開源成為芯片設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)

近來，越來越多的芯片開源項(xiàng)目引起了大家的關(guān)注。開源指令集RISC-V的旗艦公司SiFive剛完成5000萬美元的新一輪融資，而Nvidia的開源NVDLA則宣布與ARM進(jìn)行深度合作，將進(jìn)入ARM的Trillium人工智能硬件平臺(tái)。開源是否會(huì)成為下一代芯片設(shè)計(jì)的新范式？

傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)模式的痛點(diǎn)

一直以來，硅工和碼農(nóng)孰優(yōu)孰劣都是一個(gè)很有趣的話題，其實(shí)類似討論的背后也反映出了軟件行業(yè)和芯片行業(yè)的區(qū)別。軟件行業(yè)有“不要重新發(fā)明輪子”的說法，因?yàn)檐浖袠I(yè)可以方便地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)復(fù)用，之前設(shè)計(jì)的代碼可以方便地使用到新的設(shè)計(jì)中。而開源項(xiàng)目的出現(xiàn)更是加快了軟件行業(yè)的開發(fā)周期，因?yàn)楣局恍枰阎饕械秸w項(xiàng)目中最核心的那部分就行，其他的周邊都可以用開源代碼完成，避免了反復(fù)勞動(dòng)，大大提升了效率。開源不僅對(duì)公司有利，對(duì)于整體工程師社區(qū)也很有幫助，因?yàn)楣こ處熆梢杂脴I(yè)余時(shí)間去做開源項(xiàng)目，這樣能大大開闊其技術(shù)視野并緊跟技術(shù)前沿潮流，并且通過開源項(xiàng)目可以與其他工程師交流。因此，我們看到的軟件行業(yè)是一個(gè)快速實(shí)施，快速迭代且工程師社區(qū)相當(dāng)健全的行業(yè)，這一切都離不開開源項(xiàng)目的支持。

芯片行業(yè)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是這樣。與軟件項(xiàng)目相比，芯片設(shè)計(jì)出了bug很難有補(bǔ)救的機(jī)會(huì)，因此每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證都要付出很大代價(jià)，這也讓開源項(xiàng)目在傳統(tǒng)芯片行業(yè)難以找到位置。設(shè)計(jì)復(fù)用的概念一般僅存在于同一家公司之中，根本不存在軟件行業(yè)這樣的全行業(yè)設(shè)計(jì)復(fù)用，因此新公司成立時(shí)往往要首先自己把輪子造一遍，這就大大降低了芯片設(shè)計(jì)行業(yè)的整體效率。

在過去的十幾年里，半導(dǎo)體芯片行業(yè)的趨勢(shì)還是打造一個(gè)能兼容大部分應(yīng)用的大一統(tǒng)平臺(tái)（例如PC時(shí)代的Intel處理器以及移動(dòng)時(shí)代的Qualcomm Snapdragon），并且該平臺(tái)隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)能跟上應(yīng)用的需求。打造通用平臺(tái)式大芯片的廠商通常是半導(dǎo)體巨頭，整個(gè)公司都圍繞一兩款核心產(chǎn)品，而且有雄厚的實(shí)力能支持基礎(chǔ)模塊的獨(dú)立研發(fā)和維護(hù)， 因此設(shè)計(jì)復(fù)用不是大問題。然而，隨著摩爾定律接近尾聲，這樣的通用型平臺(tái)芯片的性能已經(jīng)難以改進(jìn)，難以跟上應(yīng)用需求的不斷進(jìn)步。取而代之的是異構(gòu)計(jì)算的模式——針對(duì)每個(gè)應(yīng)用都有專門優(yōu)化的從底層硬件到上層軟件接口設(shè)計(jì)，從而保證用底層芯片和硬件級(jí)設(shè)計(jì)上的更新（而不是靠半導(dǎo)體工藝的革新）來跟上應(yīng)用需求的提升。

