2019年迎接開源芯片新潮流.pdf

1、中國軟件技術大會CHINA SOFTWARE TECHNOLOGY CONFERENCE迎接開源芯片新潮流迎接開源芯片新潮流處理器（CPU）芯片現狀 CPUCPU芯片芯片和和操作系統操作系統是網信領域最基礎的核心技術是網信領域最基礎的核心技術 中國在這方面還受制于人，常被比擬為“缺芯少魂”中國在這方面還受制于人，常被比擬為“缺芯少魂”實踐表明，每一種實踐表明，每一種CPUCPU在市場競爭中要取得成功在很大程在市場競爭中要取得成功在很大程度上取決于其生態系統度上取決于其生態系統 目前世界上生態最為成熟的二種指令集架構的目前世界上生態最為成熟的二種指令集架構的CPUCPU：Intel x86指令集

2、架構 CPU歷史悠久壟斷桌面和服務器領域，被美國的Intel和AMD兩家公司擁有，罕有對外授權ARM指令集架構CPU歷史較長在移動和嵌入式等領域占壟斷地位，世界上很多公司花費數百萬元數億元費用，向ARM公司購買CPU許可，還要交Royalty fee2芯片設計門檻極高 以以14nm14nm工藝工藝為例，為例，上億元上億元研發經費，投入研發經費，投入上百人年上百人年 只有少數企業能承受中高端芯片研發成本只有少數企業能承受中高端芯片研發成本 制約了芯片領域的創新制約了芯片領域的創新Source:Andreas Olofsson,Intelligent Design of Electronic As

3、sets(IDEA),20173開源軟件的成功經驗降低互聯網創新的門檻降低互聯網創新的門檻3 3-5 5位位開發人員開發人員用用幾個月幾個月即可即可快速快速開發創新開發創新業務業務互聯網公司能構建互聯網公司能構建基于開源軟件的自主服務平臺基于開源軟件的自主服務平臺用戶定制代碼 90%代碼“開源開源”（開放源代碼開放源代碼）是是一種開發模式和商業模式一種開發模式和商業模式 開源軟件開源軟件（以以LinuxLinux為代表為代表）已成為當前軟件產業的主流已成為當前軟件產業的主流“開源開源”能否應用于芯片領能否應用于芯片領域域？4開源芯片的“死結”不愿意開源無開源可用高價購買IP驗證周期長開發投入大

4、5RISC-V指令集：降低處理器芯片IP成本的新模式由由UC BerkeleyUC Berkeley的教授、圖靈的教授、圖靈獎得主獎得主David PattersonDavid Patterson教授教授等于等于20102010年發明年發明基于廣泛使用且標準十分寬松基于廣泛使用且標準十分寬松的的BSDBSD許可證（許可證（Berkeley Berkeley SoftwareSoftware Distribution Distribution license)license)用戶用戶可自由免費可自由免費地用地用RISCRISC-V V進行進行CPUCPU設計、開發并添加自設計、開發并添加自有指令

5、集進行拓展，自主選擇有指令集進行拓展，自主選擇是否公開發行、或商業銷售、是否公開發行、或商業銷售、或更換其他許可協議、或完全或更換其他許可協議、或完全閉源使用閉源使用6BSD許可證 BSD許可證最早在1979年用于加州大學伯克利分校的BSD Unix，現在被Apache等開源軟件所采納。其要點為：Copyright(c)1998著作權由加州大學董事會所有。著作權人保留一切權利。符合以下三條件的情形下，授予使用者使用及再散播本軟件包裝原始碼及二進位可執行形式的權利，無論此包裝是否經修改或發展。對于本軟件源代碼或二進位可執行形式的再散播，必須保留上述的版權宣告、此三條件表列，以及免責聲明。免責聲明

6、：該許可證的優點是，幾乎可自由使用、修改、銷售、營利 但缺點是新的改進不一定開源，可能導致后續版本“碎片化”7RISC-V的優勢（1）設計優勢 免除授權費用和知識產權風險的完全開源免費，這是RISC-V存在的主要意義。傳統的芯片設計有時需要上億研發費用、投入上百人的團隊和花費大量時間，使得中小型科技企業不可能承擔芯片研發，被迫只能使用市場上已有產品，既造成了芯片市場的絕對壟斷，又喪失發展的主動權。而開源芯片設計可以將芯片設計門檻大大降低，甚至于3-5人的小團隊在3-4個月內，只需幾萬元便能研制出一款有市場競爭力的芯片，十分適應于中小企業創業，市場前景廣闊。能夠有效促進芯片產業的繁榮（2）技術優

