中科院大學(xué)本科生9個(gè)月成功設(shè)計(jì)出64位處理器：已成功流片

來源 ：芯片之家

2020年7月25日，中國科學(xué)院大學(xué)（以下簡稱“國科大”）在玉泉路校區(qū)禮堂報(bào)告廳舉行新聞發(fā)布會(huì)，公布了首期“一生一芯”計(jì)劃成果——在國內(nèi)首次以流片為目標(biāo)，由五位2016級本科生主導(dǎo)完成一款64位RISC-V處理器SoC芯片設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)流片，芯片能成功運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)以及學(xué)生自己編寫的國科大教學(xué)操作系統(tǒng)UCAS-Core。

據(jù)了解，上述64位RISC-V處理器名為“果殼(NutShell)”，基于中芯國際110nm工藝，值得一提的是，RISC-V全球論壇已經(jīng)接收了“果殼”團(tuán)隊(duì)的投稿，上述同學(xué)將代表團(tuán)隊(duì)于9月3日向全球業(yè)界介紹“果殼”的設(shè)計(jì)。這是“果殼”首次在國際舞臺(tái)上亮相。

據(jù)介紹，中國科學(xué)院大學(xué)公布了第一期一生一芯計(jì)劃的成果，國科大2016級計(jì)算機(jī)學(xué)院五位本科生實(shí)現(xiàn)帶著自己設(shè)計(jì)的處理器芯片畢業(yè)，堪稱“超硬核畢業(yè)證書”。

·2019年12月19日，一款64位RISC-V處理器SoC芯片完成設(shè)計(jì)，并基于中芯國際110nm工藝完成投片；

·2020年4月23日，處理器芯片返回，經(jīng)過調(diào)試測試驗(yàn)證，芯片成功運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)以及學(xué)生自己編寫的國科大教學(xué)操作系統(tǒng)UCAS-Core；

·2020年6月2日，王華強(qiáng)同學(xué)代表“一生一芯”團(tuán)隊(duì)向畢業(yè)答辯委員會(huì)演示處理器芯片的功能，五位同學(xué)交出了一份超出預(yù)期的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)“答卷”。這標(biāo)志著首期“一生一芯”計(jì)劃取得圓滿成功。

“一生一芯”計(jì)劃負(fù)責(zé)人、國科大計(jì)算機(jī)學(xué)院教授、中科院計(jì)算所先進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究中心主任包云崗介紹，學(xué)生們將這款處理器芯片命名為“果殼（NutShell）”，與“國科”發(fā)音相同，希望通過自己設(shè)計(jì)的處理器芯片來寄托對國科大深厚的情感。

包云崗向媒體透露，RISC-V全球論壇剛剛接收了“果殼”團(tuán)隊(duì)的投稿，王華強(qiáng)同學(xué)將代表團(tuán)隊(duì)于9月3日向全球業(yè)界介紹“果殼”的設(shè)計(jì)。“這是‘果殼’首次在國際舞臺(tái)上亮相。RISC-V全球論壇的報(bào)告均來自世界各地的業(yè)界資深專家，包括圖靈獎(jiǎng)得主David Patterson教授。”

孫凝暉表示，處理器芯片被公認(rèn)為芯片產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠，設(shè)計(jì)復(fù)雜度高、難度大。我國處理器芯片設(shè)計(jì)人才嚴(yán)重緊缺，如何加快此類人才的培養(yǎng)規(guī)模與培養(yǎng)速度，是我國迫在眉睫的難題。

針對處理器設(shè)計(jì)人才危機(jī)， “一生一芯”計(jì)劃的愿景目標(biāo)是在國科大實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上向全國輻射，幫助更多高校形成從處理器芯片設(shè)計(jì)到流片并運(yùn)行操作系統(tǒng)的實(shí)踐課程，提高我國處理器芯片設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)規(guī)模，縮短人才從培養(yǎng)階段到投入科研與產(chǎn)業(yè)一線的周期，力爭實(shí)現(xiàn)3年后在全國每年能培養(yǎng)500名學(xué)生，5年后實(shí)現(xiàn)每年培養(yǎng)1000名學(xué)生，10年達(dá)到每年培養(yǎng)1萬名學(xué)生。

據(jù)了解，去年7月9日上午，中國科學(xué)院大學(xué)第一張本科生錄取通知書完成打印。第一個(gè)收到錄取通知書的考生打開后發(fā)現(xiàn)信封中夾著一枚龍芯處理器。

