1、构建开源芯片技术体系推动开源芯片生态发展唐丹汇报大纲一、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（一）RISC-V与开源芯片处理器芯片的战略意义 2022年进口5384亿个集成电路，进口额高达4155.79亿美元，成为我国第一大进口商品，远超第二位石油（3655.12亿美元）其中处理器芯片占比达到49.2%，进口超过2051亿美元 处理器芯片是电子设备的“大脑”，支撑了占我国GDP约1/6的信息产业 处理器技术体系是有技术标准和知识产权将器件、IP核、SoC芯片、EDA软件、系统软件和应用软件等联系在一起的技术整体数据来

2、源：2023年3月国家统计局发布2022年国民经济和社会发展统计公报指令集是处理器芯片生态的基石l指令集架构(Instruction Set Architecture)，简称指令集l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指令集芯片版图l芯片设计：将指令集手册定义的功能，变成源代码l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，获得芯片工程开发RTL代码EDA工具芯片版图指令集手册设计文档微架构设计RISC-V：指令集应该免费l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l2010年，UC Berkeley开始开发一套开放免费

3、的指令集RISC-VV.S.RISC-V v.s.X86/ARM：指令更精巧lX86从1978年的80条指令，增长到2015年的3600条lRISC-V基础部分（RV32I）只有47条指令，并已冻结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RISC-V v.s.X86/ARM：模块化l实现一个X86/ARM处理器，需实现所有上千条指令，复杂度极高lRISC-V指令集采用模块化设计l必要的RV32I只有47条指令l其余指令可选扩展l可根据需求自由组合，灵活适配l嵌入式(处理器成本)RV32Il嵌入式(存储器成本)R

4、V32ICl桌面 RV64GCl高性能 RV64GCVl支持自定义指令基础64位基础64位基础压缩特权乘除原子浮点向量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开源、开放、共建、共享的处理器芯片生态l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l投入多，贡献大，则主导权大RISC-V国际基金会快速发展（总部位于瑞士）050002500Q1 2016Q2 2016Q3 2016Q4 2016Q1 2017Q2 2017Q3 2017Q4 2017Q1 2018Q2 2018Q3 2018Q4 2018Q1 2019Q

5、2 2019Q3 2019Q4 2019Q1 2020Q2 2020Q3 2020Q4 2020Q1 2021Q2 2021Q3 2021Q4 2021Q1 2022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 已有全球80多个国家3200多个会员 2020年会员数增长133%2021年会员数量再度翻倍 数据参考：https:/riscv.org/wp-content/uploads/2021/0

6、8/RISC-V-Introduction-_-Aug-2021.pptxRISC-V国际基金会的中国力量（2022.12）l22个理事会成员l10个中国l4个发展伙伴l3个来自中国l高级会员：14/25l战略会员：46/179l学术组织：12/127新态势：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新态势：RISC-V软件生态正在加速发展 国际开源社区积极

7、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架构开源软件的成功经验l降低互联网创新的门槛l3-5位开发人员用几个月即可快速开发创新业务，滴滴、摩拜等l提高互联网企业自主能力l“去IOE”(IBM/Oracle/EMC)l数据库：华为高斯/阿里OceanBase，国际先进用户定制代码 90%代码321开源芯片工程开发RTL代码EDA工具芯片版图指令集手册设计文档微架构设计lL1开源指令集lL2开源设计实现lL3开源工具和开放流程开源芯片实践（人才+工具+IP）芯片敏捷设计云平台开源RISC-V核“一生一芯

8、”计划开源EDA工具链OpenSSD芯片开源供应链与系统软件与鹏城实验室、北京大学联合开发与字节跳动、微核芯等企业联合开发（二）“一生一芯”人才培养计划我国优秀处理器芯片人才储备严重不足一作国籍毕业去向ISCA十年论文第一作者统计情况(2008-2017)l85%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l中国加快处理器芯片人才培养规模与速度，迫在眉睫科教融合l把芯片设计人才培养与开源芯片生态构建结合起来l受Matlab启发的四个观点l把东西做出来l把东西用起来l把教学场景用起来l把持久战意识树立起来

9、教学：启动“一生一芯”计划l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、编译原理等操作系统编译原理应用软件处理器设计“一生一芯”计划执行情况第四期(统计至今)l1700+人报名开展预学习l覆盖328所高校 （含国外56所）l第一批230人进入正式学习l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l第四期：2022年2月20日启动l第五期：2022年8月28日启动首期“一生一芯”计划让学生带着自己设计的处理器芯片毕业l2019年8月底，在国内首次以流片为目标，由5位2016

