唐丹-推动开源芯片生态发展

1 .构建开源芯片技术体系 推动开源芯片生态发展 唐丹 2023-3-26 

2 . 汇报大纲 一、RISC-V与开源芯片 二、 “一生一芯”人才培养计划 三、开源EDA工具 四、高性能开源RISC-V处理器核IP 五、总结 

3 . （一） RISC-V与开源芯片 

4 . 处理器芯片的战略意义 • 2020年进口5435亿个集成电路，进口额高达 • 处理器芯片是电子设备的“大脑”，支撑了占我 3500亿美元，成为我国第一大进口商品，远超 国GDP约1/6的信息产业 石油（1763亿美元）、铁矿（1189亿美元） • 处理器技术体系是有技术标准和知识产权将器件、 • 其中处理器芯片占比达到48.8%，进口超过 IP核、SoC芯片、EDA软件、系统软件和应用软 1700亿美元 件等联系在一起的技术整体 

5 . 指令集是处理器芯片生态的基石 ⚫ 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标准规范 指令集可类比于螺母和 螺钉的尺寸规范 

6 . 指令集→芯片版图 ⚫ 芯片设计：将指令集手册定义的功能，变成源代码 ⚫ 芯片制造：将版图提交给台积电/中芯国际等企业流片，然后封 装、测试，获得芯片 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 

7 . 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，UC Berkeley开 始开发一套开放免费的指 V.S. 令集RISC-V 

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

9 . RISC-V v.s. 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 

10 . RISC-V v.s. X86/ARM：模块化 ⚫ 实现一个X86/ARM处理器，需实现所有上千条指令，复杂度极高 ⚫ RISC-V指令集采用模块化设计 ⚫ 必要的RV32I只有47条指令 64位 特权 乘除 ⚫ 其余指令可选扩展 基础 ⚫ 可根据需求自由组合，灵活适配 原子 向量 ⚫ 嵌入式(处理器成本) – RV32I 基础 压缩 ⚫ 嵌入式(存储器成本) – RV32IC 浮点 ⚫ 桌面 – RV64GC ⚫ 高性能 – RV64GCV ⚫ 支持自定义指令 64位 基础 RISC-V常用的可选扩展，可适配从嵌入式到高性能的各种场景 

11 .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 

12 . RISC-V国际基金会快速发展（总部位于瑞士） 2500 • 已有全球70多个国家3200个会员 2000 • 2020年会员数增长133% 1500 • 2021年会员数量再度翻倍 芯片厂商 (SoC, IP, FPGA) I/O设备相关 (内存, 网络, 存储) 1000 大学及科研机构 芯片设计服务公司 (芯片制造及设计服务) 500 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 0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 2016 2016 2016 2016 2017 2017 2017 2017 2018 2018 2018 2018 2019 2019 2019 2019 2020 2020 2020 2020 2021 2021 2021 2021 2022 数据参考：https://riscv.org/wp-content/uploads/2021/08/RISC-V-Introduction-_-Aug-2021.pptx 

13 . RISC-V国际基金会的中国力量（2022.12） ⚫ 高级会员：14/25 ⚫ 22个理事会成员 ⚫ 4个发展伙伴 ⚫ 战略会员：46/179 ⚫ 10个中国 ⚫ 3个来自中国 ⚫ 学术组织：12/127 

14 .新态势Ⅰ：高性能RISC-V处理器核进入竞赛阶段 • RISC-V处理器核与X86/ARM在性能 上存在差距，但正在快速缩小 • 当前SiFive和Ventana具备一定优势 • 香山处理器核进展迅速 • RISC-V国际基金会已成立数据中心 工作组，主要由google、阿里、 Ventana和开源芯片研究院组成 

15 . 新态势Ⅱ：RISC-V软件生态正在加速发展 • 国际开源社区积极投入RISC-V软件生态 • 例：Debian操作系统软件包对RISC-V的支持已超过95% RISC-V已成为Debian支持的Tier-1架构 

16 . 开源软件的成功经验 ⚫ 降低互联网创新的门槛 ⚫ 3-5位开发人员用几个月即可快速开发创新业务，滴滴、摩拜等 ⚫ 提高互联网企业自主能力 ⚫ “去IOE”(IBM/Oracle/EMC) ⚫ 数据库：华为高斯/阿里OceanBase，国际先进 用户定制代码 < 10% LAMP/MEAN etc. > 90% 代码 

17 . ⚫ L1——开源指令集 开源芯片 ⚫ L2——开源设计实现 ⚫ L3——开源工具和开放流程 3 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 1 2 

18 . 开源芯片实践（人才+工具+IP） OpenSSD芯片 开源EDA “一生一芯”计划 工具链 与鹏城实验室、北京大学 联合开发 开源供应链 与系统软件 芯片敏捷设计 开源RISC-V核 云平台 与字节跳动、微核芯等 企业联合开发 

19 . （二） “一生一芯”人才培养计划 

20 . 我国优秀处理器芯片人才储备严重不足 ⚫ 85% v.s. 4%：2008-2017十年体系结构国际顶级会议ISCA论文的 第一作者85%在美国，仅有4%在中国，不足美国的1/20，差距巨大 ⚫ 中国加快处理器芯片人才培养规模与速度，迫在眉睫 一作国籍 毕业去向 ISCA十年论文第一作者统计情况(2008-2017) 

