开源高性能处理器“香山”研发骨干来自国科大一生一芯计划
近日，在首届RISC-V中国峰会上，中国科学院大学教授、中国科学院计算技术研究所研究员包云岗公布了开源高性能RISC-V处理器“香山”，相关报告引起了广泛关注。据包云岗披露，国科大首期“一生一芯”计划的五位同学（金越、王华强、王凯帆、张林隽、张紫飞）是这支开发团队的技术骨干，而国科大2017级本科生陈国凯作为第二期“一生一芯”计划的成员参与了“香山”的开发。从2020年夏天公布的“果壳（NutShell）”芯片到如今的“香山”，又有哪些新的关注点？一起来看包云岗老师的回答。
要让“香山”像Linux那样至少存活30年
2010年RISC-V诞生，迄今已有11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，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，允许全世界任何人免费实现一个RISC-V处理器，可以是商用，也可以开源，这是和公司私有的X86/ARM指令集相比最大的区别之一。但是，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（中科院计算所高级工程师）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”从“雁栖湖”到“南湖”的成长过程
我们做了一年多的准备工作——申请经费，启动国科大“一生一芯”计划培养人才，建立团队，寻找合作伙伴……这期间得到了太多太多人的支持和帮助：国科大计算机学院院长、中科院计算所孙凝晖院士帮我们多处找经费，国科大全力支持“一生一芯”计划，鹏城实验室支持我们建立起后端物理设计团队，多位中科院计算所老所友毅然决定参与开源主线等等，就不一一列举了。
终于，“香山”正式启动了——2020年6月11日，“香山”在GitHub上建立了代码仓库。
当时团队18人的平均年龄是26.5岁，去掉3位40岁以上拖后腿的“老人”，剩下15位平均年龄只有23.1岁；带领“香山”团队开发的队长徐易难只有23岁。后来加入的好几位，年龄也在25岁以下。国科大首期“一生一芯”计划的五位同学（金越、王华强、王凯帆、张林隽、张紫飞）本科一毕业便加入了“香山”的开发，成为了技术骨干。
“香山”开发初期速度非常快，建立代码仓库后，不到一个月时间，7月6日乱序流水线便已完成，能正确运行CoreMark；9月12日，Linux正确启动；10月22日，Debian正确启动。短短的一年时间里，25位同学和老师参与了“香山”的开发。821次主分支代码合并，3296次代码提交（commit），5万余行代码，400多个文档，记录了“香山”的成长过程。
作为一款开源RISC-V处理器核，“香山”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，因为他们都在国科大雁栖湖校区集中学习了一年。
“雁栖湖”RTL代码于2021年4月完成，计划于7月基于TSMC28nm工艺流片，目前频率为1.3GHz。“雁栖湖”架构是一个11级流水、6发射、4个访存部件的乱序处理器核。在发射宽度上已经可以和一些ARM高端处理器核相当，但还未进行充分优化，因此实际性能还有不小的差距。我们希望未来通过持续迭代优化（“南湖”-->"X湖"-->"Y湖"-->……），性能达到ARM A76的水平。
第二版架构代号是“南湖”，这是向建党100周年致敬。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。“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，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。我们的理念是代码开源、流程开放、文档公开。这期间，有企业直接参与开发，也有企业表达参与意向，都因为认同开源理念，愿意一起来共建开源的“香山”。这些来自工业界的积极反馈，给与我们极大的鼓舞和信心，让我们更坚定地去践行“科研重工业模式”。
