RISC-V发展以及中科院RISC-V开源处理器“香山”介绍

中国工程院院士倪光南曾指出，CPU市场被x86和Arm架构垄断，中国要想打破这个局面，开源RISC-V是一大机遇。

 

近日，在2022北京微电子国际研讨会暨IC WORLD大会上，中国科学院计算技术研究所研究员包云岗在大会报告中，介绍了RISC-V发展以及中科院RISC-V开源处理器“香山”等相关情况。

据介绍，香山第二代南湖架构计划在2023年第一季度流片，目标是14nm 2GHz，预计SPEC 2006得分能到20左右。 

包云岗表示，香山是当前国际上性能最高的开源RISC-V处理器核，目前已确定香山经典核、香山高性能核“两核”发展目标。

经典核基于第二代香山（南湖）工程化优化，对标ARM A76，为工业控制、汽车、通信等泛工业领域提供CPU IP核；高性能核则基于第三代香山（昆明湖）性能提升，对标ARM N2，为数据中心和算力设施等领域提供高性能CPU IP核。

香山第一代内核“雁栖湖”已在去年7月15日流片，基于28nm工艺，裸片面积6.6平方毫米，单核二级缓存1MB，预计功耗5W。

为什么要做香山？

RISC-V诞生于2010年，如今，在RISC-V国际基金会网站上登记的各类商业或开源的RISC-V处理器核就有上百个，为什么还要做一个开源的高性能RISC-V核？

对于这个问题，包云岗表示，我们和很多业界企业交流过，也做了很多调研与分析，这都让我们判断认为业界需要一个开源的高性能RISC-V核。另一方面，我们也在思考一个问题——为什么CPU领域还没有一个像Linux那样的开源主线？1991年开源的Linux诞生，到今天正好30年。如今，Linux不仅被工业界广泛应用，也成为学术界开展操作系统研究的创新平台。

RISC-V是开放开源的指令集，但十年过去了，到现在还未能形成一个像Linux那样的开源主线。Berkeley的BOOM目标是一个高性能开源RISC-V核，但是BOOM代码仓库相对不开放，官方建议其他人实现任何功能都要事先和他们沟通，以确保不要与他们的计划产生冲突。根据GitHub官方的统计页面显示，从2014年1月至今，为BOOM提交过超过100行代码修改的仅有8人。由此可见，一定程度上因为BOOM严格的的外部贡献政策，开源社区对BOOM的参与度并不高。

所以，团队的唐丹博士和我一直认为要建立一个像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。最关键的是，一定要让它像Linux那样至少存活30年！

于是，“香山”诞生了。

香山什么水平？

香山是一款开源RISC-V处理器核，它的架构代号以湖命名。第一版架构代号是“雁栖湖”，这是带有浓重国科大情节的同学们起的名字，因为他们研一都在怀柔雁栖湖待了一年。“雁栖湖”RTL代码于2021年4月完成，计划于7月基于TSMC 28nm工艺流片，目前频率为1.3GHz。

第二版架构代号是“南湖”，这是向建党100周年致敬。“南湖”计划在今年年底流片，将采用中芯国际14nm工艺，目标频率是2GHz。

香山选择什么开源许可证？这个问题纠结了我们好一阵子。后来，我们专门向北京大学周明辉教授请教，小伙伴们制定了4种开源许可证方案。在反复对比权衡后，最终选择了如下表格中的方案①——木兰宽松版许可证（MulanPSLv2）。在此，特别感谢北大周明辉老师的专业指导。

香山怎么做的？

香山开发初期速度非常快：6月11日建立代码仓库，7月6日乱序流水线便已完成，能正确运行CoreMark，不到一个月时间；9月12日，Linux正确启动；10月22日，Debian正确启动。

接下来便是大半年的结构优化、性能调优、时序优化工作，香山架构几乎相当于重构了一遍。一个典型的例子，香山的第一版分支预测器（BPU）参考了BOOM的BPU，但后端评估频率只能达到800MHz（TSMC 28nm）。于是负责BPU设计的勾凌睿在几位老师的指导下，不断优化BPU结构，最终将频率提升到了1.4GHz。

这期间，小伙伴们纷纷自己动手，开发了各种各样的优化和调试工具，大大地加速了优化和验证环节。这让我真心佩服这批90后——他们真是充满了创造力，从工作到生活，而主要驱动力之一就是“省（tou）时（lan）”。比如宁可自己写个程序自动点外卖，也懒得打开手机看菜单点。

香山未来如何发展？

目前，香山正在进行下一代架构“南湖”的开发，目标是今年年底流片，基于中芯国际的14nm工艺频率达到2GHz，SPECCPU分值达到10分/GHz。这是一个很有挑战的目标，需要对架构进行大幅度的优化改进。

前几天，小伙伴们专门去了一趟嘉兴南湖，研讨香山未来的发展。除了技术，我们再一次聚焦到流程与平台。此前构建的敏捷设计流程与平台支撑了20多人的开发团队，这远远不够。现在我们需要考虑的是该如何构建一套开源、开放、规范的开放流程，能支撑2000人的开源社区一起开发。

支持成千上万人一起开发开源软件，这已经有成功的经验。但是如何支持数千人一起开发开源处理器，目前还没有可以参考的案例，只能靠我们自己摸索。

我们有一个愿望——希望“香山”能存活30年；我们有一个约定——30年后再一起聚聚，到时再看看香山会变成什么样。但是，要实现这个愿望，还有很多很多问题和挑战需要去解决。

编辑：黄飞