這樣一來，整個(gè)芯片市場(chǎng)就不再是圍繞一兩款核心芯片平臺(tái)展開，而是會(huì)成為一個(gè)長(zhǎng)尾市場(chǎng)，各路小公司紛紛出現(xiàn)占領(lǐng)各種應(yīng)用市場(chǎng)，而大公司也不能再圍繞一兩款產(chǎn)品而必須拉長(zhǎng)戰(zhàn)線開發(fā)各類產(chǎn)品。物聯(lián)網(wǎng)就是一個(gè)典型的此類市場(chǎng)，對(duì)于功耗的嚴(yán)格限制使得效率較低的通用平臺(tái)無法滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，而取而代之的是為各種應(yīng)用量身定做的芯片。因此，傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)流程中的設(shè)計(jì)復(fù)用問題在摩爾定律走到瓶頸的時(shí)候就成了一個(gè)大問題，如何在設(shè)計(jì)定制化芯片的時(shí)候盡可能復(fù)用之前已經(jīng)有人做過的設(shè)計(jì)，而只在核心要點(diǎn)上做定制以減小設(shè)計(jì)成本加速上市時(shí)間成了半導(dǎo)體公司的痛點(diǎn)，尤其是資源非常有限的小公司?？梢哉f，在異構(gòu)計(jì)算的時(shí)代，能滿足市場(chǎng)各種細(xì)分需求的半導(dǎo)體小公司將成為整個(gè)半導(dǎo)體生態(tài)中非常重要的一環(huán)。這些小公司猶如森林里的灌木叢，雖然不像巨頭一樣是半導(dǎo)體行業(yè)的標(biāo)志性蒼天巨木，但是整個(gè)森林生態(tài)能否繁榮卻很大程度上取決于灌木叢能否健康生長(zhǎng)。而現(xiàn)在的開源芯片，就是這些灌木叢的養(yǎng)料——可以說，開源芯片生態(tài)有可能是決定未來半導(dǎo)體行業(yè)能否繼續(xù)繁榮的關(guān)鍵！

開源芯片項(xiàng)目的歷史

開源芯片項(xiàng)目的歷史其實(shí)已經(jīng)很久了。早在1999年，OpenCores就開始了一系列開源芯片項(xiàng)目，包括OpenRISC，Wishbone等等。然而，開源芯片項(xiàng)目其實(shí)也是有門檻的，項(xiàng)目的參與度和成熟度一定要過了某個(gè)閾值才能獲得廣泛認(rèn)可進(jìn)入正循環(huán)。這是因?yàn)樾酒坏┝髌笥衎ug修正起來的成本就很高，因此如果開源項(xiàng)目的成熟度不高，那么公司寧可讓自己的員工重新做設(shè)計(jì)，也不會(huì)去冒險(xiǎn)使用開源設(shè)計(jì)。這就要求開源芯片項(xiàng)目必須有一個(gè)強(qiáng)有力的組織在背后提供足夠支持，包括代碼的仿真驗(yàn)證甚至流片驗(yàn)證等等，而之前的開源項(xiàng)目始終沒有能跨過這樣一個(gè)門檻，因此沒有得到廣泛應(yīng)用，更不用說形成生態(tài)了。

RISC-V：新一代開源芯片項(xiàng)目的典范

RISC-V是加州大學(xué)伯克利分校開源的處理器指令集項(xiàng)目，項(xiàng)目的背后主導(dǎo)者是David Patterson，是RISC指令集的開創(chuàng)者之一，也是微處理器架構(gòu)領(lǐng)域的宗師級(jí)人物。Patterson教授深感芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的低效率以及社區(qū)建設(shè)不成熟，于是將在伯克利開發(fā)的第五代RISC指令集作為開源項(xiàng)目推出（RISC-V中的V是羅馬數(shù)字五，指的就是第五代RISC）。更重要的是，RISC-V項(xiàng)目是迄今為止芯片領(lǐng)域最認(rèn)真的開源項(xiàng)目，其前前后后都經(jīng)過深思熟慮，為了推廣生態(tài)成了的RISC-V基金會(huì)獲得了業(yè)界廣泛支持也匯集了諸多資源，項(xiàng)目的質(zhì)量遠(yuǎn)高于之前的開源芯片項(xiàng)目，因此目前已經(jīng)取得了很大成功。