21 . 科教融合 ⚫ 把芯片设计人才培养与开源芯片生态构建结合起来 ⚫ 受Matlab启发的四个观点 ⚫ 把东西做出来 ⚫ 把东西用起来 ⚫ 把教学场景用起来 ⚫ 把持久战意识树立起来 

22 . 教学：启动“一生一芯”计划 ⚫ 硅上做教学：“一生一芯”通过让本科生设计处理器芯片并完成流 片、运行操作系统，贯通本科阶段计算机系统课程知识点，包括计 算机组成原理、体系结构、操作系统、编译原理等 应用软件 操作系统 编译原理 处理器设计 

23 . “一生一芯”计划执行情况 ⚫ 自2019年至今已历三期，循序渐进，逐步放大规模，保持教学质量 ⚫ 第四期： 2022年2月20日启动 ⚫ 第五期：2022年8月28日启动 第四期(统计至今) ⚫ 1700+人报名开展预学习 ⚫ 覆盖328所高校 （含国外56所） ⚫ 第一批230人进入正式学习 

24 . 首期“一生一芯”计划 ——让学生带着自己设计的处理器芯片毕业 ⚫ 2019年8月底，在国内首次以流片为目标，由5位2016级计算机学院本科生 主导完成一款64位RISC-V处理器SoC芯片设计，于12月19日完成流片 ⚫ 芯片成功运行Linux操作系统与国科大教学操作系统UCAS-Core 金越 王华强 王凯帆 张林隽 张紫飞 

25 . 4个月高强度开发历程 12/13 14:26 11/21 17:31 12/10 16:26 11 11/18 22:57 12 login 9 10 月 月 10/21 18:28 月 hello Redis 月 GCC, QEMU 应用 10/19 13:21 11/18 10:39 Busybox Debian 分时多任务Nanos-lite 前期准备 xv6 Linux OS FreeRTOS/RT-Thread 压缩指令 时钟 支持RVC的 M/S/U特权级 缺页 补充CSR/ RV64IM xv6联调 Debian联调 (RVC) 中断 分支预测 原子操作(RVA) 异常 Linux联调 CPU Sv32-PTW TLB Sv39- Sfence TLB流水化 xv6联调 TLB资源/ PTW .vma 时序优化 发现cache 分析预取性能 添加burst读 分析解决 确定技术路线 L1 cache预取 L2预取 设计bug 倒退原因 写支持作为L2 性能倒退 SoC 接入SPI Flash控制器开源IP核 验证UART开源IP核 验证ETHMAC开源IP核 选择基础平台 并进行访问和取指验证 验证SDRAM控制器开源IP核 发现SDRAM控制器64位数据读写bug 11/10 13:07 12/08 16:27 搭建开发环境 09/18 01:07 10/19 19:08 hello GCC, QEMU 11/13 21:29 FreeRTOS/ Busybox Debian xv6 RT-Thread Linux 王华强 Linux 项 RV64 RVC Sv39- M/S/U RVA 张紫飞 Dummy 模拟器 IM 时钟 PTW 缺页异常 补充CSR 目 张林隽 -SD卡 分 金越 工 王凯帆 

26 . 成果：果壳（NutShell） 一款功能完整的RISC-V处理器 基于国产110nm工艺完成流片 ⚫ 单发射9级流水顺序核 ⚫ RV64IMAC指令集，支持M/S/U特权级 ⚫ 两位饱和计数器分支预测，512项BTB，16项RAS ⚫ 支持Sv39分页机制, 支持硬件TLB填充 ⚫ 32K指令/数据L1 cache ⚫ 支持L1 指令/数据cache读一致性 ⚫ 128K L2 cache，支持next line预取 ⚫ 使用Chisel语言开发 ⚫ 支持SDRAM 、SPI flash、UART等外设 ⚫ 110nm工艺 ⚫ 支持启动Linux 4.18.0内核 ⚫ 10mm2 ⚫ 支持运行Busybox套件 ⚫ 200mw@350MHz Typical ⚫ 在仿真/FPGA环境下支持启动Debian 11 ⚫ TQFP100封装 

27 . 首期“一生一芯”计划取得成功 ⚫ 五位同学实现“带着自己设计的处理器芯片毕业”这一目标 

28 . 第二期“一生一芯”计划 ⚫ 11位同学 ⚫ 5位国科大、3位浙大、1位南大、 1位西北工大、1位哈工大 ⚫ 2020年8月12日正式启动 ⚫ 杨宇恒同学被麻省理工学院（MIT） 博士全奖录取 ⚫ 胡博涵同学被多伦多大学录取 

29 . 第三期报名情况 ◼报名总数：760人 ◼ 在校生是“一生一芯”的主力，共 625人，占比82%；较多已毕业学生报名 ◼ 覆盖168所高校（含国外30所） ◼ 国科大（72人） ◼ 浙江大学（29人） ◼ 电子科技大学（24人） ◼ 华中科技大学（23人） ◼ 东南大学（23人） ◼ 西安电子科技大学（20人） ◼ 南京大学（16人） ◼ 北京大学（15人） ◼ ……