开源芯片的发展现状，机遇和未来（演讲PPT）

开源芯片发展现状、机遇与未来 包云岗2023-2-5 报告大纲 一、处理器芯片简介二、处理器生态分析三、新趋势开源芯片四、RISC-V发展态势五、开源芯片实践 六、未来展望 一、处理器芯片简介 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 处理器芯片设计复杂度高、难度大，占我国芯片进口总额比例高达49% 各类芯片 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GPU 处理器芯片是国家战略产业 2018年中国信息产业规模超过16万亿元，占全国GDP的17.8% 处理器芯片是信息产业的基石，支撑超过10万亿元的电子制造业 2018年我国累计 出货330.4万台服务器 生产3.2亿台PC/笔记本 生产13.69亿部智能手机 信息技术服务 信息传输 软件 电子设备 处理器 数据来源：《2018年电子信息制造业运行情况》，工信部，2019年2月 处理器芯片约占集成电路进口额的一半 2020年进口5435亿个集成电路，进口额高达3500亿美元，远超过石油（1763亿美元）、铁矿（1189亿美元） 种类 进口金额（亿美元） 占比 处理器及控制器 1709 48.8% 存储器 956 27.3% 放大器 123 3.5% 其他 712 20.3% 总数 3500 100% 处理器与控制器芯片进口额超1700亿美元，占比高达49% 数据来源：中国海关 二、处理器生态分析 指令集(ISA)是标准规范 指令集架构(InstructionSetArchitecture)，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 ①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 ②芯片设计：指令集手册芯片版图 微架构设计 工程开发 EDA工具 指令集手册设计文档 RTL代码 芯片版图 ③芯片制造/封测：芯片版图芯片 芯片版图芯片产品 制造+封装+测试 从技术层面看指令集 指令集很重要 对软件生态至关重要，决定软件研发投入效率 指令集不重要 ISA只是规范，微架构设计与实现是核心能力，决定PPA 早期计算机没有固定指令集 1950-1960年代，IBM 每个型号的计算机都是独立的指令集 独立的I/O系统 独立的汇编器、编译器、函数库…… IBMSystem/360：统一指令集 IBM360指令集隐藏了不同型号之间底层硬件设计差异 打印在一张纸上的S/360指令集 统一指令集是构建软件生态的基础 统一的汇编器、编译器、函数库 一套软件可以运行于所有兼容机 软件成为产品并发展为产业 芯片设计：指令集手册芯片版图 微架构设计与实现是芯片设计的核心能力 当具备该能力，将不受限于指令集 微架构设计 指令集手册设计文档 工程开发 RTL代码 EDA工具 芯片版图 例：Intel处理器微架构演进 20年期间，Intel不断增加指令的同时，微架构不断演进，实现性能与功耗数量级提升 Intel处理器架构演进 ·多核 ·TurboBoost ·第二代虚拟化 ·大页面 ·AES加密指 ·TurboBoost3 ·安全扩展 (SMAP/SGX/MPX） ·低功耗SpeedShift ·超标量 ·RISC内核 ·乱序执行 ·64bit ·超线程 ·深流水 ·TraceCache ·硬件虚拟化 令 ·AVX512 ·uOpFusion·AVX指令集 ·SSE Shuffle ·集成控制器 ·QPI ·大容量eDRAM ·大内存 ·SSE指令 P6(1995) NetBurst(2000) Core(2006) SandyBridge(2011) Skylake(2015) 以标准规范视角看处理器生态 计算机系统由一组紧密耦合、协同工作的软硬件标准规范定义 通过高质量实现一组标准规范，形成一个技术体系网络 指令集是核心规范之一，需与其他标准规范协同工作  数据格式标准：  GB18030，Unicode，IEEE754，JPEG，PNG，MPEG、H.264，H.265，……  应用软件层标准： XML，HTML，CSS，JSON，……  系统软件标准：  C11，C++17，ABI，SBI，POSIX，SQL， TCP/IP，UEFI，……  CPU芯片标准： ISA，DDR，AXI，PCIe，……  外围设备标准：  USB，SATA，Ethernet，WLAN，UART，RS232，I2C，Bluetooth，…… 标准规范实现代码 PCIe手册 AXI手册 ISA手册 三、新趋势：开源芯片 RISC-V：指令集应该免费 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，UCBerkeley开始开发一套开放免费的指令集RISC-V V.S. 开源、开放、共建、共享的处理器芯片生态 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 投入多，贡献大，则主导权大 处理器芯片产业发展的第三种模式 高铁模式：引进-吸收-消化-再创新 应对国内通用领域需求，量大面广 海光、海思、飞腾 北斗模式：完全自主构建技术体系 满足信创市场等国内专用领域 龙芯、申威 5G模式：制定开放标准，自研核心IP 共建国际生态，面向国际市场，提高国际竞争力 开芯院（RISC-V核心IP）、企业（RISC-V芯片产品） 来源：孙凝晖，开源芯片对处理器生态的影响，中国工程院战略咨询报告，2022.6 DavidPattersonRISC-V发明人之一图灵奖得主 关于RISC-V的五个谬误 谬误一：RISC-V是开源处理器，就像Linux是开源操作系统一样 