本周，首届 RISC-V 中国峰会在上海科技大学举办。这是 RISC-V 第一次在北美以外地区举办同等规模的峰会。在本届大会上，中科院大学教授、中科院计算所研究员包云岗公布了国产开源高性能 RISC-V 处理器核心—— 香山 ，其核心以“湖”来命名架构代号，第一代叫做“雁栖湖”，“雁栖湖”RTL代码于今年4月完成，计划于7月基于台积电28nm工艺流片。第二代架构叫做“南湖”，将采用中芯国际14nm工艺，预计今年年底流片。北京微核芯参与了第一期的设计工作，目前团队正招募香山处理器二期联合开发合作伙伴，加入的企业已有字节跳动等公司。
作者 | 包云岗，2003年本科毕业于南京大学，2008年获中科院计算所博士学位，2010-2012年普林斯顿大学博士后，现为中科院计算所研究员，所长助理，先进计算机系统研究中心主任，中国科学院大学岗位教授，博士生导师，中国开放指令生态（RISC-V）联盟秘书长。
22号下午关于香山的报告，因为Zoom直播出现了技术故障，导致大家未能听到完整的报告，稍有些遗憾。考虑了一下，这里就把报告PPT直接贴出来，再加上我们在香山开发过程中的一些考虑和想法，跟大家分享。
这个报告主要回答四个问题：
- 一、为什么要做香山？
- 二、香山什么水平？
- 三、香山怎么做的？
- 四、香山未来如何发展？
一、为什么要做香山？
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（如下链接），为什么还要做一个开源的高性能RISC-V核？
RISC-V Exchange: Cores & SoCs - RISC-V International
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。
我们做了一年多的准备工作——申请经费，启动“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：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。
短短的的一年时间里，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。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，给予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）》写了一篇卷首语《伯克利科研模式的启发》中提出的：
袁岚峰：CCCF卷首语 ：伯克利科研模式的启发 | 包云岗
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。
二、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！
开源许可证方案对比（徐易难整理）
“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。
我们基于GitHub CI构建了一套流程化的自动回归测试框架，并在过去大半年不断增加测试负载，从cputest，risc-tests到Linux，到SPECCPU workload。这套自动回归测试框架在保障和验证芯片的正确性。
每个大项目总会有一些激动人心的时刻，这段30秒的小视频记录了香山在FPGA上启动Linux/Debian的时刻，略带喜感。
三、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。
香山的开发至少有两个重要的决策，第一个便是选择敏捷设计语言Chisel。很多人质疑Chisel，排斥Chisel，但是我们在充分评估后，还是决定使用Chisel。
我们团队是在2016年开始使用Chisel，一开始组里也充满质疑。2018年，我们设计了两组定量的对比实验，找了2位同学用Chisel、1位工程师用Verilog分别设计一个L2 Cache模块。通过一系列量化对比，得出了如下三个结论：
- Chisel开发效率远高于Verilog；
- 实现相同的功能，Chisel代码量仅为Verilog的1/5（因此香山的5万行Chisel代码相当于25万行Verilog代码）；
- Chisel的开发质量不比Verilog差。
后来将实验结果发表在2019年1月的《计算机研究与发展》。最近去华为交流，才知道这些对比结果也推动了华为内部组建了Chisel开发团队，如今华为也是Chisel的支持者。
2020年，我们又基于Chisel完成了一款8核标签化RISC-V处理器的流片，这是基于Rocket处理器核进行了标签化体系结构改造，采用TSMC 28nm工艺流片。虽然因为时间紧张，并没有进行细致的后端优化，但芯片返回后也还能正常运行在1.2GHz。这是一颗有一定复杂度的8核SoC芯片，但Chisel能应对。所以，我们相信Chisel可用来开发复杂芯片。
