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6 月 Google 開發(fā)者上線了一個芯片設(shè)計的網(wǎng)站,網(wǎng)站的宣傳語表示該網(wǎng)站會讓每個人更容易大規(guī)模地構(gòu)建定制芯片。
據(jù) Google 介紹 Google 與 SkyWater Technology 代工廠和 Efabless 合作,提供完全開源的工藝設(shè)計套件 (PDK) 和相關(guān)工具,以便任何開發(fā)人員都可以創(chuàng)建可制造的硅設(shè)計。每隔一個月,用戶可以提交開源設(shè)計以進入 Open MPW 穿梭計劃并免費制造自己設(shè)計的芯片。
Google 與 Skywater efabless 的合作從 2020 年開始,作為 RISC-V 基金會和 Linux 基金會 CHIPS 聯(lián)盟項目的創(chuàng)始成員,谷歌其實一直在支持開源芯片相關(guān)領(lǐng)域,包括為 lowRISC 在內(nèi)的關(guān)鍵開放硬件工作提供資金、戰(zhàn)略和法律支持。
清華大學資深教授評價,Google 抓住了集成電路產(chǎn)業(yè)去中心化的關(guān)鍵點。本次 Google 的項目會帶來什么樣的不同,開源會為半導體產(chǎn)業(yè)帶來怎樣的改變呢?
01 人人都能設(shè)計芯片的時代來了?
Google 的這一網(wǎng)站并不是從 0 到 1 建立起來的,而是與其他公司共同合作以實現(xiàn)用戶的需求。
其中,提供設(shè)計 IP 的公司為 Efabless。Efabless 是一個面向“智能”產(chǎn)品的開放式創(chuàng)新、硬件創(chuàng)建平臺。通過提供半導體和硬件系統(tǒng)創(chuàng)新者所需的定制集成電子產(chǎn)品,以將他們的產(chǎn)品愿景變?yōu)榭射N售的產(chǎn)品。Efabless 專注于按需和定制 IP。芯片公司從 Efabless 獲取 IP 的方法有兩種:一種是可以在不斷增長的經(jīng)過驗證的設(shè)計庫中搜索現(xiàn)有 IP,第二種則是委托 Efabless 社區(qū)設(shè)計新的 IP 和衍生產(chǎn)品。
Efabless Caravel 是一種即用型測試工具,用于使用 Google/Skywater 130nm Open PDK 創(chuàng)建設(shè)計。Caravel 線束包括支持 IO、電源和配置的基本功能以及用于管理 SoC 內(nèi)核的插入模塊,以及用于放置用戶 IP 塊的大約 3000 微米 x 3600 微米的開放項目區(qū)域。
除了工具,Google 還給使用者提供了學習的教程,理論上來說,這一舉動為所有人提供了設(shè)計芯片的舞臺。這一網(wǎng)站推出后,有評論稱這正是半導體從業(yè)者期待教育系統(tǒng)能為相關(guān)專業(yè)學生提供的實踐項目。
目前這一計劃已經(jīng)有了 76 個教程,話題領(lǐng)域包括 ASIC、eFPGA、CMOS 芯片、測試流片等。
雖然在理論上可以實現(xiàn)人人都能造芯片,不過距離這一現(xiàn)實顯然時間很長。雖然 Google 提供了教程,但能夠通過自學學會相關(guān)課程對用戶本身的知識體系就有很大的挑戰(zhàn),總體而言這個網(wǎng)站的意義更大的點在于為集成電路專業(yè)的學生以及創(chuàng)業(yè)者提供設(shè)計芯片樣品的機會。
據(jù)在代工廠的相關(guān)人士介紹,即使是使用 40nm 制程的流片,一次成本也在 30 萬-50 萬美元左右,這樣的數(shù)字對于于個人來說,很難承受。但是這樣的平臺對于芯片行業(yè)的創(chuàng)新力一定會有正向的激勵。
從芯片產(chǎn)業(yè)來說,Google 并不算產(chǎn)業(yè)上的主要玩家。不過 Google silicon 團隊已經(jīng)有產(chǎn)品問世。2021 年 10 月 Google silicon 團隊宣布了其首款自研芯片 Tensor。Tensor 芯片采用 5nm 制程,CPU 為八核設(shè)計,分為大中小三核——兩個以 2.8GHz 運行的 ARM Cortex-X1 內(nèi)核、兩個以 2.25GHz 運行的 Cortex A76 內(nèi)核,以及四個 1.8GHz A55 內(nèi)核。GPU 為 20 核設(shè)計。據(jù)悉這款設(shè)計耗費了 Google silicon 團隊四年的時間,那么深知芯片從設(shè)計到成品之中的艱辛的 Google 為何要推出這一網(wǎng)站呢?
