中國“芯”陷入困境,破局之法在哪里?

如今中國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)要想改變現(xiàn)狀，已經(jīng)很難完全靠初創(chuàng)企業(yè)與風(fēng)險(xiǎn)資本來追趕了，必須通過必要的產(chǎn)業(yè)政策來引導(dǎo)。借鑒中國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)，降低芯片設(shè)計(jì)的創(chuàng)新門檻是關(guān)鍵，而開源則是降低門檻的一大利器。

2018年，中國企業(yè)遭遇芯片禁售令而陷入困境，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀再次引起各界廣泛關(guān)注。如何盡快找出一條破解之道，是大家都很關(guān)心的問題。

來自互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的啟發(fā)

2018年4月10日，美國國會聽證會上，臉書創(chuàng)始人馬克·扎克伯格與阿拉斯加共和黨參議員蘇利文有這樣一段對話：

蘇：你不可能在中國成功，是吧?或者，你無法在那里取得過去10年所取得的成就。

扎：參議員，中國有很多強(qiáng)大的互聯(lián)網(wǎng)公司。

蘇：好吧，但剛才那個(gè)問題你應(yīng)該回答“是”。

顯然，在扎克伯格看來，中國的互聯(lián)網(wǎng)公司在國際上是具有競爭力的。中國占據(jù)世界十大互聯(lián)網(wǎng)公司的四席，部分業(yè)務(wù)，如移動支付也處于世界領(lǐng)先地位。2016年中國的移動支付金額達(dá)到了5.5萬億美元，是美國的50倍。

中國互聯(lián)網(wǎng)公司的成功離不開背后強(qiáng)大的技術(shù)支持，而開源軟件就是背后強(qiáng)大的技術(shù)支撐之一，助力了中國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的成功。這些開源軟件被企業(yè)普遍使用來構(gòu)建其業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

開源軟件，是一種源代碼可以自由獲取并在遵循開源協(xié)議的規(guī)定下，開發(fā)者可進(jìn)行自行修改的計(jì)算機(jī)軟件。

對于互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)而言，開源軟件為它們節(jié)省大量的時(shí)間與成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，常用的開源軟件已經(jīng)構(gòu)成了一個(gè)價(jià)值超過150億美元的開源軟件生態(tài)，成為互聯(lián)網(wǎng)公司(尤其是初創(chuàng)公司)構(gòu)建其業(yè)務(wù)的標(biāo)配，讓其可以更專注于業(yè)務(wù)創(chuàng)新。

有了開源軟件，當(dāng)人們想創(chuàng)辦新公司時(shí)，不再需要從零開始造“輪子”，而是可以在龐大的開源軟件庫中尋找到合適的模塊并根據(jù)需要進(jìn)行合適的修改，有時(shí)三五位開發(fā)人員在幾個(gè)月時(shí)間里就可以快速搭建出一個(gè)業(yè)務(wù)原型。因此，開源軟件很重要的意義在于大大降低了互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新的門檻。

另一方面，開源軟件也可以讓中國的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，在軟件技術(shù)方面不再面臨“卡脖子”問題，從而能與硅谷幾乎在同一起跑線上競爭，甚至在移動支付等領(lǐng)域更具競爭力。

仔細(xì)觀察，開源軟件解決了中國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的兩大難題，一是降低了創(chuàng)新的門檻，二是擺脫了技術(shù)上的受制于人。而這兩個(gè)難題正是當(dāng)前中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)所面臨的困境。我們是否可以從中國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)擁抱開源的經(jīng)驗(yàn)中獲得啟發(fā)呢?

我們認(rèn)為，除了國家加大對卡脖子技術(shù)的重點(diǎn)扶持以正面應(yīng)對之外，呼吁各界在芯片領(lǐng)域也積極擁抱開源、參與開源芯片行動，就像曾經(jīng)的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)擁抱開源一樣，不失為一條新的道路。

芯片資金高門檻讓人追趕無望

然而，與軟件領(lǐng)域不同，目前芯片領(lǐng)域的創(chuàng)新門檻之高、投入之大是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的。

