WAIC | RIOS实验室谭章熹:RISC-V——从开源芯片制造、EDA到处理器

WAIC | RIOS实验室谭章熹:RISC-V——从开源芯片制造、EDA到处理器
2021年07月23日 16:48 机器之心Pro

机器之心报道

机器之心编辑部

在 WAIC 2021 AI 开发者论坛上,RISC-V 国际开源 (RIOS) 实验室执行主任谭章熹发表主题演讲《RISC-V——从开源芯片制造、EDA 到处理器》。在演讲中,他提到未来将会有更多高性能的芯片产品通过开源方式制造,欢迎大家参与到开源硬件项目中,推动开源社区生态发展。

以下为谭章熹在 WAIC 2021 AI 开发者论坛上的演讲内容,机器之心进行了不改变原意的编辑、整理:

我今天演讲的主题是关于开源的,主要包括开源处理器、开源芯片,以及我们在未来五年内制作开源的整个产业链上的分享。我曾在 UC Berkeley 读书,导师是 RISC-V 的发明人 David Patterson。我之前在美国和中国做过公司并购、公司上市等工作。现在担任清华 - 伯克利 RISC-V 国际开源实验室执行主任。

RIOS 实验室简介

首先简单介绍一下 RIOS 实验室,这大概是一个为期五年的开源项目,它的模式实际上就是把在 UC Berkeley 做的 RISC-V 的开源项目延伸到世界各地。该实验室是由深圳市政府、清华、伯克利于 2019 年在深圳创立,2019 年底正式开幕。此外,该实验室还进行一些研究生招生的工作,包括硕士、博士的培养。RIOS 本身是未来五年内在 RISC-V 开源指令架构下做生态的无盈利组织,未来,RIOS 实验室要培养整个芯片制造,包括处理器制造相关的 100 多名人才。

下图中 Logo 所展示的是和 RIOS 实验室合作的国际开源组织,包括周边的粤港澳大湾区合作学校。RIOS 本身也是 RISC-V 国际基金会重要的核心组织,此外 RIOS 跟周边学校也有合作关系,在 RIOS 成立一年多的时间里,期间和国内外许多大企业进行了合作,国际上合作的公司包括谷歌、微软等,国内有中兴、华为、字节跳动等,我们和这些公司都在 RISC-V 方面有实质性的商业科研合作。

RIOS 实验室为什么选择建立在深圳?深圳是整个全电子产业链的中心,可以说是 RISC-V 蓬勃发展的理想之地。深圳有大量的开发人员;大量嵌入式系统的开发者;同时深圳政府对整个信息产业的支持也非常大。如果想要 RISC-V 能够发展的更好,将科研放在产业的源头是最好的选择。

微处理器、EDA 所遇到的困境

下图展示了对过去四十年微处理器(Microprocessor)数据统计。其中位于最顶层的是晶体管,虽然有摩尔定律支撑,但是研究者还在开发新的晶体管架构。从晶体管角度来讲,我们可以看到结果还是非常理想化的,可以认为摩尔定律还是有效的。从系统层面来讲,比如处理器的单线程性能,包括处理器的频率、处理器典型的功耗,以及 2005 年之后非常流行的多核处理器,最近到 2020 年左右,可以发现单线程 CPU 性能不会比原来更快。比如在英特尔购买的 CPU 不会比原来更快,时钟频率也不会更高,典型功耗也不会非常高。虽然大家开发 CPU 等处理器时使用多核,但是从可编程性、技术角度来讲多核本身也是有问题的。

整个芯片设计其实已经到了非常有意思的环节,为什么现在会有这么多的 AI 芯片公司、这么多定制化的芯片?下图不仅介绍了处理器,而且从处理器角度、从整个产业链出发,包括 EDA,还包括能够做芯片的产业链进行说明。

