中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊“開源”（open source）全稱為開放源代碼，其最大的特點是開放，即在版權(quán)限制范圍之內(nèi)任何人都可以得到源代碼，并加以修改學習、重新發(fā)放。開源模式于?20?世紀?80?年代初開始在軟件領(lǐng)域流行，現(xiàn)已成為軟件領(lǐng)域不可或缺的一種開發(fā)模式。2019?年的一組調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，高達?99%?的軟件使用開源組件。如今，開源模式已經(jīng)擴展到硬件領(lǐng)域，尤其在處理器芯片領(lǐng)域，基于開源指令集?RISC-Ⅴ的開源芯片生態(tài)正在快速崛起，為包括中國在內(nèi)的廣大發(fā)展中國家突破中央處理器（CPU）芯片領(lǐng)域的技術(shù)壟斷和市場壟斷帶來新機遇。但同時也不能盲目樂觀，開源軟件經(jīng)歷了近?40?年的發(fā)展才形成今天的蓬勃態(tài)勢，而開源芯片還處于起步階段，要構(gòu)建相對完整的技術(shù)體系進而形成一個開源芯片生態(tài)，仍然面臨諸多挑戰(zhàn)和難題。 

科技開源的意義

2021?年?6?月，在?RISC-Ⅴ?中國峰會的大會主題報告中李世默提出一個鮮明的觀點：科技開源將會是突破科技排他性的有效手段。李世默認為，過去?30?年開展的全球化是封閉的全球化，發(fā)展模式通常由少數(shù)國家主導(dǎo)，最終形成了三大排他性，即經(jīng)濟排他性、政治排他性和科技排他性。在這一輪全球化過程中，中國提出了“社會主義市場經(jīng)濟”“人類命運共同體”“一帶一路”等一系列開放、包容的新路線、新理念、新倡議，并發(fā)起創(chuàng)辦亞洲基礎(chǔ)設(shè)施投資銀行，從而突破了經(jīng)濟排他性與政治排他性。

科技排他性已成為全球化進程的主要障礙之一。以芯片領(lǐng)域為例，眾所周知，芯片已成為支撐各行各業(yè)的基石，但是芯片領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)集中在個別國家的少數(shù)企業(yè)，導(dǎo)致全球芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展極不平衡，且面臨極大的供應(yīng)鏈風險。近期，全球陸續(xù)出現(xiàn)“缺芯潮”，導(dǎo)致汽車制造等重要工業(yè)領(lǐng)域停工停產(chǎn)，使世界各國都蒙受了不可估量的經(jīng)濟損失。中國作為制造業(yè)大國，仍需大量進口芯片，甚至面臨“卡脖子”困境。對于全球廣大發(fā)展中國家而言，更無力應(yīng)對少數(shù)國家在芯片領(lǐng)域的技術(shù)和市場壟斷。

科技開源，其從單一走向多元，從排他走向包容，從普世走向普惠，將會是突破科技排他性的有效手段。事實上，開源也存在競爭，不投入就會在開源生態(tài)構(gòu)建過程中喪失話語權(quán)和主導(dǎo)權(quán)。發(fā)達國家一直以來對科技開源比較重視。2016?年，美國政府發(fā)布《聯(lián)邦源代碼政策》，要求聯(lián)邦機構(gòu)將新開發(fā)的源代碼以不少于?20%?的比例開源。過去?20?年，歐盟成員國（包括英國）共出臺了超過?75?份政策文件和?25?份法律文件，積極推動開源發(fā)展。發(fā)達國家的企業(yè)與大學均十分重視對開源技術(shù)的投入。英特爾、谷歌、亞馬遜等國際知名企業(yè)，以及美國加利福尼亞大學伯克利分校、普林斯頓大學、麻省理工學院等世界一流大學都開發(fā)出有影響力的開源項目。2018?年的一項統(tǒng)計顯示，在全球最大的開源代碼托管網(wǎng)站?GitHub?上，全世界參與開源項目人數(shù)最多的公司是微軟，有高達?4?550?名員工參與；谷歌則排第二，有?2?267?名員工參與。

2021?年?3?月發(fā)布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和?2035?年遠景目標綱要》（以下簡稱《“十四五”規(guī)劃和?2035?年遠景目標》）中明確提出支持數(shù)字技術(shù)“開源”發(fā)展。科技開源，還需要引導(dǎo)中國企業(yè)、學術(shù)界加大對開源的投入，需要形成一批中國發(fā)起的有影響力的開源項目。