設(shè)計(jì)與制造一款芯片涉及到多個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要相當(dāng)?shù)馁Y金與人力投入。以28nm工藝研制一款系統(tǒng)芯片為例，比較完整的電子設(shè)計(jì)自動化工具使用版權(quán)費(fèi)超過500萬元，購買內(nèi)存控制器等外圍IP模塊(指某一方提供的可重用的邏輯單元、集成線路布局設(shè)計(jì)、器件;IP核通常已經(jīng)通過了設(shè)計(jì)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)人員以IP核為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以縮短設(shè)計(jì)所需的周期)費(fèi)用往往達(dá)到500～1000萬元，流片費(fèi)用根據(jù)芯片面積大小而定，但一般也會達(dá)到1000萬元，封裝相對便宜，大約需要50萬左右。簡單估算，研制這款芯片所需要的資金投入便已經(jīng)超過2000萬元。

另一方面，芯片的研發(fā)往往需要數(shù)十位工程師，花上一年的時(shí)間來設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，僅工資開銷就需要上千萬元。此外，芯片設(shè)計(jì)與驗(yàn)證時(shí)哪怕出現(xiàn)一個(gè)很小的錯(cuò)誤，都有可能導(dǎo)致芯片最終無法工作。不光前期的投入打水漂，開發(fā)人員還不得不再花上千萬元重新流片。

芯片領(lǐng)域的高門檻客觀上嚴(yán)重阻礙了創(chuàng)新。在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，得益于開源軟件，擁有創(chuàng)新想法的互聯(lián)網(wǎng)初創(chuàng)公司，往往只需幾十萬元，便可以在幾個(gè)月時(shí)間里推出原型產(chǎn)品進(jìn)行迭代優(yōu)化。相比而言，芯片領(lǐng)域的初創(chuàng)公司卻需要數(shù)千萬的資金，而且迭代優(yōu)化還要很長的時(shí)間周期，所以很難想象風(fēng)險(xiǎn)投資人愿意把錢砸給這類初創(chuàng)公司。

事實(shí)上，半導(dǎo)體、大規(guī)模集成電路發(fā)展的黃金期是上世紀(jì)六七十年代，當(dāng)時(shí)芯片規(guī)模都很小、成本較低，卻又具有很高的收益，吸引了美國、日本、中國***等大量優(yōu)秀的人才投入到半導(dǎo)體領(lǐng)域創(chuàng)辦公司，也吸引了大量資本投入到這個(gè)領(lǐng)域，但中國大陸錯(cuò)過了那個(gè)黃金時(shí)代。

經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，少數(shù)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)通過市場機(jī)制自然地形成了技術(shù)積累與產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，同時(shí)構(gòu)建了極高的創(chuàng)新門檻，不僅讓后來者追趕無望，也讓芯片成為他們“卡別人脖子”的利器。

如今中國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)要想改變現(xiàn)狀，已經(jīng)很難完全靠初創(chuàng)企業(yè)與風(fēng)險(xiǎn)資本來追趕了，必須通過必要的產(chǎn)業(yè)政策來引導(dǎo)。我認(rèn)為，借鑒中國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)，降低芯片設(shè)計(jì)的創(chuàng)新門檻是關(guān)鍵，而開源則是降低門檻的一大利器。

伯克利團(tuán)隊(duì)的禮物

近期受到普遍關(guān)注的開放指令集RISC-V，從生態(tài)構(gòu)建角度為開源芯片設(shè)計(jì)作出了積極的工作。RISC-V是由美國加州大學(xué)伯克利分校的Krste Asanovic教授與圖靈獎得主David Patterson教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的一套開放指令集。

Krste Asanovic教授與David Patterson教授

伯克利團(tuán)隊(duì)推出RISC-V，正是受到了開源軟件的啟發(fā)，但開源軟件生態(tài)和處理器芯片生態(tài)的情況卻大不相同。

開源軟件中的不同領(lǐng)域，都有一套開放的標(biāo)準(zhǔn)(Standard)，在這套開放的標(biāo)準(zhǔn)之下，既有開放自由的實(shí)現(xiàn)，也有企業(yè)私有的實(shí)現(xiàn)。雖然總體上私有實(shí)現(xiàn)的效果更優(yōu)，但開放自由的社區(qū)也非?；钴S。