10、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l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4个月高强度开发历程RV64IM压缩指令(RVC)FreeRTOS/RT-ThreadL1 cache预取Sv32-PTW发现cache设计bugTLB支持RVC的分支预测Sv39-PTW分析预取性能倒退原因M/S/U特权级原子操作(RVA)Sfence.vma分时多任务Nanos-lite添加burst读写支持作为L2TLB流水化xv6缺页异常L2预取分析解决性能倒退TLB资源/时序优化补充CSR/Lin

11、ux联调LinuxDebian11/18 22:5711/18 10:3911/21 17:3112/10 16:26Debian联调12/13 14:2610/19 13:2110/21 18:289月10月11月12月应用OSCPUSoCRV64IM时钟中断BusyboxhelloGCC,QEMUloginRVC时钟FreeRTOS/RT-ThreadSv39-PTWM/S/U缺页异常xv6RVA补充CSRLinuxBusyboxhello11/10 13:0711/13 21:29Dummy-SD卡LinuxDebianGCC,QEMU12/08 16:2710/19 19:0809/1

12、8 01:07王华强张紫飞张林隽金越王凯帆项目分工接入SPI Flash控制器开源IP核并进行访问和取指验证验证UART开源IP核验证SDRAM控制器开源IP核验证ETHMAC开源IP核发现SDRAM控制器64位数据读写bugxv6联调xv6联调Redis确定技术路线选择基础平台搭建开发环境前期准备模拟器成果：果壳（NutShell）l110nm工艺l10mm2l200mw350MHz TypicallTQFP100封装l单发射9级流水顺序核lRV64IMAC指令集，支持M/S/U特权级l两位饱和计数器分支预测，512项BTB，16项RASl支持Sv39分页机制,支持硬件TLB填充l32K指令

13、/数据L1 cachel支持L1 指令/数据cache读一致性l128K L2 cache，支持next line预取l使用Chisel语言开发l支持SDRAM、SPI flash、UART等外设l支持启动Linux 4.18.0内核l支持运行Busybox套件l在仿真/FPGA环境下支持启动Debian 11一款功能完整的RISC-V处理器基于国产110nm工艺完成流片首期“一生一芯”计划取得成功l五位同学实现“带着自己设计的处理器芯片毕业”这一目标第二期“一生一芯”计划l11位同学l5位国科大、3位浙大、1位南大、1位西北工大、1位哈工大l2020年8月12日正式启动l杨宇恒同学被麻省理工

14、学院（MIT）博士全奖录取l胡博涵同学被多伦多大学录取n报名总数：760人n 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n 覆盖168所高校（含国外30所）n 国科大（72人）n 浙江大学（29人）n 电子科技大学（24人）n 华中科技大学（23人）n 东南大学（23人）n 西安电子科技大学（20人）n 南京大学（16人）n 北京大学（15人）n 第三期报名情况第三期“一生一芯”成果n 第一批流片4个SoC，包含39个处理器核n 第二批流片2个SoC，包含9个三期同学用开源EDA工具设计并投片的110nm（一生一芯）处理器核n报名总数（2.20-今）：1700+人

15、n 覆盖 328 所高校（含国外56所）n 国科大（70人）n 电子科技大学（65人）n 北京大学（34人）n 西安电子科技大学（32人）n 太原理工大学（31人）n 东南大学（29人）n 武汉大学（24人）n 华中科技大学（23人）n 中国科学技术大学（22人）n 第四期报名情况简析大一大一3%9%14%13%研一研一25%19%4%博一博一2%1%10%保存与开放每一位学员的学习记录一位学员在“一生一芯”学习过程的成长记录（三）开源EDA工具2030”三步走”规划l第一步：开源SoC用3-5年为社区提供经过流片验证的高质量RISC-V开源核、开源SoC设计lRISC-V处理器核IP、外围I

16、P等l第二步：用开源工具链构建开源SoC用5-7年逐步构建一套基于开源EDA工具链、开源IP、开源工艺库的开源SoC芯片设计流程l将商业版工具、IP逐渐替换为开源版l实现本科生用全开源工具开发开源芯片，带着自己芯片毕业l第三步：用开源工具链自动化构建开源硬件用10-15年开发更智能、更自动化的开源工具，提高设计验证效率l形成开源芯片设计生态，降低芯片开发门槛n 成功经验表明，开源开放是构建繁荣的技术生态和产业生态的必要基础n 开源EDA工具可极大推动开源开放的芯片产业生态，降低芯片设计门槛n 开源EDA工具为开展EDA领域的基础科学研究和人才培养，提供了很好的思路开源EDA是支撑开放芯片生态的