02 Google 的芯片網(wǎng)站是芯片界的 Github?
Google 的這一次操作更深層的關(guān)鍵在于搭建一個開源的社區(qū)。
開源,在 Google 更加熟悉的軟件領(lǐng)域已經(jīng)形成了成熟的生態(tài)氛圍。開源已成為一種超越軟件生產(chǎn)界限的運動和工作方式。開源運動旨在利用開源軟件的價值和分散的生產(chǎn)模型,為其社區(qū)和行業(yè)的問題尋找新的解決方法。
在開源的環(huán)境下,互聯(lián)網(wǎng)團結(jié)了同一社區(qū)的所有成員。協(xié)作、開放讓效率變得更高,也讓創(chuàng)新性想法被快速了解,星星之火,得以燎原。
在開源的生態(tài)下,也誕生了如 Github 這樣的在線源代碼托管服務(wù)平臺。
而谷歌本次建立的網(wǎng)站,與 Github 就有許多相似之處。而隨著 Github 在軟件行業(yè)的重要性越來越高,開源的價值被再次證明。
眾所周知芯片設(shè)計制造是一個復(fù)雜繁瑣的流程,而隨著芯片設(shè)計正在逼近極限,芯片公司們似乎都迎來的自己的瓶頸期。芯片研發(fā)門檻高客觀上阻礙了創(chuàng)新,而降低門檻激發(fā)了創(chuàng)新活力、繁榮了芯片產(chǎn)業(yè);芯片架構(gòu)人才緊缺,而降低門檻有助于快速和大規(guī)模培養(yǎng)高水平芯片設(shè)計人才。當“擠牙膏”成為各家大廠的下下策,如何打破設(shè)計的困局已經(jīng)亟待解決。
Google 的這次嘗試或許能夠為芯片設(shè)計界帶來新的可能。
03 半導體的開源時代
Google 并不是第一家嘗試在芯片領(lǐng)域開源的公司。
RISC-V 是半導體開源的代表性成果。截至 2021 年 9 月,RISC-Ⅴ國際基金會的會員已覆蓋 70 多個國家,總數(shù)已超過 2300 個,其中企業(yè)和機構(gòu)超 500 家。RISC-Ⅴ物聯(lián)網(wǎng)處理器芯片已大規(guī)模商用,僅國內(nèi)就有超 5 億顆 RISC-Ⅴ核心芯片投放市場。華米科技等可穿戴設(shè)備廠商一直采用這種 RISC-V 架構(gòu)。阿里巴巴集團以 RISC-V 為基礎(chǔ)開發(fā)出了用于物聯(lián)網(wǎng)的 AI 芯片,并將其 IP 公開。此前有消息稱,華為也推出了基于 RISC-V 架構(gòu)的 Hi3861 芯片。
開源的 RISC-V 也成功孵化出了商業(yè)化案例,SiFive 基于 RISC-V 開發(fā)了完整的處理器核和開發(fā)板,已可以完整地運行 Linux 操作系統(tǒng)。作為當前炙手可熱的 SoC 領(lǐng)導廠商,SiFive 設(shè)計了 SiFive Core Designer 工具,參數(shù)化核設(shè)計,用戶可以自定義模式和指令集,片上存儲,調(diào)試單元,接口選擇,保密控制,中斷設(shè)置,是否插入 DFT,功耗管理和預(yù)測指令(根據(jù)性能或面積)等選項,大大提高了 SoC 設(shè)計的多樣性和減小了 SoC 的設(shè)計難度。用戶可選擇的核目前有 E2/E3/E7/S2/S5/S7/U5/U7。最新消息,SiFive 設(shè)計了最新的 U8 處理器,擁有可擴展的亂序執(zhí)行的 RISC-V CPU 核心,與 Arm Cortex A72 相比,U8 系列的目標在性能上具有可比性,面積只有 A72 一半。
SiFive 目前的融資金額已超過 3.5 億美元的資金,現(xiàn)有投資者包括 Coatue、AMD(通過 Xilinx Ventures)、Ibex Investors、英特爾、Osage University Partners、Prosperity7 Ventures、高通、三星、SK 海力士、Spark Capital、Sutter Hill Ventures 和西部數(shù)據(jù)。