首先，RISC-V核心開源項(xiàng)目并不是一個(gè)具體的軟硬核，而是指令集。指令集是一個(gè)很好的開源目標(biāo)。因?yàn)橹噶罴瘜?duì)于處理器來說至關(guān)重要，但是又不直接設(shè)計(jì)具體實(shí)現(xiàn)，因此用戶有很多靈活性，可以很輕松地在開源指令集的基礎(chǔ)上做自己的定制。另一方面，指令集較為抽象，驗(yàn)證較容易，有成熟的性能仿真工具，不需要使用復(fù)雜的EDA工具就可以參與。而且目前來看，業(yè)界對(duì)于開源指令集確實(shí)是有非常強(qiáng)的需求。ARM和x86作為兩套商業(yè)的指令集并不開源，但是隨著物聯(lián)網(wǎng)和異構(gòu)計(jì)算的快速發(fā)展，半導(dǎo)體業(yè)界會(huì)需要大量低成本高質(zhì)量且設(shè)計(jì)靈活的處理器核，這樣RISC-V的指令集就滿足了這些新的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。RISC-V社區(qū)以指令集為核心，還開發(fā)了一系列衍生的開源項(xiàng)目，包括使用RISC-V指令集的開源軟核，乃至一些周邊互聯(lián)IP等等。

另外，RISC-V抓住了核心指令集，可以快速推進(jìn)生態(tài)。RISC-V組織提供經(jīng)過驗(yàn)證的開源指令集， 如果需要硬件實(shí)現(xiàn)可以有入門級(jí)的免費(fèi)開源芯片設(shè)計(jì)，也可以有高質(zhì)量經(jīng)過流片驗(yàn)證的硬軟核IP，從而整個(gè)行業(yè)各取所需。例如大公司出于版權(quán)和時(shí)間考量沒有自己的指令集，但是有資源設(shè)計(jì)具體處理器核并做一些定制，因此可以用指令集而用公司資源設(shè)計(jì)電路。中小公司需要硬軟核，可以根據(jù)需求使用簡(jiǎn)單開源核或者付費(fèi)使用一些高級(jí)核心。IP公司可以提供RISC-V軟硬核設(shè)計(jì)而獲利。這樣整個(gè)生態(tài)環(huán)境能能搭建起來。我們目前已經(jīng)看到了許多大公司在使用RISC-V指令集（包括Nvidia這樣的巨頭），也看到了基于RISC-V做設(shè)計(jì)或提供IP的初創(chuàng)公司如雨后春筍一般出現(xiàn)。

可以說目前RISC-V生態(tài)已經(jīng)初見雛形，未來發(fā)展空間巨大，RISC-V可望被應(yīng)用在從IoT到高性能計(jì)算在內(nèi)的各種場(chǎng)景中。例如，RISC-V一個(gè)重要的應(yīng)用場(chǎng)景就是IoT中的MCU。隨著IoT終端設(shè)備的快速普及，相關(guān)的MCU需求量也隨之上升，而且MCU指令位寬也處于轉(zhuǎn)到32-bit的潮流中。相比于傳統(tǒng)的基于ARM核心的32-bit MCU，基于RISC-V的32-bit MCU無需支付授權(quán)費(fèi)用，因此成本可以做到更適合IoT。另外，隨著邊緣計(jì)算的流行，基于RISC-V的MCU可擴(kuò)展性更好，可以較容易地加入邊緣計(jì)算特性，這一點(diǎn)也成為了RISC-V MCU的一大亮點(diǎn)。未來如何在指令集中加入矢量計(jì)算、深度學(xué)習(xí)加速等和邊緣計(jì)算相關(guān)的新特性并將其標(biāo)準(zhǔn)化將是RISC-V生態(tài)社區(qū)中的重要事件，甚至?xí)Q定未來MCU等相關(guān)處理器的格局。

之前RISC-V旗艦企業(yè)SiFive獲得5000萬美金風(fēng)險(xiǎn)投資，而在SiFive投資人名單中，剛在美國(guó)上市的華米作為領(lǐng)投方赫然在列。這也說明了以華米為代表的IoT類消費(fèi)電子公司對(duì)于RISC-V體系的押注：他們重金投資SiFive，并不僅僅是為了從SiFive那里獲得MCU芯片或處理器IP，更關(guān)鍵的是能獲得RISC-V生態(tài)中的話語權(quán)，從而對(duì)于IoT類消費(fèi)電子中舉足輕重的MCU市場(chǎng)施加自己的影響，其戰(zhàn)略眼光可謂深遠(yuǎn)。而隨著華米等消費(fèi)電子廠商的入局，RISC-V也將會(huì)與終端市場(chǎng)結(jié)合更緊密，真正走入各大電子產(chǎn)品中。