下图是从 DARPA 过去五十年的报告里摘取出来的。DARPA 是美国国防部著名研究机构,DARPA 每十年会对整个行业、系统进行统计和调查,比如图中所示是计算机的性能和做计算机的成本。摩尔早在五十年前就预测,五十年后摩尔定律可能会遇到瓶颈,如图中展示的平行线。以前通过通用计算,包括非常传统的半导体工艺发展的很好。但是到了 2022 年左右,从图中趋势可以看出,左边轴描述的是芯片性能,以前从处理器角度来讲叫浮点的性能(FLOPS),但是现在由于 AI 出现,评估计算机性能不再是 FLOPS 了,可能是一些新的东西。右边 Y 轴展示的是整个芯片在相应工艺的成本,可以看出,目前具有先进工艺的芯片,虽然性能有一些增长,但是对整个的成本,包括软件成本、硬件成本,EDA 成本,其实已经出现了非常大的拐点。DARPA 将这个拐点叫做「Moore’s Inflection point」,这个点出现的时候,我们可以思考一下,现在的技术未来是不是能够延续,使得技术得以继续发展。

RISC-V 开源生态

过去计算机是基于传统指令集冯 · 诺依曼架构,其中涉及最根本的概念叫做指令集架构。我们可以用一个类比来说明,即指令集架构相当于语言里的词汇,词汇是语言当中最基本的单元。我们可以看到过去 40、50 年出现的指令集架构,基本都是基于闭源的指令架构,它们都是由公司完全控制的架构,例如现在最常见的英特尔和 ARM 这两家公司。

我参与过 RISC-V 整个科研过程,2010 年我们在伯克利实验室开发了伯克利第五代开源指令集,它是完全开源、开放的架构,跟之前的指令集架构完全不同。

RISC-V 代表什么?首先 RISC-V 是完全免费、完全公开的标准;RISC-V 指令架构简单、是模块化的;此外,RISC-V 是非常容易增强(Enhance)的,比如说 RISC-V 有很多扩展指令集,同时,RISC-V 从开始设计的时候,并不只是做微控器,我们从小的计算机包括 IoT,到现在说的超级计算机都可以适用。

RISC-V 由社区维护,RISC-V 国际基金会组织位于瑞士,瑞士是一个非常中立的地方。另外,从 RISC-V 本身来讲,随着计算机的发展,尤其是涉及地缘政治,RISC-V 非常适合这个分化的时代。

RISC-V 从 2015 年开始建立基金会,到 2020 年、2021 年经历了非常漫长的发展过程,它的发展过程相当于一个指数级的发展。下面这张图来自 RISC-V 国际基金会对外宣传的公开资料。从整个 RISC-V 基金会会员来看,除了英特尔和 ARM 外,你能想到的很多企业都包含在这个基金会里面。RISC-V 基金会横跨 12 个行业,例如有做云的、有做 HPC 的,甚至还有做车载的等;还有 56 家研究机构以及涉及很多的服务(Services),还包括 85 家芯片厂商,甚至 OEM。RISC-V 基金会是非常全球化和国际化的,现在差不多有两千多名甚至更多的研究人员在推广 RISC-V。

RISC-V 发展历程

RISC-V 在过去十年内,经历了四个发展阶段:开始于 2010 年,这一阶段有技术报告放在网上供大家使用,从最简单的测试芯片开始;中间阶段 2017-2018 年,开始出现基于 RISC-V 微控器简单的设备;2019-2020 年期间,从产品角度来讲,有非常多的 IoT 产品出现,有一个报告指出,大概有 40% IoT 产品出现,比如视频产品都是用了 RISC-V 处理器,包括华为推出的 WIFI 产品都含有 RISC-V 处理器。2021 年之后,我们可以看到会有更多、更加复杂的 RISC-V 处理器产品,此阶段运行软件的复杂度远远高于之前的复杂度。

大家可能都认为 RISC-V 是 ARM 跟英特尔的廉价替代品,但是 RISC-V 并不是廉价的替代品,而是真正通过开源方式给大家提供没有限制、可以自由发挥的平台。

睿思芯科的产品就用了 RISC-V 扩展指令,其开发的产品蓝牙耳机就是低功耗场景应用。如果你通过开源架构进行重新设计、重新根据应用去定制的话,可以获得不少于 20%、30% 的提升,甚至是成倍的性能提升,未来 RISC-V 可以做 ARM 和英特尔做不了的事情。

下图是国外 Semico Research 做的预测:预测未来五年内 RISC-V 处理器数目可能呈指数级增长。保守预计到 2025 年,市场将消耗 624 亿个 RISC-V CPU 内核。

构建专用集成电路的三个组件

说到处理器,就不得不提完整的生态系统。如果我们要做 ASIC,不仅需要处理器、RTL Design,同时还需要 EDA 工具,而且还要有 Foundry PDK,这些技术在未来五年内都是结合在一起的。说到软件大家都非常熟悉,包括前端的 Java、C++ 等,中间的编译器可以生成不同的指令后端。