“科研重工业模式”，是 2020年1月我为《中国计算机学会通讯（CCCF）》写的一篇卷首语《伯克利科研模式的启发》中提出的：“回顾伯克利的科研历程，可以发现他们在过去几十年研制了大量的原型系统，不仅推动了技术进步甚至颠覆产业，也培养了一代代杰出人才（其中多位获得图灵奖）：1950年代CALDIC系统(Doug Englebart)，1960年代Project Genie系统(Butler Lampson与Chuck Thacker)，1970年代BSD Unix操作系统与INGRES数据库系统(Michael Stonebraker)，1980年代RISC处理器(David Patterson)，1990年代RAID存储系统与NOW机群系统……如果用一句话来总结伯克利的科研模式，那就是——热衷于研制真正能改变现状的原型系统，哪怕需要大量工程投入。”国重主任、国科大计算机学院院长孙凝晖院士称之为“科研重工业模式”。
“科研重工业模式”，我们不想纸上谈兵，我们要用行动去实践
2020年，国科大首期“一生一芯”计划中诞生的“果壳（NutShell）”还是一个教学芯片，它主要是用来培养人才的，但是“香山”是一个面向产业界的、真正想要用到产业界的一种芯片。
国科大首期“一生一芯”计划的同学们在“香山”中承担了大量的工作，贡献的代码可能会有接近1/5，在首期“一生一芯”刚结束，他们就直接投入到“香山”的开发中了。他们其实才国科大研一，但他们原来在“一生一芯”计划当中锻炼出来的能力，在“香山”的开发当中发挥了重大的作用。可以看到，他们在这种更有挑战的项目中，真的是得到了更多的锻炼。第二期“一生一芯”计划的国科大2017级本科生陈国凯，在“香山”中也承担了一些验证性的工作。
在第二期“一生一芯”计划中，我们采用了一种新的架构，允许多个同学他们各自做自己的设计，然后我们通过技术上的架构，把这些芯片都可以集成到一起。从长远发展的角度来看，这样可以让每一位同学的成本降低。因为第一期“一生一芯”计划中每一位同学平均下来是5万块钱，那么第二期我们就可以降到2万以内了。
当然我们在第二期也遇到了一些新的问题，比如说我们让每一位同学自己单独做一个芯片，这种挑战比第一期合作芯片要更大，对学生而言他们可能会觉得有更大的压力。我们在后续的培养计划中，也会考虑两种方法相结合，既要能够培养每位同学他们独立的创造能力，同时也要加强他们多人协作的能力，我们会继续优化培养方案。
我们在开发“香山”的过程中，一直在强调流程、平台、基础设施的重要性。在团队中我更多是扮演了啦啦队队长的角色，而同学们则真正将理念落实到了具体行动。比如，为了更好地支持Chisel开发与调试，为了更快地捕捉、复现和定位bug，为了更准确地评估优化技术的性能收益，同学们开发十余种各具特色的工具。这些工具支撑起了一套处理器芯片敏捷开发的流程。当然，这套流程还比较初级，尚不系统化。我们也期待更多的开源开发者加入，一起完善这套敏捷设计流程。
本次RISC-V中国峰会将成为国内迄今为止规模最大的以RISC-V为主题的峰会（World Conference），这也是RISC-V第一次在北美以外地区举办这样规模的峰会。整个“香山”开发团队在RISC-V中国峰会上和大家分享22个技术报告。这些报告都是清一色的90后，很多都是95后，来自国科大和其他高校院所的这些同学们在“香山”的开发过程中做出了不可替代的贡献。
我想说，欢迎来国科大，和我们一起探索世界科技前沿！
关于“香山”
“香山”是一款开源的高性能 RISC-V 处理器，基于 Chisel 硬件设计语言实现，支持 RV64GC 指令集。在“香山”处理器的开发过程中，团队使用了包括 Chisel、Verilator 等在内的大量开源工具，实现了差分验证、仿真快照、RISC-V 检查点等处理器开发的基础工具，建立起了一套包含设计、实现、验证等在内的基于开源工具的处理器前端敏捷开发流程。
（文稿整理自“首届 RISC-V 中国峰会 2021 年6 月 21 日起在上海举行，有什么值得关注的地方？”包云岗回答和相关访谈，已获包云岗授权）
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