包云岗《开源新生态 开创“芯”未来》课件

开源新生态

开创“芯”未来一芯片简介你见过的芯片模样Motorola

68030处理器你没见过的芯片模样藏在故宫中的“芯片”处理器芯片：芯片产业“皇冠上的明珠”芯片有几十种大门类，上千种小门类各类芯片处理器芯片处理器芯片中央处理器CPU深度学习处理器NPU图形加速处理器GPU典型的处理器芯片典型的处理器芯片中央处理器CPU深度学习处理器NPU图形加速处理器GPU2018年中国信息产业规模超过16万亿元处理器芯片是信息产业的基石处理器芯片是国家战略产业处理器芯片的前世世界上第一台电子计算机ENIAC

（1946年）电子管（灯泡）=

开/关开/关

=1/0二进制莱布尼茨1705年论文晶体管开关元器件1956年，巴丁、布拉顿和肖克利获诺贝尔物理学奖

开关晶体管集成电路将电路集成在半导体底板

开关晶体管

集成电路2000年，基尔比获诺贝尔物理学奖芯片将电路微缩集成到硅片

开关晶体管

集成电路

芯片集成电路上晶体管数，约每隔18—24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。摩尔定律2020年进口5435亿个集成电路，进口额高达3500亿美元。集成电路是中国第一大进口产品在很多领域，国产芯片市场占有率仍不足5%。国产芯片任重道远二处理器芯片开发流程指令集架构

（Instruction

Set

Architecture），简称指令集计算机系统中硬件与软件之间交互的规范标准指令集可类比于螺母和螺钉的尺寸规范我们需要一个指令集（ISA）指令集规范

指令集手册指令集是规范，定义指令的格式、功能指令集手册工程开发RTL代码EDA工具芯片版图设计文档微架构设计指令集手册芯片设计：指令集手册

芯片版图芯片产品制造+封装+测试芯片制造/封测：芯片版图

芯片芯片版图三新趋势：开源芯片工程开发RTL代码EDA工具芯片版图设计文档微架构设计指令集手册开源芯片包含三个层次设计流程/工具1 指令集

+2处理器微架构设计/实现3

+“十四五”规划开始对开源布局加快布局量子计算、量子通信、神经芯片、DNA存储等前沿技术，加强信息科学与生命科学、材料等基础学科的交叉创新，支持数字技术开源社区等创新联合体发展，完善开源知识产权和法律体系，鼓励企业开放软件源代码、硬件设计和应用服务。——《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》开源成为处理器芯片发展的一个新趋势开源软件是过去十年来智能手机大发展的先决条件。而像RISC-V这样的开源硬件也许会在未来十年内让其他设备实现类似的扩张。——《经济学人》（一）智能物联网（AIoT）时代到来智能物联网（AIoT）的需求碎片化问题现有设计方法：

通用架构+指令扩展复杂度高（>1000条指令）

、成本高（~$1B）周期长（(2-3年）、对设计人员要求高现有设计方法无法应对成千上万种定制需求互联网时代移动互联网时代智能物联网AIoT时代新兴的智能物联网（AIoT）面临需求碎片化挑战（二）处理器芯片设计人才严重短缺国际计算机体系结构旗舰会议（ISCA）十年论文统计情况85%

vs

4%：2008—2017年，十年国际计算机体系结构旗舰会议（ISCA）论文一作，作者毕业后85%在美国就业，仅有4%在中国。处理器芯片设计人才培养挑战大，需理论与实践并重。尚缺少类似临床实习环节1982年，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研究。1970年代末至1980年代中期，美国也曾遭遇人才储备不足问题。1981年，美国启动MOSIS项目，为大学提供流片服务。破解之道降低芯片设计门槛让学生也能流片1981年，美国启动MOSIS项目，为大学提供流片服务。提出MPW模式，大幅降低芯片设计门槛。破解之道降低芯片设计门槛让学生也能流片MOSIS项目（三）降低芯片设计门槛，推动产业变革1981年，DARPA启动MOSIS项目，提出了MPW（MultipleProject

Wafer）模式，数量级降低芯片设计成本。无晶圆企业代工企业催生半导体产业新商业模式四降低芯片设计门槛用户定制代码<

10%LAMP/MEAN

etc.>

90%

代码开源软件的成功经验开放免费的指令集是开源芯片生态的基础几十年来，处理器指令集均属于公司私有——或无法获取，或需授权费。2010年，UC

Berkeley开始开发一套开放免费的指令集RISC-V。RISC-V：指令集应该免费VS核心理念与5G通信技术发展模式相同——全世界共同制定标准，各国企业根据标准自主实现产品开源、开放、共建、共享的处理器芯片生态RISC-V

vs

X86/ARM：指令更精巧X86从1978年的80条指令，增长到2015年的3600条RISC-V基础部分（RV32I）只有47条指令，并已冻结RISC-Vvs

X86/ARM：指令更精巧X86手册：约5000页 ARM手册：约2700页 RISC-V手册：约200页RISC-V

vs

X86/ARM：模块化五RISC-V在国内外发展态势已有全球70多个国家2400个会员总部位于瑞士RISC-V国际基金会RISC-V国际基金会会员国别分布（2022.3）中美欧并驾齐驱中美企业参与度更高，欧洲学术机构参与度更高20个理事会成员9个中国，9个美国，2个欧洲高级会员：11/19战略会员：45/169学术组织：10/107俄罗斯企业RISC-V国际基金会的中国力量（2022.3）RISC-V国际基金会的中国力量（2022.3）4个发展伙伴3个来自中国RISC-V国际社区并未受到极限制裁影响RISC-V国际基金会CEO