7、勢 RISC-V指令集在最初設計時其研發團隊就明確表示要追求簡約，丟棄歷史包袱。目前成型的技術代碼集小、支持模塊化，性能十分優越，能夠滿足從微控制器到超級計算機等各種復雜程度的處理器需求，支持從FPGA、ASIC乃至未來器件等多種實現方式。同時能夠高效地實現各種微結構，支持大量定制與加速功能，并與現有軟件及編程語言可良好適配8RISC-V的優勢（續）（3）市場優勢 隨著人工智能和物聯網等新一代信息技術的發展，各種場景下對于CPU需求日益碎片化，嵌入式應用前景廣闊，低功耗、低成本和訂制化需求越來越大，這使得RISC-V的精簡、低功耗、模塊化和可擴展的優勢與數字經濟未來發展方向十分契合（4）管理優

8、勢 最初的RISC-V指令集是20世紀50年代，因而大多數專利早已過期，在商業化和開源使用方面不會存在大的專利壁壘和成本問題；另外，RISC-V由2005年成立的基金會管理，這是一個非盈利的中立機構和開放社區，主要負責日常維護RSIC-V指令集標準手冊與架構文檔，參與RISC-V相關規范地制定和軟硬件生態系統的發展?；饡扇T制管理，目前共有上百家會員單位，中科院計算所是發起和審計會員，阿里、華為是白金會員，這種開放式的管理模式能夠有效地促進RISC-V社區的交流和創新，形成生態系統，從而降低研發成本，打破芯片市場的壟斷9以頁數和單詞數衡量的 RISC-V、ARM-32 和 x86-32

9、指令集手冊比較RV32G，ARM-32，x86-32，RV32C和Thumb-2程序的相對大小RISC-V技術優勢：追求簡約10 x86指令集自誕生以來指令數量的增長自1978年誕生時的80條指令，到2015年增長了16倍，達1338條指令，且仍在增長，歷史包袱沉重RISC-V技術優勢：丟棄歷史包袱11由SiFive設計的直徑為8英寸的RISC-V晶圓。它有兩種類型的RISC-V芯片，使用較舊的較大加工線。FE310芯片為2.65mm2.72mm，SiFive測試芯片為2.89mm2.72mm。一片晶圓上有1846片FE310和1866片SiFive測試芯片，總共3712個芯片。12RISC-

10、V市場優勢：新一代信息技術領域潛在市場全球應用于IoT終端的嵌入式CPU市場CAGR 2015-2020：IoT終端嵌入式CPU營收32%其中消費應用38%；跨行業應用43%；特定垂直行業應用20%13技術與市場x86或ARM架構RISC-V架構篇幅數千頁少于三百頁指令數指令數繁多，且不同分支不兼容基本指令集40余條模塊化不支持支持可擴展性不支持支持硬件實現復雜性高硬件設計與編譯實現非常簡單商業運作X86封閉，ARM架構授權昂貴開源、免費生態環境成熟快速起步中應用市場服務器與桌面PC(x86)，移動和嵌入式(ARM)從物聯網切入，可覆蓋從微控制器到超級計算機的全計算領域應用特點服務器、PC、移

11、動和嵌入式應用領域居壟斷地位高性能（面積、功耗和性能）、普適（可自由擴展和裁剪）、可控（滿足差異化和定制化）應用風險不可控、缺乏應用彈性、較高成本生態不足、碎片化、專利問題RISC-V與x86及ARM指令集架構CPU的比較14RISC-V基金會2015年成立，目前包括235家會員單位 白金會員19家 普通會員216家基金會規模迅速壯大，進入加速發展期來源：RISC-V基金會Platinum MembersGold,Silver&Auditor Members.RISC-V管理優勢：RISC-V國際基金會中國成員：計算所（發起、審計）、清華（審計）、華為（金）、阿里（金）15RISC-V國際生態

12、現狀使用RISC-V指令集做下一代GPU上的周邊微控制器計劃在下一代存儲計算芯片中使用RISC-V核，并宣布預計每年將出貨10億片以上使用RISC-V的芯片采用多核RISC-V做高效率邊緣計算MCU16RISC-V國內生態現狀黃山1號推出支持RISC-V第三代指令系統架構處理器CK902已推出針對物聯網領域的處理器兆易創新GD32V MCU17利于芯片業創新的實例：安全RISC-V芯片中國科學院大學楊力祥中國科學院大學楊力祥老師的團隊，針對攻擊操作系統中危害最大老師的團隊，針對攻擊操作系統中危害最大的的超越授權類攻擊超越授權類攻擊（即以非法讀寫數據、非法控制被攻擊系統等為（即以非法讀寫數據、非