RISC-V是一种开放标准，类比于以太网标准、USB标准扫码阅读 RISC-V国际基金会类比于制定以太网标准的IEEE802.3工作组全文 谬误二：选择成熟封闭式ISA比选择开放式RISC-V更安全可靠 封闭式ISA与公司命运绑定，若公司不景气，ISA就会消失，例如DECVAX、DECAlpha均已经绝迹 封闭式ISA并不代表稳定，如MIPS被卖给六家企业，ARM有三个东家，商业模式随不同东家而改变 谬误三：封闭式ISA没有碎片化的软件生态 ARMv1到ARMv7使用32位地址空间，ARMv8-A支持64位，但和ARMv8-M不兼容 谬误四：相比封闭式ISA，RISC-V的模块化会导致软件生态更碎片化 RISC-V已通过配置机制（Profile）规范化软件生态 谬误五：鉴于以上几点，RISC-V不可能成为主流ISA 技术上，RISC-V可以支持从嵌入式到超级计算机 商业上，更开放的标准更有生命力 L1——开源指令集（RISC-V指令集） L2——开源设计实现（香山、玄铁） L3——开源工具和开放流程(香山开发工具) 开源芯片的三个层次 3 微架构设计 指令集手册设计文档 工程开发 RTL代码 EDA工具 芯片版图 2 1 新一轮芯片设计产业变革浪潮 •RISC-V入选《MIT科技评论》2023年十大突破性技术 “芯片设计正走向开放，灵活、开源的RISC-V有望成为改变一切的芯片设计。” •每一轮技术变革，都将孕育新兴领军企业 《麻省理工科技评论》2023年“全球十大突破性技术”榜单： 一、詹姆斯·韦伯太空望远镜(JamesWebbSpaceTelescope)二、用于高胆固醇的CRISPR(CRISPRforhighcholesterol) 三、制作图像的AI(AIthatmakesimages)四、按需器官制作(Organsondemand) 五、远程医疗堕胎药(Abortionpillsviatelemedicine) 六、改变一切的芯片设计(Achipdesignthatchangeseverything)七、古代DNA分析(AncientDNAanalysis) 八、电池回收利用(Batteryrecycling) 九、必然到来的电动汽车(TheinevitableEV) 十、大规模生产的军用无人机(Mass-marketmilitarydrones) 四、RISC-V发展态势 RISC-V国际基金会快速发展 •已有全球70多个国家3100个会员 •2020年会员数增长133% •2021年会员数增长134% 芯片厂商(SoC,IP,FPGA) I/O设备相关(内存,网络,存储) 大学及科研机构芯片设计服务公司(芯片制造及设计服务)软件提供商(开发工具、框架及操作系统) 应用厂商(云端,移动端,高性能计算,机器学习,自动控制) RISC-V个人开发者及推广者 数据参考：https://riscv.org/wp-content/uploads/2021/08/RISC-V-Introduction-_-Aug-2021.pptx RISC-V国际基金会会员国别分布 •中美欧并驾齐驱，中美企业参与度更高 22个理事会成员 9个来自中国 4个发展伙伴 3个来自中国 高级会员：13/24 战略会员：45/179 学术组织：12/124 RISC-V国际基金会的中国力量（2022.9） 态势1：各国争相占领制高点 2022年9月8日，欧盟委员会发布《关于建立欧洲开源硬件、软件和RISC-V技术主权的建议和路线图》，目标为了维持欧洲在芯片领域的核心竞争优势 开源生态系统的技术路线图及九大优先发展方向 1.RISC-V处理器的代码仓库； 2.特定领域处理器架构的开源硬件； 3.开源硬件外围模块的代码仓库； 4.逻辑单元的开源实时互连； 5.系统集成互联； 6.特定领域加速器的软硬件框架； 7.工业级软件和工具； 8.方法论和EDA工具； 9.特定领域的示范应用，并确定了短期（2-5年）、中期（5- 10年）和长期（10年以上）发展目标的详细技术清单。 实施路径 •1.建立非营利组织来支持RISC-V研发和加速生态建设： 开发一个合规标准，以证明开源硬件解决方案的互操作性和工业成熟度；协调市场特定要求（例如，汽车或工业自动化领域的安全性）；由欧盟资助，对欧盟以外公司开放，以避免出现封闭的开源硬件IP集群。及实施教育措施。（2）在学术界和工业界之间建立IP交换系统。鼓励EDA供应商、设计和IP公司以及IC代工厂开创新的商业模式。 •2.实施教育措施：（1）以有效的方式向公众和行业宣传开源硬件的优势和意义。需要开发适当的教学材料和宣传活动。（2）向欧盟公共机构提供激励，包括大学和研究实验室，以促进研究人员为开源硬件开发做出更多贡献，同时在其职业发展中得到适当认可。开放硬件应该成为公共资助机构所有硬件开发的默认范式。 32 各国支持RISC-V的新举措 2022年6月，俄数字发展部部长：将大力扶持国产RISC-V处理器发展 俄联邦数字发展、通信与大众传媒部部长MaksutShadayev表示将为基于RISC-V架构的处理器开发提供大量资金支持 2022年4月，印度启动“数字印度RISC-V处理器”计划 印度电子和信息技术部(MeitY)加入RISC-V国际基金会成为高级会员 IndiatodayannouncesitsambitiousroadmapwithMinistryofElectronicsandITplanningtojointheRISC-VInternationalasPremiereBoardMembertocollaborate,contributeandadvocateIndia’sexpertisewithotherglobalRISC-Vleaders. 动态2：高性能RISC-V处理器开始涌现 •SiFiveP670 •对标ARMCortexA78 •主频3.4GHz@5nm •Venta