處理器芯片設(shè)計新趨勢：開源模式

芯片按功能可分為處理器芯片、存儲芯片和其他功能芯片。其中，處理器芯片是電子設(shè)備的“大腦”，作為基石和底板支撐了占我國國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）總額近?1/6?的信息產(chǎn)業(yè)。過去?20?年，我國一直高度重視處理器芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，出臺一系列產(chǎn)業(yè)政策并取得了積極效果，但一些企業(yè)仍面臨核心處理器芯片被“卡脖子”的困境。

近年來，開源指令集?RISC-Ⅴ?以其“指令集應(yīng)該免費”（instruction sets want to be free）的宗旨得到全世界的廣泛認可與積極投入。截至?2021?年?9?月，RISC-Ⅴ?國際基金會的會員已覆蓋?70?多個國家，總數(shù)已超過?2?300?個，其中企業(yè)和機構(gòu)超?500?家。RISC-Ⅴ物聯(lián)網(wǎng)處理器芯片已大規(guī)模商用，僅國內(nèi)就有超?5?億顆?RISC-Ⅴ?核心芯片投放市場；同時，開始出現(xiàn)使用先進工藝節(jié)點的中高端芯片研發(fā)投入，多家企業(yè)已開始布局?5/7 nm?高性能?RISC-Ⅴ?處理器開發(fā)。開源開放也大幅度加速了處理器芯片架構(gòu)創(chuàng)新，基于?RISC-Ⅴ?的類腦、眾核等新型計算芯片的研發(fā)方興未艾。未來數(shù)年，將出現(xiàn)?RISC-Ⅴ?與人工智能（AI）、高性能計算等產(chǎn)業(yè)互促發(fā)展的良好局面。

開源指令集打破了其他指令集屬于公司私有的現(xiàn)狀，為構(gòu)建開源芯片生態(tài)技術(shù)體系提供了可能性。開源芯片，就是將芯片設(shè)計相關(guān)的源代碼和文檔免費公開，降低使用者的獲取成本，降低芯片設(shè)計的門檻。開源芯片發(fā)展新趨勢存在三大驅(qū)動力：“摩爾定律”逐漸放緩，領(lǐng)域?qū)Ｓ皿w系結(jié)構(gòu)（DSA）開始盛行，但?DSA?會引起碎片化問題，從而使得芯片設(shè)計成本與周期?2?個維度同時降低門檻；芯片研發(fā)門檻高客觀上阻礙了創(chuàng)新，而降低門檻激發(fā)了創(chuàng)新活力、繁榮了芯片產(chǎn)業(yè)；芯片架構(gòu)人才緊缺，而降低門檻有助于快速和大規(guī)模培養(yǎng)高水平芯片設(shè)計人才。

從突破科技排他性角度來看，基于?RISC-Ⅴ?構(gòu)建開源處理器芯片生態(tài)，既有機會破解我國核心處理器芯片被“卡脖子”的現(xiàn)狀，又能夠協(xié)同全球各國特別是眾多發(fā)展中國家共同構(gòu)建開源處理器芯片生態(tài)，并開拓新興應(yīng)用市場。這是一種突破處理器芯片壟斷格局的新路線，有望形成普惠世界的處理器芯片領(lǐng)域的“人類命運共同體”。

構(gòu)建開源芯片生態(tài)技術(shù)體系的新機遇

開源軟件生態(tài)降低了軟件創(chuàng)新門檻

開源軟件經(jīng)歷近?40?年的發(fā)展，如今各類商業(yè)軟件幾乎都有對應(yīng)的開源版本，特別是操作系統(tǒng)、編譯器、數(shù)據(jù)庫、函數(shù)庫等基礎(chǔ)軟件，一些開源軟件綜合性能甚至優(yōu)于商業(yè)軟件。這些開源軟件已經(jīng)構(gòu)成一套較為完整的技術(shù)體系，進而形成一個價值達到數(shù)百億美元的開源軟件生態(tài)。開源軟件生態(tài)降低了軟件創(chuàng)新的門檻，為軟件企業(yè)節(jié)省了大量的時間與成本。例如，開源軟件?LAMP組合或?MEAN組合已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)公司（尤其是初創(chuàng)公司）構(gòu)建業(yè)務(wù)的標配，讓企業(yè)可以更專注于業(yè)務(wù)創(chuàng)新。工業(yè)和信息化部統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至?2018?年，我國擁有近?450?萬個手機應(yīng)用程序（APP），數(shù)量雄踞世界第一，這正是受益于開源軟件極大地降低了?APP?的開發(fā)門檻。

處理器芯片設(shè)計具有規(guī)范的流程

相比價值已達數(shù)百億美元的開源軟件生態(tài)，開源芯片仍處于起步階段。雖然開源指令集?RISC-Ⅴ?得到全世界的積極響應(yīng)，但僅有指令集離一套較為完整的技術(shù)體系還有很大差距。如圖?1?所示，處理器芯片設(shè)計流程一般包括?3?個階段。