然而，處理器芯片領(lǐng)域，從指令集(處理器為軟件開發(fā)提供的編程接口)到處理器實(shí)現(xiàn)全是Intel、ARM這樣的私有企業(yè)掌控，甚至連開放的指令集標(biāo)準(zhǔn)都沒有，更不用說開源的處理器芯片設(shè)計(jì)。如果有一款開放自由的指令集，大家都可以用它來做任何事情，會怎么樣呢?借鑒軟件領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，伯克利研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，指令集體系結(jié)構(gòu)作為軟硬件接口的一種標(biāo)準(zhǔn)，不應(yīng)該像x86和ARM等指令集那樣需要授權(quán)才能使用，而應(yīng)該開放(Open)出來讓大家自由(Free)使用，這樣才能塑造芯片領(lǐng)域的繁榮生態(tài)。

于是，他們啟動了一個(gè)項(xiàng)目，從零開始設(shè)計(jì)一款新的指令集，將其命名為RISC-V(讀作RISC-Five)，并將其徹底開放。

伯克利團(tuán)隊(duì)希望全世界任何公司、大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)與個(gè)人都可以開發(fā)兼容RISC-V指令集的處理器，都可以融入到基于RISC-V構(gòu)建的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)，而不需要為指令集付一分錢。

值得一提的是，RISC-V扮演的角色是指令集標(biāo)準(zhǔn)，就如同TCP/IP定義了網(wǎng)絡(luò)包的標(biāo)準(zhǔn)、POSIX定義了操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)?；跇?biāo)準(zhǔn)可以有開源的實(shí)現(xiàn)，也可以有商業(yè)版的實(shí)現(xiàn)。

第一版RISC-V指令集于2011年發(fā)布，經(jīng)過多年的發(fā)展，如今RISC-V社區(qū)已經(jīng)度過了艱難的起步階段，正進(jìn)入快速發(fā)展期，前景樂觀。全世界很多企業(yè)選擇從ARM轉(zhuǎn)向RISC-V，全球第一大硬盤公司西部數(shù)據(jù)已經(jīng)宣布，未來產(chǎn)品將全面使用RISC-V處理器核心，每年將達(dá)到10億顆!

美國的DARPA(美國國防高級研究計(jì)劃局)也認(rèn)為，降低芯片設(shè)計(jì)門檻將會為未來芯片創(chuàng)新創(chuàng)造巨大的機(jī)會。因此，在2017年啟動“電子復(fù)興計(jì)劃”(Electronic Resurgence Initiative)，DARPA將開源芯片設(shè)計(jì)作為核心目標(biāo)之一，每年投入超過2億美元的經(jīng)費(fèi)，研究如何降低芯片設(shè)計(jì)門檻，先后資助了5個(gè)開源硬件項(xiàng)目(PERFECT、CRAFT、SSITH、POSH、IDEA)，部分項(xiàng)目明確指明需要基于RISC-V指令集。DARPA認(rèn)為開源芯片設(shè)計(jì)將會為2025～2030年的美國，賦予在半導(dǎo)體電子領(lǐng)域更強(qiáng)大的創(chuàng)新能力。除此之外，其他一些國家政府部門的芯片研究項(xiàng)目也開始選擇RISC-V，比如以色列國家創(chuàng)新局(Israel Innovation Authority)選擇基于RISC-V研制為全國企業(yè)服務(wù)的處理平臺。

印度政府更是將RISC-V視為一次發(fā)展處理器的機(jī)會。他們?yōu)樘幚砥鲬?zhàn)略項(xiàng)目(SHAKTI)資助9000萬美元，目標(biāo)是研制6款基于RISC-V指令集的開源處理器核，涵蓋了32位的單核微控制器、64核64位高性能處理器和安全處理器等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。2016年1月，印度電子信息技術(shù)部又資助了4500萬美元，研制一款基于RISC-V指令集的2GHz四核處理器。在印度政府支持的另一個(gè)關(guān)于神經(jīng)形態(tài)加速器(neuromorphic accelerator)項(xiàng)目中，也將RISC-V作為計(jì)算主核心。過去幾年，印度政府資助的處理器相關(guān)項(xiàng)目都開始向RISC-V靠攏。