17、重要保障领域代表系统影响力体现操作系统Linux重要的基础软件，支撑了整个开源生态体系编译器LLVM、GCC移动操作系统Android虽然现在已闭源，但当年以开源为起点，统一了除iOS外的整个移动互联网生态人工智能Caffe、TensorFlowPytorch、PaddlePaddle整个 AI 技术生态体系的基石大数据系统Hadoop、Spark开启了信息领域的大数据系统时代EDA 工具-基础薄弱（Verilator,OpenRoad/OpenLane）共同特点：皆为重要的基础性平台，支撑各领域技术创新外，服务了巨大的产业经济企业高校学术科研机构芯片和EDA方向的个人爱好者开源EDA系统平台

18、科学研究人才培养EDA是芯片设计编译器l功能设计和验证：生成模块级和系统级的芯片代码并验证功能正确性l电路设计：将RTL代码经过逻辑设计和工艺映射成网表l版图设计：用EDA工具将设计好功能等网表物理化成GDS版图l芯片制造：将设计好的版图通过光刻制造封装形成芯片RTL代码逻辑综合网表物理设计制造晶圆封装测试芯片产品module conv;reg 31:0 m0:8192;reg 12:0 pc;reg 31:0 acc;reg15:0 ir;always begin ir=mpc;if(ir15:13=3b000)pc=mir12:0;else if(ir15:13=3b010)acc=-mi

19、r12:0;.芯片版图EDA工具全程支持芯片自动化设计和验证工程开发体系结构设计EDA是硬件编译器n 研究智能化和全自动化的芯片设计流程及其辅助工具，提升芯片设计效率和质量n开源智能EDA工具和流程，实现24小时无人值守的全流程芯片设计n2017年，美国DARPA启动ERI电子复兴计划，部署IDEA和POSH（合计100M$)n由机器来学习专家知识，提供自动化和低成本的（软件/芯片）系统构建工具“开源”“智能”的“芯片设计”预处理编 译汇编链接优化开源编译器（LLVM、GCC等）软件设计流程gcc O3开源智能EDA平台芯片设计流程ieda O3完备的自动化设计部分自动化尚需耗费大量人力，极度

20、依赖专家经验开源EDA目标n 构建28nm工艺上RTL到GDS芯片设计的开源EDA平台，支持百万门级Block设计n 以 10%的成本（技术、时间、费用），达成 90%的芯片指标n 支持灵活定制和实现 EDA 算法，支撑 EDA 方向的算法研究和应用从低工艺(110nm)，至更高工艺(55nm/28nm,甚至14nm)从小规模SoC芯片(数十万门)，到更大规模(上千万到上亿)从部分单点EDA设计工具，到完整EDA设计+验证工具链从EDA工具可用，工具功能完善可靠，到工具质量和性能良好EDA平台设计规则需求芯片设计流程工具逻辑综合物理设计签核分析物理验证数据库解析器辅助库评估器优化器管理器基础库

21、开始规划总体计划2018.10鹏城实验室开展开源EDA2020.4跑通Flow2020.102020.05开始跑Flow鹏城实验室立项开源EDA课题2021.07流片110nm数十万门CPU无其他IP2022.02完成iFlow2021.04BOSC开源IP2022.03流片110nm百万门CPU含自研多个IP2022.082022.08首次公开报告时间线中科院先导专项资助开源EDA2019.10开源鸽到2023年流片28nm百万门CPU含多个数字IP2022.12EDA总体设计n 目标：构建28nm工艺上RTL到GDSII芯片设计的开源EDA平台，支持百万门级设计描述问题，形成白皮书探索解决

22、方案，形成文档问题拆解步骤和方法软件架构平台结构设计芯片设计开源EDA进展l进展：l问题分解：拆解45个工具，600余个步骤，2000多个问题；l系统平台：已支持110nm百万门芯片后端设计的原型系统；l工具研发：已经完成9个工具的研发，涵盖逻辑综合，物理设计，签核分析，物理验证；l流片验证：经过2次ysyx芯片流片验证拆解出45个工具，600个步骤，2000多个问题研发9款工具构建1个重基础库的系统平台开源EDA进展流片验证110nm工艺，70万门芯片（5级流水线，Chiplink、UART、和SPI，外接板卡时钟，已经回片）110nm工艺，150万门芯片（11级流水线带cache、UART