昨天，中國科學(xué)院大學(xué)在最新的微博中表示，國科大本科生超硬核畢業(yè)證已產(chǎn)生，并預(yù)熱了今年本科生的“硬核”錄取通知書。不出意外，該大學(xué)在錄取通知書和畢業(yè)證書夾層中也會(huì)夾有芯片。

一份畢業(yè)設(shè)計(jì)，或許離量產(chǎn)以及終端應(yīng)用還有一段距離，不過軒爸卻注意到了其中提到的“RISC-V處理器SoC芯片”，對于不少科技粉而言，RISC-V處理器恐怕一點(diǎn)也不陌生。

RISC-V（發(fā)音為“risk-five”）是一個(gè)基于精簡指令集（RISC）原則的開源指令集架構(gòu)（ISA）。與大多數(shù)指令集相比，RISC-V指令集可以自由地用于任何目的，允許任何人設(shè)計(jì)、制造和銷售RISC-V芯片和軟件。雖然這不是第一個(gè)開源指令集，但它具有重要意義，因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)使其適用于現(xiàn)代計(jì)算設(shè)備（如倉庫規(guī)模云計(jì)算機(jī)、高端移動(dòng)電話和微小嵌入式系統(tǒng)）。設(shè)計(jì)者考慮到了這些用途中的性能與功率效率。該指令集還具有眾多支持的軟件，這解決了新指令集通常的弱點(diǎn)。

“未來RISC-V很可能發(fā)展成為世界主流CPU之一，從而在CPU領(lǐng)域形成Intel(英特爾)、ARM、RISC-V三分天下的格局。”2019年12月18日，在北京舉行的“2019國際芯片大會(huì)(Chips 2019)”上，中國工程院院士倪光南如此展望開源芯片的前景。

中國工程院院士廖湘科也表示，RISC-V指令集擺脫了原有指令集的兼容性桎梏，集合了多種指令集ISA的優(yōu)點(diǎn)，目前在國內(nèi)正蓬勃發(fā)展。

目前，世界上生態(tài)最為成熟的兩種指令集架構(gòu)的CPU分別是Intel x86指令集架構(gòu)CPU和ARM指令集架構(gòu)CPU。

Intel x86指令集架構(gòu)CPU歷史悠久，壟斷了桌面和服務(wù)器領(lǐng)域，被美國的Intel和AMD兩家公司擁有，罕有對外授權(quán)。ARM指令集架構(gòu)CPU近年崛起，在移動(dòng)和嵌入式等領(lǐng)域占壟斷地位。世界上很多公司花費(fèi)數(shù)百萬至上億元費(fèi)用向ARM公司購買CPU許可，還要向公司繳納特許權(quán)使用費(fèi)(Royalty fee)。

對此，倪光南表示，“未來RISC-V很可能發(fā)展成為世界主流CPU之一。”這與其本身開放、簡約的特點(diǎn)有關(guān)。在設(shè)計(jì)方面，免除授權(quán)費(fèi)用和知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)的完全開源免費(fèi)，是RISC-V存在的主要意義。RISC-V指令集在最初設(shè)計(jì)時(shí)，其研發(fā)團(tuán)隊(duì)就明確表示要追求簡約，丟棄歷史包袱。目前成型的技術(shù)代碼集小、支持模塊化、性能優(yōu)越，能滿足從微控制器到超級計(jì)算機(jī)等各種復(fù)雜程度的處理器需求，支持從FPGA、ASIC乃至未來器件等多種實(shí)現(xiàn)方式。

RISC-V處理器并非是一個(gè)純粹的概念或者僅停留在學(xué)術(shù)討論上的存在，RISC-V基金會(huì)于2005年成立，這是一個(gè)非盈利中立機(jī)構(gòu)和開放社區(qū)，主要負(fù)責(zé)日常維護(hù)RISC-V指令集標(biāo)準(zhǔn)手冊與架構(gòu)文檔，參與RISC-V相關(guān)規(guī)范制定和軟硬件生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。倪光南介紹，基金會(huì)采取會(huì)員制管理，目前有上百家會(huì)員單位，中科院計(jì)算所是發(fā)起和審計(jì)會(huì)員，阿里、華為是白金會(huì)員。這種開放式管理模式能夠有效促進(jìn)RISC-V社區(qū)的交流和創(chuàng)新，形成生態(tài)系統(tǒng)，從而降低研發(fā)成本，打破芯片市場的壟斷。