2022 年 3 月 16 日,SiFive 在 F 輪融資中籌集了 1.75 億美元,公司估值超過 25 億美元。這再一次展現(xiàn)了市場對于開源 RISC-V 的信心。此外 SiFive 也與 intel 形成了合作,英特爾方面表示,公司對 RISC-V 基金會的投資就包括與 RISC-V 領(lǐng)導者 SiFive 合作構(gòu)建基于英特爾 4 工藝技術(shù)的 Horse Creek 開發(fā)者平臺,該平臺將于 2022 年底廣泛使用。
眾多公司對 SiFive 的投資除了證明 SiFive 的商業(yè)價值也展現(xiàn)了基于開源架構(gòu)商業(yè)化的可行性。
04 開源路漫漫,希望常相伴
開源在半導體領(lǐng)域并不是新興概念。
在 1999 年就有一個本著自由和開源協(xié)作精神共享和推廣開源 IP(知識產(chǎn)權(quán))核的社區(qū) OpenCores 成立。OpenCores 門戶托管不同數(shù)字網(wǎng)關(guān)項目的源代碼,并支持用戶社區(qū),提供一個用于列出、展示和管理此類的平臺項目;以及用于資源管理的版本控制系統(tǒng)。
目前該網(wǎng)站的開源項目包括:算術(shù)內(nèi)核、原型板、通信控制器、協(xié)處理器、加密內(nèi)核、DSP 內(nèi)核、ECC 內(nèi)核、庫、內(nèi)存內(nèi)核、處理器、片上系統(tǒng)、模塊上系統(tǒng)、系統(tǒng)控制器、測試/驗證、視頻控制器等。
不過值得注意的是雖然 Opencores 已經(jīng)運行超過 20 年,但目前的項目僅有 1000 個,網(wǎng)站的上次更新也停留在 2021 年。
這在一定程度上說明了半導體開源體系存在的局限。包云崗教授將問題歸結(jié)為生態(tài)不成熟且碎片化嚴重。缺少技術(shù)主線和主導力量,尚不能真正有效匯聚全球研發(fā)力量,這阻礙了技術(shù)的持續(xù)迭代和應(yīng)用拓展。此外,一些開源的聯(lián)盟僅承擔了有限的職能,組織松散且力度不足,無法形成對生態(tài)的系統(tǒng)性支持和引導。相關(guān)科研院校、龍頭企業(yè)未能形成合力,諸多共性技術(shù)未能有序布局、合作攻關(guān)。
對于半導體來說,技術(shù)的獨特性是第一競爭力。但放大去看,其實半導體行業(yè)一直存在著共同合作。Wi-Fi、USB、DDR 等等都是行業(yè)共同合作形成的產(chǎn)物,最近的 UCIe 聯(lián)盟更是打破了工藝與晶圓廠的界限。
對于中國半導體公司來說,開源是發(fā)展的必經(jīng)之路。目前也有國內(nèi)的 EDA 公司參與了開源,并表示在開源的平臺上,EDA 使用和創(chuàng)新門檻都被降低,同時也切實地提高了推進的效率。
國產(chǎn)化并不是國產(chǎn)半導體公司應(yīng)該追求的終點,未來國產(chǎn)半導體廠商要在全球產(chǎn)業(yè)中,擁有自己的主動權(quán)。那么以開源為核心,以合作共贏為思想的行業(yè)氛圍,對于國產(chǎn)半導體來說必不可少。
閉源意味著封閉,而開源則意味著開放,封閉很難進步,開放才會進步。開放讓人類的智慧有聚集的可能,人類的智慧聚集起來不再是1+1=2,這是開源的力量。
Google 的嘗試會給半導體技術(shù)帶來怎樣的火花,開源的力量會給中國半導體帶來什么,我們共同期待。
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