23、、VGA、PS/2、SPI、SDRAM等，片上两个PLL模块输出时钟，支持启动Linux，等待回片）2022年2月2日，第1次流片2022年8月12日，第2次流片l目标：验证工具业务拆解，系统平台设计，和工具功能研发的功能和性能l进展：完成3次流片，2次110nm，1次28nm2022年12月21日，第3次流片28nm工艺，150万门芯片（11级流水线带cache、UART、VGA、PS/2、SPI、SDRAM等，片上两个PLL模块输出时钟，支持启动Linux）n 全链条支撑n 开源EDA设计流程+开源IP+开源工艺库和pdkn 流程支撑n SoC模板+SoC集成方法+流片渠道+网站和在线设计

24、“一生一芯”支撑SoC松散集成芯片（四）高性能开源RISC-V处理器核IP香山：开源高性能RISC-V处理器l建立一个像Linux那样的开源RISC-V核主线，既能被工业界广泛应用，又能支持学术界试验创新想法敏捷开发流程与工具新特性提出设计/实现文档RTL实现功能验证性能验证物理设计验证测试生成参考实现结果对比基础架构设计语言出错现场复现出错现场分析测试生成仿真平台仿真加速器平台(WIP)FPGA平台性能数据分析XiangShan开源硬件平台Chisel敏捷设计语言Transforms代码转换工具TL-C总线请求生成器NEMU指令集模拟器nexus-am简易运行时环境Difftest差分验证框

25、架SMP-Diff多核验证框架LightSSS仿真进程快照Waveform Terminator波形解析工具Golden Mem多核内存模型LogViewer日志可视化工具TL-C Agent总线/缓存标准行为模型TL-C Scoreboard总线行为/数据检查框架GCPT全系统状态检查点KFDB性能建模与分析工具NEMU-Functional快速结构预热方法(WIP)BetaPoint程序特征采样方法(WIP)自动化持续集成测试完成后进入主线具有国际先进性的芯片敏捷设计方法l提出面向对象体系结构、基于规则的敏捷验证框架、轻量级仿真快照、敏捷性能评估等多项创新技术，在国际上形成独特优势（国际顶

26、会MICRO-2022接收）两代香山架构设计l第一代：雁栖湖架构l2020年6月：代码仓库建立l2021年7月：流片l频率：1.26GHz28nml性能：SPEC CPU2006 7分/GHzl第二代：南湖架构l2021年5月：开始RTL实现工作l2021年12月：功能确定，时序优化阶段l2023年Q1：计划流片l预期频率：2GHz14nml预期性能：SPEC CPU2006 20 分l2022年已交付2家企业用于产品开发中第三代香山“昆明湖架构”联合研发l 在北京市与中科院支持下，由18家企业联合发起北京开源芯片研究院，进行“香山”处理器核的产品化改造和后续架构研发18家发起单位2021年1

27、2月6日成立攻坚昆明湖架构联合研发启动 已设立包括性能模拟器、向量扩展、验证、全定制开发等多个工作组 与企业技术合作进展顺利，项目例会约有100位工程师积极参与 目前在指令预取、向量功能部件、Cache重构、前后端协同优化上取得进展第三代香山“昆明湖架构”联合研发第三代香山（昆明湖）规划功能目标指令：V8/V9/SVE/SIMD/加密微结构：前端/后端/Memory/Cache（50分）架构（SoC）：多核DSU（DynamicIQ/SCU/L3 Cache）总线接口（AXI/ACE/CHI）多核片上网络（CMN-700）功耗管理（时钟域、电源域、休眠模式）调试诊断：调试/诊断/性能计数器虚拟

28、化：Hypervisor特权级/TrustZone/GIC/通用定时器高可靠：RAS（Reliability/Availability/Serviceability）对标ARM最新数据中心处理器核Neoverse N2 为企业提供处理器核敏捷开发基础设施技术目标对标ARM Neoverse N2处理器核（5nm）3GHz以上，15分/GHz，总分45分目前Intel60分；ARM50分；香山20分7nm/5nm/3nm等先进工艺处理器生态构建的新趋势（五）总 结开源PC设计，催生新产业l1981年8月12日，IBM推出PC，公开了设计文档，包括源代码、电路图，成就繁荣的PC市场开源软件推动中国新兴产业发展l云计算、移动互联网、大数据、人工智能、区块链等新兴产业的核心技术均得益于开源软件价值数百亿美元的开源软件生态降低了开发门槛，有利于人才培养，促进中国新兴产业进入世界领先行列大数据云计算人工智能移动互联网区块链价值数百亿美元的开源软件生态开源芯片，赋能新产业开源芯片，普惠世界 开源芯片是构建全球芯片共同体，解决全球科技供应链安全和实现科技普惠世界的有效途径敬请批评指正！