13、法控制被攻擊系統等為目的攻擊）提出了一套完整的理論（包括攻擊原理及安全機制）。目的攻擊）提出了一套完整的理論（包括攻擊原理及安全機制）。該理論指出了所有攻擊執行序中不可或缺的組成部分，即構成攻擊該理論指出了所有攻擊執行序中不可或缺的組成部分，即構成攻擊執行序的必要條件，只要消除這些必要條件，即使軟件中存在不可執行序的必要條件，只要消除這些必要條件，即使軟件中存在不可避免的瑕疵，攻擊者也不可能實現攻擊！避免的瑕疵，攻擊者也不可能實現攻擊！該安全機制基于硬件，包括安全該安全機制基于硬件，包括安全CPUCPU架構和安全操作系統架構及配架構和安全操作系統架構及配套的編譯器、虛擬機等完整的工具鏈。安全架

14、構套的編譯器、虛擬機等完整的工具鏈。安全架構CPUCPU硬件支持內存硬件支持內存安全單元（安全單元（MSUMSU）。此外，還有重新設計的分權機制及授權管理體）。此外，還有重新設計的分權機制及授權管理體系的支持。系的支持。由于由于RISCRISC-V V在設計上有良好的前瞻性，上述安全在設計上有良好的前瞻性，上述安全CPUCPU架構很容易與架構很容易與RISCRISC-V V結合，成為安全結合，成為安全RISCRISC-V V。這表明。這表明RISCRISC-V V的出現有利于實現創的出現有利于實現創新產業化。新產業化。實踐證明，運用開源模式不僅可以實施集成創新、引進消化吸收再實踐證明，運用開源

15、模式不僅可以實施集成創新、引進消化吸收再創新，也能夠實施原始創新。創新，也能夠實施原始創新。18參與RISC-V的中國企業截至2018年年底，與RISC-V芯片、硬件、軟件、投資、知識產權及生態相關的中國公司數量已接近一百家19RISC-V在中國的聯盟目標相同，協作共贏由網信辦、工信部和中科院三單位指導，于2018/11/8第五屆世界互聯網大會上宣告成立，掛靠在計算所。CRVA旨在召集從事RISC-V指令集、架構、芯片、軟件、整機應用等產業鏈各環節企事業單位及相關社會團體，自愿組成一個全國性、綜合性、聯合性、非營利性的社團組織。截至2019年7月，聯盟會員規模已由創始時12家增長至58家聯盟成

16、立大會于2018/9/20在上海集成電路行業協會成功召開。由上海芯原、芯來科技、上海高性能集成電路設計中心、上海集成電路行業協會、上海物聯網行業協會等單位共同發起中國開放指令生態（RISC-V）聯盟（CRVA）中國RISC-V產業聯盟（CRVIC）20IoT發展機遇貝爾定律(Bells Law)(Bells Law)依然有效:IoT:IoT芯片產生新需求可定制化、尺寸小、周期短、低功耗、低成本、新編程模型、低端工藝等摩爾定律(Moores Law)(Moores Law)即將終結:成熟工藝成本不斷下降黃金時代:多種技術融合正在形成化學反應開放指令集、開源工具、硬件開發新語言，新興應用、云平臺等

17、Image Source:https:/puterhistory.org/atchm/the-worlds-smallest-computer/10.7%15.8%30.6%53.2%0.0%20.0%40.0%60.0%01002001988 1998 2008 2018%of Academia papers on ISSCCAcademia OnlyIndustry&OthersRate降低門檻賦能創新21CRVA聯盟總體目標以RISC-V為抓手推動開源芯片生態22CRVA聯盟總體目標（續）開源芯片對于打破外國對芯片市場的壟斷、實現芯片自主可控和增強芯片業創新能力具有重要意義。因此，在國家

18、發展戰略性新興產業方針的指引下，我國應當依托豐富的人才資源和巨大的市場，加大芯片業自主創新力度，營造完善的生態系統，發展自主可控的開源芯片，推動中國在開源芯片的技術、社區和產業等方面全面發展，為AI、IoT、5G、區塊鏈等等新一代信息技術和數字經濟的發展，為建設網絡強國提供強大支撐 我們的目標是：一、為開源社區提供經過流片驗證的高質量RISC-V開源核及SoC芯片設計方案；二、逐步構建一套基于開源工具鏈、開源IP、開源工藝庫的SoC芯片設計流程，為企業提供商業版工具與IP之外的開源方案；三、迭代優化開源工具，提高設計驗證效率，為大批科研機構、中小企業提供定制芯片服務，降低芯片開發門檻。四、鼓勵

19、企業、研究機構和協會加入開源社區，利用開放式的會員模式，提高我國在開源芯片技術和規則制定方面的話語權和影響力。23CRVA聯盟成員2018年成果24CRVA聯盟成員近期成果發布7月18日，中科物棲展示基于RISC-V的AIoT芯片和整機方案7月25日，平頭哥發布高性能RISC-V處理器玄鐵91025中科院計算所推出系統級中科院計算所推出系統級RISCRISC-V V仿真驗證原型平臺仿真驗證原型平臺SERVESERVE：System Emulation and Prototyping for RISC-V Environment基于Xilinx PYNQ-Z2低成本精簡普及版SERVE.r多節點