階段?1：根據(jù)指令集手冊進行微架構(gòu)設(shè)計，輸出一系列設(shè)計文檔。

階段?2：投入相當?shù)墓こ汤碚摚盐⒓軜?gòu)設(shè)計實現(xiàn)為寄存器傳輸級（RTL）源代碼。

階段?3：使用電子設(shè)計自動化（EDA）工具將RTL?源代碼轉(zhuǎn)化為可供流片的芯片版圖。

開源芯片技術(shù)體系和?RISC-Ⅴ具有完善的層級

開源芯片技術(shù)體系的?3?個層次

一套完整的開源芯片技術(shù)體系包括?L1——開源指令集、L2——開源設(shè)計實現(xiàn)、L3——開源工具?3?個層次（圖?1）。

L1——開源指令集。指令集架構(gòu)?ISA（instruction set architecture）本質(zhì)上是一種標準規(guī)范，其表現(xiàn)形式是一份手冊文檔。開源指令集的內(nèi)涵包含?2?個方面：①任何人都可以免費獲取指令集手冊，根據(jù)手冊免費設(shè)計與實現(xiàn)自己的處理器芯片；②指令集的演進由開源社區(qū)共同制定，而不是由某個公司掌控。

L2——開源設(shè)計實現(xiàn)。處理器芯片的微架構(gòu)設(shè)計一般由設(shè)計文檔記錄，處理器芯片的實現(xiàn)則是用硬件描述語言（如?Verilog、Chisel?等）來描述設(shè)計文檔中的微架構(gòu)設(shè)計，形成一份寄存器傳輸級（RTL）源代碼。開源設(shè)計實現(xiàn)的內(nèi)涵包含?2?個方面——微架構(gòu)設(shè)計文檔和?RTL?源代碼，均可免費獲取。

L3——開源工具。處理器芯片的設(shè)計與實現(xiàn)過程中需要使用各種工具，主要包括三大類：微架構(gòu)設(shè)計空間優(yōu)化工具，包括軟件模擬器、程序特征分析工具、性能/功耗建模與評估工具等；測試與驗證工具，包括不同層次（模塊級、組件級、IP?級、SoC?級等）的功能正確性驗證工具、錯誤定位與追蹤工具、形式化驗證工具、自動化測試框架與測試用例等； EDA?工具，包括綜合工具、布局布線工具、仿真工具、版圖生成與驗證工具等。

由此可見，L1?級是整個開源芯片技術(shù)體系的基礎(chǔ)；沒有?L1?級的開源指令集，則不可能有?L2?級開源設(shè)計實現(xiàn)。這也正是?RISC-Ⅴ?指令集的價值所在，它賦予了全世界所有人免費設(shè)計與實現(xiàn)處理器芯片的平等機會。雖然?L1?是基礎(chǔ)，但要設(shè)計與實現(xiàn)一個處理器，L2——開源設(shè)計實現(xiàn)與?L3——開源工具更為重要，而且?2?個層次緊密聯(lián)系。用操作系統(tǒng)作類比，可移植操作系統(tǒng)接口（POSIX）系統(tǒng)調(diào)用標準屬于?L1級，Linux?操作系統(tǒng)源代碼屬于?L2?級，C?語言/GCC?編譯器則屬于?L3?級。

RISC-Ⅴ的分級情況

根據(jù)上述開源芯片技術(shù)體系分類，可將?RISC-Ⅴ?的級別層次現(xiàn)狀進行梳理。

RISC-Ⅴ?處于?L1?級，它允許全世界任何人免費實現(xiàn)一個?RISC-Ⅴ?處理器，可以是商用，也可以開源，其中基于?RISC-Ⅴ?的商業(yè)處理器IP則停留在?L1?級。

目前，國際上已有超過?100?個開源?RISC-Ⅴ處理器實現(xiàn)，如伯克利的?Rocket/BOOM、阿里平頭哥半導(dǎo)體有限公司的玄鐵系列、芯來科技有限公司的蜂鳥?E200?等，這些開源RISC-Ⅴ?處理器都處于?L2?級。因為它們雖然開源了處理器源代碼，但相應(yīng)的設(shè)計工具并未開源。

理想的?L3?級應(yīng)該是設(shè)計與實現(xiàn)開源芯片的工具全部開源，目前全世界范圍尚未達到這個水平。中國科學院計算技術(shù)研究所開發(fā)了開源高性能?RISC-Ⅴ?處理器“香山”，同時將開發(fā)“香山”的一系列底層工具也開源，已經(jīng)向?L3?級靠近。但“香山”也還未完全達到?L3?級，因為當前“香山”的開發(fā)過程中仍需大量使用商業(yè)?EDA?工具。只有開源?EDA?取得突破性進展，L3?級開源芯片才能真正得以實現(xiàn)。 

