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。開源是否會成為下一代芯片設(shè)計的新范式？

傳統(tǒng)芯片設(shè)計模式的痛點(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)計復(fù)用，之前設(shè)計的代碼可以方便地使用到新的設(shè)計中。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，大大提升了效率。開源不僅對公司有利，對于整體工程師社區(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)計出了bug很難有補(bǔ)救的機(jī)會，因此每個模塊的設(shè)計和驗(yàn)證都要付出很大代價，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)計復(fù)用，因此新公司成立時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)的趨勢還是打造一個能兼容大部分應(yīng)用的大一統(tǒng)平臺（例如PC時代的Intel處理器以及移動時代的Qualcomm Snapdragon），并且該平臺隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)能跟上應(yīng)用的需求。打造通用平臺式大芯片的廠商通常是半導(dǎo)體巨頭，整個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)計算的模式——針對每個應(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，從而保證用底層芯片和硬件級設(shè)計上的更新（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，整個芯片市場就不再是圍繞一兩款核心芯片平臺展開，而是會成為一個長尾市場，各路小公司紛紛出現(xiàn)占領(lǐng)各種應(yīng)用市場，而大公司也不能再圍繞一兩款產(chǎn)品而必須拉長戰(zhàn)線開發(fā)各類產(chǎn)品。物聯(lián)網(wǎng)就是一個典型的此類市場，對于功耗的嚴(yán)格限制使得效率較低的通用平臺無法滿足物聯(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)計流程中的設(shè)計復(fù)用問題在摩爾定律走到瓶頸的時候就成了一個大問題，如何在設(shè)計定制化芯片的時候盡可能復(fù)用之前已經(jīng)有人做過的設(shè)計，而只在核心要點(diǎn)上做定制以減小設(shè)計成本加速上市時間成了半導(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)計算的時代，能滿足市場各種細(xì)分需求的半導(dǎo)體小公司將成為整個半導(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。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，也不會去冒險使用開源設(shè)計。這就要求開源芯片項(xiàng)目必須有一個強(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)域的宗師級人物。Patterson教授深感芯片設(shè)計領(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)目并不是一個具體的軟硬核，而是指令集。指令集是一個很好的開源目標(biāo)。因?yàn)橹噶罴瘜τ谔幚砥鱽碚f至關(guān)重要，但是又不直接設(shè)計具體實(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)計算的快速發(fā)展，半導(dǎo)體業(yè)界會需要大量低成本高質(zhì)量且設(shè)計靈活的處理器核，這樣RISC-V的指令集就滿足了這些新的設(shè)計趨勢。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)可以有入門級的免費(fèi)開源芯片設(shè)計，也可以有高質(zhì)量經(jīng)過流片驗(yàn)證的硬軟核IP，從而整個行業(yè)各取所需。例如大公司出于版權(quán)和時間考量沒有自己的指令集，但是有資源設(shè)計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)計電路。中小公司需要硬軟核，可以根據(jù)需求使用簡單開源核或者付費(fèi)使用一些高級核心。IP公司可以提供RISC-V軟硬核設(shè)計而獲利。這樣整個生態(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到高性能計算在內(nèi)的各種場景中。例如，RISC-V一個重要的應(yīng)用場景就是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算、深度學(xué)習(xí)加速等和邊緣計算相關(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)險投資，而在SiFive投資人名單中，剛在美國上市的華米作為領(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)，從而對于IoT類消費(fèi)電子中舉足輕重的MCU市場施加自己的影響，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也將會與終端市場結(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)中的整個生態(tài)鏈上其他公司的發(fā)展也很不錯。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)（計劃在下一代近存儲計算芯片中使用RISC-V核，并宣布預(yù)計每年將出貨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做高效率邊緣計算MCU的初創(chuàng)公司，而且預(yù)計未來會有更多使用RISC-V MCU的初創(chuàng)公司進(jìn)入市場，因?yàn)樵贛CU這樣對于成本非常敏感的市場，RISC-V的開源無授權(quán)費(fèi)相對于ARM是一個重要優(yōu)勢。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將會在一些細(xì)分應(yīng)用（如低成本32-bit MCU）中占據(jù)優(yōu)勢。

最后必須指出的是，RISC-V對于中國半導(dǎo)體行業(yè)來說也是一個巨大的機(jī)會。處理器對于中國來說一直是一塊短板，因?yàn)樘幚砥餍枰L期的技術(shù)積累，所以雖然這幾年中國半導(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，中國仍然沒法拿出一款令人滿意的具有完整知識產(chǎn)權(quán)的處理器，知識產(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，因此中國公司和科研機(jī)構(gòu)完全有機(jī)會利用開源的RISC-V做出具有完整知識產(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基金會中，我們看到了華為，中科院計算所等來自中國的公司和機(jī)構(gòu)的身影，我們希望未來中國力量在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，時至今日人工智能事實(shí)上已經(jīng)成為了Nvidia股價的支撐點(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，但是在移動終端卻始終乏力。在移動端最大的手機(jī)市場，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)用場景，Nvidia雖然發(fā)布了TX系列，但是其高昂的售價以及較高的功耗（10W左右）始終在限制Nvidia在移動端的占有率。另一方面，移動端人工智能的市場需求是巨大的，Nvidia不去占領(lǐng)就會有其他公司去占領(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)蔓延到移動端。Nvidia如果想親自占領(lǐng)每一個終端芯片市場，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)加速的同時還要兼容這些芯片的原有功能，另外還要面臨這些市場里的原有芯片公司的競爭， 反而無法集中精力把自己最擅長的深度學(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移動端市場，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)覆蓋到移動端，至于是否要在移動端收費(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，本來會成為競爭對手的廠商現(xiàn)在反而會和Nvidia結(jié)成同盟。ARM就是一個很好的例子，如果Nvidia自己做移動端勢必和ARM是競爭關(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，由ARM幫忙站臺宣傳。

結(jié)語

開源芯片項(xiàng)目是未來芯片設(shè)計行業(yè)的重要趨勢，因?yàn)樗鼜谋举|(zhì)上解決了芯片設(shè)計周期長，設(shè)計無法復(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)計算和IoT領(lǐng)域都會得到廣泛應(yīng)用。NVDLA則是Nvidia使用生態(tài)打法覆蓋移動端的嘗試，可謂是四兩撥千斤，用一個開源IP就能將眾多移動端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)計行業(yè)帶來新的發(fā)展方向。

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