除了SiFive之外，RISC-V生態(tài)中的整個(gè)生態(tài)鏈上其他公司的發(fā)展也很不錯(cuò)。如前所述，RISC-V開發(fā)生態(tài)鏈上分為幾類公司：第一類公司是用RISC-V作為SoC中的控制或處理器模塊，或者說是用RISC-V架構(gòu)開發(fā)IP給自己用；第二類公司是用RISC-V做處理器／MCU芯片，RISC-V是其處理器／MCU芯片的主要部分；第三類公司是做基于RISC-V的IP并授權(quán)給其他公司使用。第一類公司中，有Nvidia（使用RISC-V指令集做下一代GPU上的周邊微控制器Falcon），西數(shù)（計(jì)劃在下一代近存儲(chǔ)計(jì)算芯片中使用RISC-V核，并宣布預(yù)計(jì)每年將出貨10億片以上使用RISC-V的芯片）這樣的巨頭，也有OURS（使用RISC-V和LiDAR集成在一塊SoC上）這樣的后起之秀。

第二類公司中，有Greenwaves這樣采用多核RISC-V做高效率邊緣計(jì)算MCU的初創(chuàng)公司，而且預(yù)計(jì)未來會(huì)有更多使用RISC-V MCU的初創(chuàng)公司進(jìn)入市場(chǎng)，因?yàn)樵贛CU這樣對(duì)于成本非常敏感的市場(chǎng)，RISC-V的開源無授權(quán)費(fèi)相對(duì)于ARM是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。第三類公司包括Microsemi，CEVA，Andes等公司，它們都已經(jīng)發(fā)布了基于RISC-V的IP。我們預(yù)期在2018年，市場(chǎng)上就能看到許多使用RISC-V的芯片產(chǎn)品，而且在接下來的數(shù)年內(nèi)RISC-V將會(huì)在一些細(xì)分應(yīng)用（如低成本32-bit MCU）中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

最后必須指出的是，RISC-V對(duì)于中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)來說也是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。處理器對(duì)于中國(guó)來說一直是一塊短板，因?yàn)樘幚砥餍枰L(zhǎng)期的技術(shù)積累，所以雖然這幾年中國(guó)半導(dǎo)體可以說是突飛猛進(jìn)，但是之前在處理器領(lǐng)域的落后卻不是一朝一夕能追上的。所以即使到了今天，中國(guó)仍然沒法拿出一款令人滿意的具有完整知識(shí)產(chǎn)權(quán)的處理器，知識(shí)產(chǎn)權(quán)仍然主要掌握在Intel，ARM等巨頭手里。而隨著RISC-V開源處理器的出現(xiàn)，所有人在RISC-V領(lǐng)域都處于同一起跑線上，因此中國(guó)公司和科研機(jī)構(gòu)完全有機(jī)會(huì)利用開源的RISC-V做出具有完整知識(shí)產(chǎn)權(quán)而且性能處于全球領(lǐng)先地位的處理器，從而令中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的版圖能填補(bǔ)上處理器的空白?？上驳氖?，在RISC-V基金會(huì)中，我們看到了華為，中科院計(jì)算所等來自中國(guó)的公司和機(jī)構(gòu)的身影，我們希望未來中國(guó)力量在RISC-V生態(tài)中產(chǎn)生舉足輕重的作用！