縱觀國際形勢，我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前一些低端芯片已經(jīng)有比較豐富的開源芯片設(shè)計(jì)資源。例如，假設(shè)使用180nm工藝研制一款芯片，那么電子設(shè)計(jì)自動化工具鏈可以使用開源的工具包，IP模塊可以使用開源模塊，180nm的器件庫也有多種開源的選擇。再加上流片的成本也很便宜，所以綜合起來，研制一款180nm的芯片有可能做到只需要幾千美元便可以實(shí)現(xiàn)，門檻已經(jīng)很低了。

然而，對于中高端的芯片，還缺乏類似全套的開源芯片設(shè)計(jì)工具鏈與器件資源。讓我們暢想一下，如果全世界也擁有了價(jià)值上百億美元的開源芯片設(shè)計(jì)所需的電子設(shè)計(jì)自動化工具鏈、IP模塊、工藝庫等，中高端芯片研制成本降低兩個(gè)數(shù)量級，從數(shù)千萬元降至十萬元級別，那么芯片領(lǐng)域的創(chuàng)新將會像今天的互聯(lián)網(wǎng)那樣層出不窮，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)卡脖子的問題也將會迎刃而解。

發(fā)展生態(tài)中國成立RISC-V聯(lián)盟

和開源軟件對于中國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的作用類似，開源芯片生態(tài)若能形成氣候，則會大幅降低芯片創(chuàng)新門檻，將會對中國乃至全世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的、積極的影響。

構(gòu)建開源芯片生態(tài)是偉大的理想。但是，只有RISC-V又是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要開源的電子設(shè)計(jì)自動化工具鏈、IP模塊、工藝庫等協(xié)同合作，才能實(shí)現(xiàn)真正的開源芯片生態(tài)。

RISC-V雖只是星星之火，但已展露出燎原的潛力。從當(dāng)前發(fā)展勢頭來看，RISC-V很有可能成為主宰世界的開放指令集標(biāo)準(zhǔn)。

中國開放指令生態(tài)(RISC-V)聯(lián)盟成立

中國的學(xué)術(shù)界與企業(yè)界也已開始積極行動。歷經(jīng)九個(gè)月的研討與籌備，在網(wǎng)信辦、工信部、中科院等多個(gè)國家部委支持和指導(dǎo)下，計(jì)算所聯(lián)合國內(nèi)約20家單位組成的中國開放指令生態(tài)(RISC-V)聯(lián)盟(以下簡稱聯(lián)盟)于2018年11月8日，在浙江烏鎮(zhèn)舉行的第五屆互聯(lián)網(wǎng)大會上正式宣布成立。聯(lián)盟由倪光南院士任理事長(筆者任秘書長)，旨在以RISC-V指令集為抓手，聯(lián)合學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)界推動開源開放指令芯片及生態(tài)的健康發(fā)展。

為此，聯(lián)盟制定了一個(gè)“三步走”計(jì)劃，希望用10年左右的時(shí)間，到2030年逐步完成開源芯片生態(tài)的建立：第一步，為開源社區(qū)提供經(jīng)過流片驗(yàn)證的高質(zhì)量開源RISC-V核、IP核及SoC(System-on-Chip，片上系統(tǒng))芯片設(shè)計(jì)方案;第二步，逐步構(gòu)建一套基于開源工具鏈、開源IP、開源工藝庫的SoC芯片設(shè)計(jì)流程，為企業(yè)提供商業(yè)版工具與IP之外的開源方案;第三步，迭代優(yōu)化形成自動化的開源工具，提高設(shè)計(jì)驗(yàn)證效率，為大批科研機(jī)構(gòu)、中小企業(yè)提供定制芯片服務(wù)，降低芯片開發(fā)門檻。

敏捷開發(fā)開啟開源芯片生態(tài)大門

在美好的愿景之下，我們也要清醒地認(rèn)識到開源軟件在協(xié)作開發(fā)、質(zhì)量控制、商業(yè)模式、生態(tài)構(gòu)建等方面都經(jīng)歷了很多次失敗的嘗試與探索，才沉淀出成熟的開源軟件組合。