目前，RISC-V開放的生態(tài)已經(jīng)讓眾多廠商紛紛選擇使用RISC-V指令集研發(fā)下一代芯片，英偉達(dá)(Nvidia)將使用RISC-V指令集制作下一代GPU上的周邊微控制器，西部數(shù)據(jù)(Western Digital)計(jì)劃在下一代存儲(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。另外，西門子、三星、谷歌、IBM、特斯拉、高通、恩智浦、日立等大廠都在RISC-V指令集芯片上有所布局。

而相對于國際各大巨頭對RISC-V的持續(xù)投入與跟進(jìn)，我國使用RISC-V指令集制作的芯片也開始初露頭角。2019年7月18日，中科物棲展示了基于RISC-V的AIoT芯片和整機(jī)方案，7月25日，阿里巴巴旗下半導(dǎo)體公司平頭哥出品的玄鐵910(XuanTie910)芯片同樣是一款RISC-V處理器，它可以用于設(shè)計(jì)制造高性能端上芯片，應(yīng)用于5G、人工智能以及自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。

玄鐵是阿里平頭哥研發(fā)的RISC-V處理器，其中去年推出的玄鐵910號稱最強(qiáng)RISC-V處理器，12nm工藝，采用3發(fā)射8執(zhí)行的復(fù)雜亂序執(zhí)行架構(gòu)，是業(yè)界首個(gè)實(shí)現(xiàn)每周期2條內(nèi)存訪問的RISC-V處理器；基于RISC-V擴(kuò)展了50余條指令，系統(tǒng)性增強(qiáng)了RISC-V的計(jì)算、存儲(chǔ)和多核等方面能力。

據(jù)了解，玄鐵910單核性能達(dá)到7.1 Coremark/MHz，主頻達(dá)到2.5GHz，比目前業(yè)界最好的RISC-V處理器性能高40%以上。

而2020年7月22日國內(nèi)最大智能語音芯片商全志科技(以下簡稱“全志”)已和阿里旗下半導(dǎo)體公司“平頭哥”達(dá)成戰(zhàn)略合作?；谄筋^哥玄鐵處理器，全志將研發(fā)全新的計(jì)算芯片，應(yīng)用于工業(yè)控制、智能家居、消費(fèi)電子等領(lǐng)域，預(yù)計(jì)3年出貨5000萬顆。

RISC-V被認(rèn)為是繼X86架構(gòu)和ARM架構(gòu)之后第三個(gè)主流架構(gòu)，根據(jù)分析機(jī)構(gòu)Semico Research的報(bào)告，預(yù)計(jì)到 2025 年，采用RISC-V架構(gòu)的芯片數(shù)量將增至624億顆，2018年至2025年復(fù)合增長率高達(dá)146%。

目前，在研的 RISC-V 處理器的主要應(yīng)用方向是超高性能計(jì)算及向量計(jì)算。未來，以高通、三星、西數(shù)為首的半導(dǎo)體廠商均已不同程度的投入到基于RISC-V的產(chǎn)品線，以芯片研發(fā)的一般周期來看，未來2-3年將會(huì)陸續(xù)有芯片問世，尤其在AIoT、IIoT、5G 等領(lǐng)域?qū)?huì)有更多基于RISC-V的產(chǎn)品問世。”

RISC-V基于開源社區(qū)的軟件生態(tài)還在快速發(fā)展中，目前的軟件生態(tài)已經(jīng)能夠滿足應(yīng)用的需求，對某些工程師來說熟悉 RISC-V 需要有個(gè)并不復(fù)雜的學(xué)習(xí)過程，但不存在基礎(chǔ)的障礙，依托于RISC-V基金會(huì)打造的規(guī)范開源生態(tài)，兼容性不是很大的挑戰(zhàn)。

此外，RISC-V基金會(huì)是RISC-V產(chǎn)業(yè)化的最重要的推手，中國開放指令生態(tài)(RISC-V)聯(lián)盟在推動(dòng)RISC-V國內(nèi)落地 / 產(chǎn)業(yè)教育上也做了很多的貢獻(xiàn)。在這些組織和公司的努力下，RISC-V基于開源社區(qū)的軟件生態(tài)將日趨成熟。從某種意義上講，RISC-V 被認(rèn)為是“中國芯”崛起的歷史機(jī)遇，也是我國半導(dǎo)體芯片彎道超車的好機(jī)會(huì)。

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