同样的在芯片设计领域也存在类似的 EDA 生态系统,只是所用语言不同,EDA 生态系统用的是 Verilog 语言、System Verilog 语言等,中间编译器用的是逻辑综合工具(Synthesis Tools)。

在软件方面,有开源软件如 GCC、VM 等,但是在未来五年内,包括业界看到的很多趋势,发现不仅是芯片 RISC-V 本身,还包括用到的 EDA、Foundry 等都会相应的进行开源。

这里简单介绍一下 Google 背后在支持的项目:OpenRoad,这是美国国防部重点项目。该项目的目的不仅是对处理器、IP 进行开源,同时也开源 EDA、Foundry。Foundry 在美国叫 Skywater,他们已经对 Foundry PDK 做了开源。

DARPA 同时也有一个叫 OpenRoad 项目,该项目在 Global Foundry、GF 12 纳米的工艺,从设计到最后的芯片流片,耗时 24 小时就把完整的流程跑完。我们认为到 2025 年包括芯片设计、EDA,以及现在用到的处理器 IP,将来都会是开源的。

PicoRio

在这种情况下,RIOS 做什么?RIOS 是非营利性机构。我们也意识到这个事情本身要有革命性的变化,不仅需要从处理器本身出发,包括处理器周边,包括一些非常高质量的开源项目也需要发展。

RIOS 遵循以前在 UC Berkeley 的传统,会有为期五年的开源项目。我们希望通过非盈利开源,能够引入更高质量的设计,不仅包括处理器的设计、IP 的设计,甚至对所有开源 EDA 等进行支持。真正提供给大家可用、可跑现代操作系统、现代软件,以及低代价、低功耗的系统平台。

PicoRio 有三个阶段:第一个阶段在今年 1 月份举行的 RISO 国际论坛上已经对外推出,已经可以做一些包括 Linux 等在内的开源软件,同时 PicoRio 也是开源的。现在 PicoRio 处于 2.0 阶段,之后随着 2.0、3.0 不断推进,PicoRio 可以进行处理器性能,以及引入各种各样新的 GPU 支持,支持更多的非常完整的软件环境。

我们的目的是通过整个开源平台,对 RISC-V 软件生态、硬件生态进行一定程度的探索。

我们是一个开源组织,所以做了很多开源工作。比如大家用的比较多的 Chrome 浏览器的重要组件 JavaScript 引擎和 RIOS 成员一起在 Google 里进行了开源。同时也开源了谷歌 Chrome OS 关于安全性的项目等。PicoRio 对最近比较主流的 Linux 分布式,比如 Gentoo Linux 贡献也非常大。在整个软件生态里,实际上我们已经通过开源产生了一定的影响力。

最重要的一点是 PicoRio 的硬件平台,这里有一些开源链接,大家可以自行查看。

说到开源的 PDK,Google 和 SkyWater 在 GitHub 上通过完全开源的方式,已经可以对接全世界的设计。这对开源生态来说是非常重要的信息。

今年 Google 赞助了差不多 6 到 12 个流片,其中一半流片是免费的,一半不免费。你可以用这些完全开源的工具,把自己的代码放在 GitHub 上,由 Google 来支持这些流片(tape-out)。这对那些想尝试一些新东西、新架构的研究者来说是非常有意思的。

在和 Google 的合作过程中,可以看到我们在社区里的活跃程度比去年提高很多,去年大约有 50 多个项目,而现在已经上升到了大约上百个项目,预计在明年会有上千个项目,这一发展过程对未来具有非常大的冲击力。

今年会有 PicoRio2.0 在 SkyWater、130 纳米的工艺下做开源工具,使用开源的 EDA,包括开源的代工厂(Fab)进行流片。说到 130 纳米工艺可能感觉技术略显过时,但是现在我们看到在 pipeline 里的 Foundry,除了 TSMC 以外,其他几家公司都拥抱开源工具。未来到 2025 年,将会有更多高性能的芯片产品出现,而这些芯片都是通过开源方式做出来的,给整个行业带来非常大的变化。

最后,我们是开源的社区、开源的组织,非常希望大家能够参与到开源项目的贡献中来,参与整个开源发展。

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