開源芯片生態(tài)仍處于襁褓階段，未來的發(fā)展也必然會面臨很多挑戰(zhàn)。開源芯片最大的挑戰(zhàn)之一在于芯片開發(fā)門檻高，如果能數(shù)量級降低開發(fā)門檻(成本與周期)，那就可能吸引廣大的芯片開發(fā)者。芯片敏捷開發(fā)，將會是降低芯片開發(fā)門檻的關(guān)鍵，將成為開啟開源芯片生態(tài)的鑰匙。

軟件開發(fā)早已采用敏捷開發(fā)模式，通過不斷迭代、循序漸進(jìn)的開發(fā)方法快速發(fā)布軟件產(chǎn)品，將以往數(shù)年的開發(fā)周期大幅縮減為幾個(gè)月甚至幾周。然而，如今芯片的開發(fā)周期仍然需要數(shù)年，往往設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作需要花費(fèi)1～2年，投片需要花費(fèi)約大半年。如果流片失敗，投入的時(shí)間和精力將會付之東流，風(fēng)險(xiǎn)非常大。這也導(dǎo)致今天基于這種模式開發(fā)的IP模塊價(jià)格非常高昂，進(jìn)一步又推高了芯片設(shè)計(jì)成本。

開發(fā)成本與周期正是芯片設(shè)計(jì)門檻高的主要原因。因此，芯片敏捷開發(fā)是有可能撬動上述困境的支點(diǎn)——如果通過敏捷開發(fā)模式將芯片設(shè)計(jì)成本降低到幾十萬甚至幾萬、開發(fā)周期降低到幾個(gè)月，那么用這種方式開發(fā)的IP模塊成本也將大幅下降，開發(fā)人員將更愿意開源與共享IP模塊。

當(dāng)芯片開發(fā)周期也能從數(shù)年縮減為幾個(gè)月，那將形成一種軟硬件協(xié)同的敏捷開發(fā)模式，這將顛覆現(xiàn)在的IT產(chǎn)品開發(fā)模式。如今，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)團(tuán)隊(duì)一般有負(fù)責(zé)手機(jī)APP的前端工程師，與負(fù)責(zé)服務(wù)器端的后端工程師配合起來一起開發(fā)。而在未來的軟硬件協(xié)同敏捷開發(fā)模式下，開發(fā)團(tuán)隊(duì)將包括軟件端工程師與硬件端工程師——軟件端通過幾個(gè)月開發(fā)出新的軟件功能，硬件端則用幾個(gè)月很快實(shí)現(xiàn)出相應(yīng)的加速芯片。這正是兩位圖靈獎得主John Hennessy與David Patterson在圖靈獎演講中所推崇的領(lǐng)域?qū)Ｓ皿w系結(jié)構(gòu)DSA(Domain-Specific Architecture)的體現(xiàn)。

事實(shí)上，在推廣RISC-V的同時(shí)，伯克利研究團(tuán)隊(duì)也開放了RISC-V的系統(tǒng)芯片實(shí)現(xiàn)Rocket Chip以及面向敏捷開發(fā)的硬件設(shè)計(jì)語言Chisel，期望通過“RISC-V+Rocket+Chisel”這三駕馬車推動芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域邁進(jìn)敏捷開發(fā)時(shí)代，降低芯片設(shè)計(jì)門檻。

我們團(tuán)隊(duì)也在基于新的硬件開發(fā)語言Chisel上開展了一系列芯片敏捷開發(fā)實(shí)踐，并取得了令人欣喜的效率。一個(gè)本科生的Chisel新手，可以在更短的時(shí)間內(nèi)編寫更少的代碼，代碼質(zhì)量就能達(dá)到和工程師相當(dāng)?shù)乃?，甚至還可以超越工程師。即使代碼質(zhì)量與傳統(tǒng)開發(fā)有20%的差距，敏捷開發(fā)仍然展現(xiàn)了其節(jié)省人力和時(shí)間的價(jià)值——能快速構(gòu)建一個(gè)可以工作的原型，對項(xiàng)目開展來說是非常有意義的。從這點(diǎn)來看，敏捷開發(fā)確實(shí)大大降低了硬件開發(fā)的門檻。

作為全世界最大的芯片用戶，中國一直希望能把國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)，各方也都在努力。借鑒開源軟件對于中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的作用，也許開源芯片設(shè)計(jì)是一條值得嘗試的道路。