如今中國的半導體產業要想改變現狀，已經很難完全靠初創企業與風險資本來追趕了，必須通過必要的產業政策來引導。借鑒中國互聯網產業的成功經驗，降低芯片設計的創新門檻是關鍵，而開源則是降低門檻的一大利器。

2018年，中國企業遭遇芯片禁售令而陷入困境，中國半導體產業的現狀再次引起各界廣泛關注。如何盡快找出一條破解之道，是大家都很關心的問題。

來自互聯網產業的啟發

2018年4月10日，美國國會聽證會上，臉書創始人馬克·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，中國有很多強大的互聯網公司。

蘇：好吧，但剛才那個問題你應該回答“是”。

顯然，在扎克伯格看來，中國的互聯網公司在國際上是具有競爭力的。中國占據世界十大互聯網公司的四席，部分業務，如移動支付也處于世界領先地位。2016年中國的移動支付金額達到了5.5萬億美元，是美國的50倍。

中國互聯網公司的成功離不開背后強大的技術支持，而開源軟件就是背后強大的技術支撐之一，助力了中國互聯網產業的成功。這些開源軟件被企業普遍使用來構建其業務系統。

開源軟件，是一種源代碼可以自由獲取并在遵循開源協議的規定下，開發者可進行自行修改的計算機軟件。

對于互聯網企業而言，開源軟件為它們節省大量的時間與成本。據統計，常用的開源軟件已經構成了一個價值超過150億美元的開源軟件生態，成為互聯網公司(尤其是初創公司)構建其業務的標配，讓其可以更專注于業務創新。

有了開源軟件，當人們想創辦新公司時，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需要進行合適的修改，有時三五位開發人員在幾個月時間里就可以快速搭建出一個業務原型。因此，開源軟件很重要的意義在于大大降低了互聯網創新的門檻。

另一方面，開源軟件也可以讓中國的互聯網產業，在軟件技術方面不再面臨“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域更具競爭力。

仔細觀察，開源軟件解決了中國互聯網產業發展過程中的兩大難題，一是降低了創新的門檻，二是擺脫了技術上的受制于人。而這兩個難題正是當前中國半導體產業所面臨的困境。我們是否可以從中國互聯網產業擁抱開源的經驗中獲得啟發呢?

我們認為，除了國家加大對卡脖子技術的重點扶持以正面應對之外，呼吁各界在芯片領域也積極擁抱開源、參與開源芯片行動，就像曾經的互聯網產業擁抱開源一樣，不失為一條新的道路。

芯片資金高門檻讓人追趕無望

然而，與軟件領域不同，目前芯片領域的創新門檻之高、投入之大是業內公認的。

設計與制造一款芯片涉及到多個環節，每個環節都需要相當的資金與人力投入。以28nm工藝研制一款系統芯片為例，比較完整的電子設計自動化工具使用版權費超過500萬元，購買內存控制器等外圍IP模塊(指某一方提供的可重用的邏輯單元、集成線路布局設計、器件;IP核通常已經通過了設計驗證，設計人員以IP核為基礎進行設計，可以縮短設計所需的周期)費用往往達到500～1000萬元，流片費用根據芯片面積大小而定，但一般也會達到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超過2000萬元。

另一方面，芯片的研發往往需要數十位工程師，花上一年的時間來設計與驗證，僅工資開銷就需要上千萬元。此外，芯片設計與驗證時哪怕出現一個很小的錯誤，都有可能導致芯片最終無法工作。不光前期的投入打水漂，開發人員還不得不再花上千萬元重新流片。

芯片領域的高門檻客觀上嚴重阻礙了創新。在互聯網領域，得益于開源軟件，擁有創新想法的互聯網初創公司，往往只需幾十萬元，便可以在幾個月時間里推出原型產品進行迭代優化。相比而言，芯片領域的初創公司卻需要數千萬的資金，而且迭代優化還要很長的時間周期，所以很難想象風險投資人愿意把錢砸給這類初創公司。

事實上，半導體、大規模集成電路發展的黃金期是上世紀六七十年代，當時芯片規模都很小、成本較低，卻又具有很高的收益，吸引了美國、日本、中國***等大量優秀的人才投入到半導體領域創辦公司，也吸引了大量資本投入到這個領域，但中國大陸錯過了那個黃金時代。