構(gòu)建開源芯片生態(tài)技術(shù)體系面臨的挑戰(zhàn)與對策

挑戰(zhàn)

當開源芯片技術(shù)體系達到?L2?級，就基本具備了構(gòu)建開源芯片生態(tài)的條件。開源芯片生態(tài)的形成，開源處理器（L2?級）僅僅是一個必要條件，還需要軟件、應(yīng)用、人才、資金等多種關(guān)鍵要素。雖然?RISC-Ⅴ?在中國發(fā)展得如火如荼，但基于?RISC-Ⅴ?構(gòu)建開源芯片生態(tài)仍面臨若干挑戰(zhàn)。

生態(tài)不成熟且碎片化嚴重。缺少技術(shù)主線和主導(dǎo)力量，尚不能真正有效匯聚全球研發(fā)力量，這阻礙了技術(shù)的持續(xù)迭代和應(yīng)用拓展。

公共服務(wù)與賦能平臺缺位。國內(nèi)自發(fā)形成的聯(lián)盟事實上承擔了極為有限的職能，組織松散且力度不足，無法形成對生態(tài)的系統(tǒng)性支持和引導(dǎo)。

尚未形成有效的國內(nèi)合作機制。國內(nèi)相關(guān)科研院校、龍頭企業(yè)未能形成合力，諸多共性技術(shù)未能有序布局、合作攻關(guān)，重復(fù)投入導(dǎo)致資源浪費嚴重。

中國企業(yè)在?RISC-Ⅴ?國際基金會話語權(quán)仍需加強。我國?RISC-Ⅴ?相關(guān)企業(yè)和科研機構(gòu)在與?RISC-Ⅴ?國際基金會的合作過程中，雖有合作松散等自身原因，但更因國際話語權(quán)缺失，導(dǎo)致尚未能在國際上協(xié)同推動有利于我國的技術(shù)生態(tài)標準。

對策

20?世紀?80?年代以來，歐美國家形成了一批基于產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的創(chuàng)新聯(lián)合體，如MCC、SRC、IMEC和?Sematech等。經(jīng)過近?40?年的發(fā)展，這些研究機構(gòu)取得了業(yè)界公認的成就，在原始創(chuàng)新、技術(shù)轉(zhuǎn)移與專利共享、人才培養(yǎng)等方面取得了豐富的經(jīng)驗，對全球半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了重要作用，受到政產(chǎn)學研等各方的好評和支持。因此，加速基于?RISC-Ⅴ?的開源芯片生態(tài)建設(shè)，需聯(lián)合多家企業(yè)共同開發(fā)共性基礎(chǔ)技術(shù)，這迫切需要在國內(nèi)建設(shè)一個開源芯片新型研究機構(gòu)作為總體研發(fā)平臺。對此，《“十四五”規(guī)劃與?2035?年遠景目標綱要》中提出了“支持數(shù)字技術(shù)開源社區(qū)等創(chuàng)新聯(lián)合體”的指導(dǎo)思路。聯(lián)合多家企業(yè)共同構(gòu)建開源芯片生態(tài)，這正是《“十四五”規(guī)劃與?2035?年遠景目標綱要》中大力倡導(dǎo)的“創(chuàng)新聯(lián)合體”模式。

目前，中國科學院計算技術(shù)研究所正積極探索構(gòu)建開源芯片創(chuàng)新聯(lián)合體模式，準備聯(lián)合企業(yè)力量，匯聚地方資源，逐步形成國際領(lǐng)先且開放包容的?RISC-Ⅴ?協(xié)同創(chuàng)新體系，加速?RISC-Ⅴ?開源芯片生態(tài)建設(shè)。 

20?世紀?80?年代，開源模式在軟件領(lǐng)域開始流行，如今已經(jīng)擴展到芯片設(shè)計領(lǐng)域。開源模式作為一種有效地突破科技排他性的手段，對于關(guān)鍵核心技術(shù)被個別國家的少數(shù)企業(yè)所壟斷的芯片領(lǐng)域，意義尤其重大——開源芯片有望聯(lián)合并賦能全世界更多國家特別是發(fā)展中國家的芯片產(chǎn)業(yè)。當然，開源芯片仍處于起步階段，仍然面臨諸多挑戰(zhàn)和需要解決的問題。中國在開源芯片領(lǐng)域具備很好的條件，有機會成為開源芯片領(lǐng)域的引領(lǐng)者。

（作者：包云崗、孫凝暉，中國科學院計算技術(shù)研究所、中國科學院大學 計算機科學與技術(shù)學院、計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室；《中國科學院院刊》供稿）

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