20、集群版（精簡/高性能集群）SERVE.s標簽化馮諾伊曼體系結構版本（LvNA）SERVE.v基于FIDUSSidewinder-100高性能增強版SERVE.i云服務版（精簡/高性能云）SERVE.c 可配置RISC-V處理器數量和功能 支持UART、千兆以太網、SDIO、USB、HDMI等多種外設 Linux+Debian完整生態，可運行Redis、Memcached等多種應用 FPGA定制加速并支持標簽化特色的性能調控技術26基于RISC-V國產CPU未來展望CPU架構基于x86架構CPU基于ARM 架構授權國產CPU申威、龍芯等國產CPU基于RISC-V國產CPU自主可控測評難以滿足要求

21、現階段能滿足要求未來發展存在變數能滿足要求可望滿足要求既有生態狀況成熟成熟發展中起步中新興市場預測不詳不詳不詳前景看好授權費用 缺乏成熟的授權模式架構授權費用高無無27規避“美國技術含量”超過25%的風險 目前目前美國商務部美國商務部“出口管制出口管制”已加予已加予“美國技術含量美國技術含量”超超過過 25%25%者者，其中，其中，“美國技術含量美國技術含量”包括包括:（1 1）制造地位制造地位于美國于美國，(2)(2)技術源于美國，以及技術源于美國，以及(3)(3)國外制造但源自美國國外制造但源自美國的內容超過的內容超過25%25%。25%25%的的計算復雜，涉及很多細節，涉及元器件、軟硬件

22、、材計算復雜，涉及很多細節，涉及元器件、軟硬件、材料等等不一而足，而且軟硬件不一樣，實際操作也相當復料等等不一而足，而且軟硬件不一樣，實際操作也相當復雜。雜。實際上是美國說了算。實際上是美國說了算。違規后果嚴重違規后果嚴重。25%25%是一個嚴格責任標準，如果有證據表明是一個嚴格責任標準，如果有證據表明是明知故犯那就是刑事處罰，如果不知則是民事處罰，處是明知故犯那就是刑事處罰，如果不知則是民事處罰，處罰標準是罰款罰標準是罰款3030萬美元和交易量的雙倍，同時還可能加到萬美元和交易量的雙倍，同時還可能加到實體清單中。而且，這一懲罰是針對雙方的。實體清單中。而且，這一懲罰是針對雙方的。今后自主可控

23、測評可能要評估“今后自主可控測評可能要評估“美國技術含量美國技術含量”，以防止”，以防止這種會受到美國“長臂管轄”的產品進入政府和重要領域。這種會受到美國“長臂管轄”的產品進入政府和重要領域。28RISC-V 基金會決定將總部遷至瑞士 日前，位于特拉華的日前，位于特拉華的 RISCRISC-V V 基金會為尋求技術“中立”，基金會為尋求技術“中立”，已決定將公司總部遷移至瑞士。已決定將公司總部遷移至瑞士。非盈利機構非盈利機構 RISCRISC-V V 基金會基金會(RISC(RISC-V Foundation)V Foundation)首席執行首席執行官官Calista RedmondCali

24、sta Redmond表示，該基金會希望確保美國以外的大表示，該基金會希望確保美國以外的大學、政府和公司能夠幫助開發其開源技術。雷德蒙說，基金學、政府和公司能夠幫助開發其開源技術。雷德蒙說，基金會的全球合作迄今沒有任何限制，但成員們擔心潛在的地緣會的全球合作迄今沒有任何限制，但成員們擔心潛在的地緣政治破壞。她說：“從世界各地，我們都聽說如果公司不在政治破壞。她說：“從世界各地，我們都聽說如果公司不在美國成立，我們會舒服得多”。雷德蒙說，基金會的董事會美國成立，我們會舒服得多”。雷德蒙說，基金會的董事會一致通過了這一舉措。一致通過了這一舉措。此舉得到包括中國在內的業界人士歡迎，例如華為認為“我此舉得到包括中國在內的業界人士歡迎，例如華為認為“我們支持們支持 RISCRISC-V V 基金會將瑞士確定為開放源碼開發的中立場基金會將瑞士確定為開放源碼開發的中立場所。使開源盡可能開放對業界來說是重要的?！彼?。使開源盡可能開放對業界來說是重要的?！?9開源芯片的前景未來RISC-V很可能發展成為世界主流CPU之一，從而在CPU領域形成Intel、ARM、RISC-V三分天下的格局30