經過半個世紀的發展，少數發達國家和地區通過市場機制自然地形成了技術積累與產業優勢，同時構建了極高的創新門檻，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。

如今中國的半導體產業要想改變現狀，已經很難完全靠初創企業與風險資本來追趕了，必須通過必要的產業政策來引導。我認為，借鑒中國互聯網產業的成功經驗，降低芯片設計的創新門檻是關鍵，而開源則是降低門檻的一大利器。

伯克利團隊的禮物

近期受到普遍關注的開放指令集RISC-V，從生態構建角度為開源芯片設計作出了積極的工作。RISC-V是由美國加州大學伯克利分校的Krste Asanovic教授與圖靈獎得主David Patterson教授帶領團隊設計的一套開放指令集。

Krste Asanovic教授與David Patterson教授

伯克利團隊推出RISC-V，正是受到了開源軟件的啟發，但開源軟件生態和處理器芯片生態的情況卻大不相同。

開源軟件中的不同領域，都有一套開放的標準(Standard)，在這套開放的標準之下，既有開放自由的實現，也有企業私有的實現。雖然總體上私有實現的效果更優，但開放自由的社區也非常活躍。

然而，處理器芯片領域，從指令集(處理器為軟件開發提供的編程接口)到處理器實現全是Intel、ARM這樣的私有企業掌控，甚至連開放的指令集標準都沒有，更不用說開源的處理器芯片設計。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?借鑒軟件領域的發展狀況，伯克利研究團隊認為，指令集體系結構作為軟硬件接口的一種標準，不應該像x86和ARM等指令集那樣需要授權才能使用，而應該開放(Open)出來讓大家自由(Free)使用，這樣才能塑造芯片領域的繁榮生態。

于是，他們啟動了一個項目，從零開始設計一款新的指令集，將其命名為RISC-V(讀作RISC-Five)，并將其徹底開放。

伯克利團隊希望全世界任何公司、大學、研究機構與個人都可以開發兼容RISC-V指令集的處理器，都可以融入到基于RISC-V構建的軟硬件生態系統，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準，就如同TCP/IP定義了網絡包的標準、POSIX定義了操作系統的系統調用標準。基于標準可以有開源的實現，也可以有商業版的實現。

第一版RISC-V指令集于2011年發布，經過多年的發展，如今RISC-V社區已經度過了艱難的起步階段，正進入快速發展期，前景樂觀。全世界很多企業選擇從ARM轉向RISC-V，全球第一大硬盤公司西部數據已經宣布，未來產品將全面使用RISC-V處理器核心，每年將達到10億顆!

美國的DARPA(美國國防高級研究計劃局)也認為，降低芯片設計門檻將會為未來芯片創新創造巨大的機會。因此，在2017年啟動“電子復興計劃”(Electronic Resurgence Initiative)，DARPA將開源芯片設計作為核心目標之一，每年投入超過2億美元的經費，研究如何降低芯片設計門檻，先后資助了5個開源硬件項目(PERFECT、CRAFT、SSITH、POSH、IDEA)，部分項目明確指明需要基于RISC-V指令集。DARPA認為開源芯片設計將會為2025～2030年的美國，賦予在半導體電子領域更強大的創新能力。除此之外，其他一些國家政府部門的芯片研究項目也開始選擇RISC-V，比如以色列國家創新局(Israel Innovation Authority)選擇基于RISC-V研制為全國企業服務的處理平臺。

印度政府更是將RISC-V視為一次發展處理器的機會。他們為處理器戰略項目(SHAKTI)資助9000萬美元，目標是研制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應用領域。2016年1月，印度電子信息技術部又資助了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關于神經形態加速器(neuromorphic accelerator)項目中，也將RISC-V作為計算主核心。過去幾年，印度政府資助的處理器相關項目都開始向RISC-V靠攏。

縱觀國際形勢，我們可以發現，當前一些低端芯片已經有比較豐富的開源芯片設計資源。例如，假設使用180nm工藝研制一款芯片，那么電子設計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現，門檻已經很低了。

