 供了一些常用的原子操作指令、浮点运算指令等,用户也可以需要自身需求进 行自定义。这样,这套指令集既保留了“简单”这个大优点,又赋予了用户足 够的灵活性。伯克利的研究团队在发布时还做了两个重大的决定: 是将新的指令集命名为RISC-V(读作RISC-Five),表示为第五代 RISC(精简指令集计算机)。图2展示了此前的四代RISC处理器原型芯片。每 代RISC处理器都由 David patterson教授领导与参与。也正是他与学生 RISC-I RISC-II RISC-Ill(SOAR) RISC-IV(SPUR) RISC-V 1984 2013 图2.五代RSC处理器
11 3 RISC-V 开放指令集生态现状 3.1 RISC-V 起源 2010 年，加州大学伯克利分校的 David Patterson 教授与 Krste Asanovic 教授研究团队正在准备启动一个新项目，需要选择一种处理器指令集。他们分 析了 ARM、MIPS、SPARC、X86 等多个指令集，发现它们不仅设计越来越复杂， 而且还存在知识产权问题。于是伯克利的研究团队临时组建一个四人小组，开 展一个 3 个月的暑期小项目——从零开始设计一套全新的指令集！这个小项目 的目标是新指令集能满足从微控制器到超级计算机等各种尺寸的处理器，能支 持从 FPGA 到 ASIC 到未来器件等各种实现，能高效地实现各种微结构，能支持 大量的定制与加速功能，能和现有软件栈与编程语言很好的适配。还有最重要 的一点就是要稳定——不会改变，不会消失。 2011 年 5 月，第一版指令集正式发布。该指令集设计非常简单，采用了基 础指令集与扩展指令集的方式。基础指令集只包含了不到 50 条指令，但已经可 以用于实现一个具备定点运算和特权模式等基本功能的处理器。扩展指令集提 供了一些常用的原子操作指令、浮点运算指令等，用户也可以需要自身需求进 行自定义。这样，这套指令集既保留了“简单”这个大优点，又赋予了用户足 够的灵活性。伯克利的研究团队在发布时还做了两个重大的决定： 一是将新的指令集命名为 RISC-V（读作 RISC-Five），表示为第五代 RISC（精简指令集计算机）。图 2 展示了此前的四代 RISC 处理器原型芯片。每 一代 RISC 处理器都由 David Patterson 教授领导与参与。也正是他与学生 RISC-I 1981 RISC-II 1983 RISC-III (SOAR) 1984 RISC-IV (SPUR) 1988 RISC-V 2013 图 2. 五代 RISC 处理器