Redmond女士的回复：我们并未看到美国制裁对RISC-V社区有任何影响。RISC-V在中国起步（2015—2018）2015年RISC-V基金会成立（中科院计算所为创始成员）在网信办、中科院的指导下，中科院计算所牵头，于2018年11月8日在世界互联网大会上成立中国开放指令生态（RISC-V）联盟联盟已由华为、百度、腾讯、清华、北大等26个创始成员发展成为130个会员，汇聚国内RISC-V的主要力量中国开放指令（RISC-V）生态联盟平头哥无剑平台华米可穿戴设备AI芯片平头哥玄铁系列核RIOS开发板PicoRIO兆易创新MCU优矽渭河系列核全志D1开发板计算所香山开源高性能核中国在建设RISC-V生态中积极贡献（2018-至今）六中科院开源芯片实践在解决“卡脖子”问题方面，科学院已经有一些部署。2018年启动了超算系统、网络安全、潜航器三个专项，2019年启动了处理器芯片与基础软件、电磁测量、仿生合成橡胶、高端轴承、多语音多语种技术5个专项。推动RISC-V生态在中国发展构建开源芯片生态大幅降低芯片设计的人力、EDA、IP、时间成本，释放创新活力，赋能千行万业芯片敏捷设计云平台性能国际先进的开源RISC-V处理器核本科生设计CPU芯片并完成流片首次完成基于开源EDA的流片开源供应链与系统软件阶段性成果“香山”：开源高性能RISC-V处理器研制成功国际性能最高的开源高性能RISC-V处理器核“香山”建立一个像Linux那样的开源RISC-V核主线，既能被工业界广泛应用，又能支持学术界试验创新想法阶 段 性 成 果 一两代“香山”架构设计第一代：“雁栖湖”架构2020年6月：代码仓库建立2021年7月：流片频率：1.26GHz@28nm性能：SPEC

CPU2006

~7分/GHz两代“香山”架构设计第二代：“南湖”架构2021年5月：开始RTL实现工作2021年12月：功能确定，时序优化阶段2022年5月：计划流片预期频率：2GHz@14nm预期性能：SPEC

CPU2006

20分对标ARM最新数据中心处理器核Neoverse

N2为企业提供处理器核敏捷开发基础设施技术目标对标ARM

Neoverse

N2处理器核（5nm）3GHz以上，15分/GHz，总分45分目前Intel60分；ARM50分；香山20分7nm/5nm/3nm等先进工艺第三代“香山”（“昆明湖”）规划“香山”在国际高性能RISC-V处理器核“军备竞赛”中占有一席之地开源协议：MulanPSLv2协议（兼容Apache

v2.0）代码托管：GitHub、Gitee、GitLink、iHub“香山”代码开源，过程开放开源开放敏捷

设计基础设施“香山”核心价值是构建一套芯片敏捷设计基础设施，缩短迭代优化周期开源开放能力体系，联合企业加速处理器研发节奏，支持按需快速定制芯片“一生一芯”计划阶 段 性 成 果 二完成封装的芯片在芯片上运行Linux系统并展示中科院logo学生在本科毕业远程答辩中，代表“一生一芯”团队向评委展示芯片运行的过程果壳芯片展示“龙芯”国科大“一生一芯”从“超硬核录取通知书”

到“超硬核毕业证书”超硬核录取通知书 超硬核毕业证书“一生一芯”计划执行情况第一期：5位学生成本：5万/人第二期：11位学生成本：2万/人第三期：100位学生成本：<1万/人760人报名，覆盖168所高校报名总数：1105人在校生是“一生一芯”的主力，共

961

人，占比88％覆盖

216

所高校（含国外32所）第四期“一生一芯”报名情况在中科院与北京市的指导下，

北京开源芯片研究院于2

0

2

1

年1

2

月6

日成立阿里平头哥、腾讯、百度等1

6

家发起单位联合发起构建开源芯片技术体系，

加速开源芯片生态发展北京开源芯片研究院，

加速开源芯片生态建设七未来展望开源PC设计，催生新产业1981

年8

月12

日，

IBM推出PC，

公开了设计文档，

包括源代码、电路图，

成就繁荣的PC市场开源芯片，赋能物联网（IoT）新产业I

n

t

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l

、N

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、A

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M

用不同方式成功构建各自生态，

推动新产业发展开源芯片，

有机会