NVDLA：芯片巨頭構(gòu)建開源生態(tài)的一次嘗試

Nvidia在去年公布了開源項(xiàng)目NVDLA，這個(gè)項(xiàng)目是面向終端SoC的深度學(xué)習(xí)推理（inference）加速IP。近年來，Nvidia在人工智能領(lǐng)域獲得了巨大的成功，時(shí)至今日人工智能事實(shí)上已經(jīng)成為了Nvidia股價(jià)的支撐點(diǎn)。然而，Nvidia的GPU雖然在云端人工智能應(yīng)用中獲得了巨大成功，但是在移動(dòng)終端卻始終乏力。在移動(dòng)端最大的手機(jī)市場(chǎng)，Nvidia的Tegra系列SoC始終沒法打開局面，只能眼睜睜看著手機(jī)人工智能芯片市場(chǎng)被傳統(tǒng)ARM Mali以及新一代寒武紀(jì)NPU等占領(lǐng)；在手機(jī)端之外的無人機(jī)、安防攝像頭等應(yīng)用場(chǎng)景，Nvidia雖然發(fā)布了TX系列，但是其高昂的售價(jià)以及較高的功耗（10W左右）始終在限制Nvidia在移動(dòng)端的占有率。另一方面，移動(dòng)端人工智能的市場(chǎng)需求是巨大的，Nvidia不去占領(lǐng)就會(huì)有其他公司去占領(lǐng)，所以我們看到了許多面向終端人工智能的芯片初創(chuàng)公司在近幾年紛紛出現(xiàn)。

在這樣一種情況下，Nvidia并沒有和移動(dòng)端的其他公司硬杠，而是發(fā)布了開源NVDLA供大家免費(fèi)試用，從而把自己的生態(tài)蔓延到移動(dòng)端。Nvidia如果想親自占領(lǐng)每一個(gè)終端芯片市場(chǎng)，就必須增設(shè)多條產(chǎn)品線（攝像頭，語音，智能家電…），每款芯片在擁有深度學(xué)習(xí)加速的同時(shí)還要兼容這些芯片的原有功能，另外還要面臨這些市場(chǎng)里的原有芯片公司的競(jìng)爭(zhēng)， 反而無法集中精力把自己最擅長(zhǎng)的深度學(xué)習(xí)加速做好。Nvidia的思路是既然自己沒有辦法照顧到每個(gè)移動(dòng)端市場(chǎng)，那么不妨開源IP，讓有需要的SoC廠商自己去按照需求修改。使用IP不用付費(fèi)，但是歸根到底還是會(huì)使用Nvidia生態(tài)下的其他工具，例如用CUDA去編寫程序，用TensorRT去優(yōu)化深度學(xué)習(xí)模型等等。事實(shí)上，Nvidia只求能把生態(tài)覆蓋到移動(dòng)端，至于是否要在移動(dòng)端收費(fèi)并不重要——反正你在Nvidia的生態(tài)環(huán)境中早晚是要付真金白銀給Nvidia的。

而且這么一來，和很多廠商就能化干戈為玉帛，本來會(huì)成為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的廠商現(xiàn)在反而會(huì)和Nvidia結(jié)成同盟。ARM就是一個(gè)很好的例子，如果Nvidia自己做移動(dòng)端勢(shì)必和ARM是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，但是現(xiàn)在Nvidia開源了NVDLA，于是就和ARM成了合作關(guān)系，NVDLA還進(jìn)入了ARM的Trillium人工智能平臺(tái)，由ARM幫忙站臺(tái)宣傳。

結(jié)語

開源芯片項(xiàng)目是未來芯片設(shè)計(jì)行業(yè)的重要趨勢(shì)，因?yàn)樗鼜谋举|(zhì)上解決了芯片設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)無法復(fù)用的效率問題。開源項(xiàng)目一旦背后有足夠的支持，就能實(shí)現(xiàn)足夠好的品質(zhì)，從而被廣泛使用并進(jìn)入正循環(huán)。RISC-V和NVDLA是兩個(gè)重要的開源芯片項(xiàng)目的例子。RISC-V開源了以指令集為核心的一系列IP，在RISC-V基金會(huì)的幫助下成功建立了自己的生態(tài)，預(yù)期在未來的異構(gòu)計(jì)算和IoT領(lǐng)域都會(huì)得到廣泛應(yīng)用。NVDLA則是Nvidia使用生態(tài)打法覆蓋移動(dòng)端的嘗試，可謂是四兩撥千斤，用一個(gè)開源IP就能將眾多移動(dòng)端SoC廠商納入自己的生態(tài)中。我們希望在未來看到更多這樣高質(zhì)量的開源芯片項(xiàng)目，從而為芯片設(shè)計(jì)行業(yè)帶來新的發(fā)展方向。

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