然而，對于中高端的芯片，還缺乏類似全套的開源芯片設計工具鏈與器件資源。讓我們暢想一下，如果全世界也擁有了價值上百億美元的開源芯片設計所需的電子設計自動化工具鏈、IP模塊、工藝庫等，中高端芯片研制成本降低兩個數量級，從數千萬元降至十萬元級別，那么芯片領域的創新將會像今天的互聯網那樣層出不窮，中國半導體產業卡脖子的問題也將會迎刃而解。

發展生態中國成立RISC-V聯盟

和開源軟件對于中國互聯網產業的作用類似，開源芯片生態若能形成氣候，則會大幅降低芯片創新門檻，將會對中國乃至全世界半導體產業產生深遠的、積極的影響。

構建開源芯片生態是偉大的理想。但是，只有RISC-V又是遠遠不夠，還需要開源的電子設計自動化工具鏈、IP模塊、工藝庫等協同合作，才能實現真正的開源芯片生態。

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

中國開放指令生態(RISC-V)聯盟成立

中國的學術界與企業界也已開始積極行動。歷經九個月的研討與籌備，在網信辦、工信部、中科院等多個國家部委支持和指導下，計算所聯合國內約20家單位組成的中國開放指令生態(RISC-V)聯盟(以下簡稱聯盟)于2018年11月8日，在浙江烏鎮舉行的第五屆互聯網大會上正式宣布成立。聯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，聯合學術及產業界推動開源開放指令芯片及生態的健康發展。

為此，聯盟制定了一個“三步走”計劃，希望用10年左右的時間，到2030年逐步完成開源芯片生態的建立：第一步，為開源社區提供經過流片驗證的高質量開源RISC-V核、IP核及SoC(System-on-Chip，片上系統)芯片設計方案;第二步，逐步構建一套基于開源工具鏈、開源IP、開源工藝庫的SoC芯片設計流程，為企業提供商業版工具與IP之外的開源方案;第三步，迭代優化形成自動化的開源工具，提高設計驗證效率，為大批科研機構、中小企業提供定制芯片服務，降低芯片開發門檻。

敏捷開發開啟開源芯片生態大門

在美好的愿景之下，我們也要清醒地認識到開源軟件在協作開發、質量控制、商業模式、生態構建等方面都經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。

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

軟件開發早已采用敏捷開發模式，通過不斷迭代、循序漸進的開發方法快速發布軟件產品，將以往數年的開發周期大幅縮減為幾個月甚至幾周。然而，如今芯片的開發周期仍然需要數年，往往設計和驗證工作需要花費1～2年，投片需要花費約大半年。如果流片失敗，投入的時間和精力將會付之東流，風險非常大。這也導致今天基于這種模式開發的IP模塊價格非常高昂，進一步又推高了芯片設計成本。

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

當芯片開發周期也能從數年縮減為幾個月，那將形成一種軟硬件協同的敏捷開發模式，這將顛覆現在的IT產品開發模式。如今，互聯網應用開發團隊一般有負責手機APP的前端工程師，與負責服務器端的后端工程師配合起來一起開發。而在未來的軟硬件協同敏捷開發模式下，開發團隊將包括軟件端工程師與硬件端工程師——軟件端通過幾個月開發出新的軟件功能，硬件端則用幾個月很快實現出相應的加速芯片。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域專用體系結構DSA(Domain-Specific Architecture)的體現。

事實上，在推廣RISC-V的同時，伯克利研究團隊也開放了RISC-V的系統芯片實現Rocket Chip以及面向敏捷開發的硬件設計語言Chisel，期望通過“RISC-V+Rocket+Chisel”這三駕馬車推動芯片設計領域邁進敏捷開發時代，降低芯片設計門檻。

我們團隊也在基于新的硬件開發語言Chisel上開展了一系列芯片敏捷開發實踐，并取得了令人欣喜的效率。一個本科生的Chisel新手，可以在更短的時間內編寫更少的代碼，代碼質量就能達到和工程師相當的水平，甚至還可以超越工程師。即使代碼質量與傳統開發有20%的差距，敏捷開發仍然展現了其節省人力和時間的價值——能快速構建一個可以工作的原型，對項目開展來說是非常有意義的。從這點來看，敏捷開發確實大大降低了硬件開發的門檻。

作為全世界最大的芯片用戶，中國一直希望能把國產芯片產業做大做強，各方也都在努力。借鑒開源軟件對于中國互聯網發展的作用，也許開源芯片設計是一條值得嘗試的道路。