作者 | 包云崗      
責(zé)編 | 歐陽姝黎

22號下午關(guān)于香山的報(bào)告，因?yàn)閆oom直播出現(xiàn)了技術(shù)故障，導(dǎo)致大家未能聽到完整的報(bào)告，稍有些遺憾。考慮了一下，這里就把報(bào)告PPT直接貼出來，再加上我們在香山開發(fā)過程中的一些考慮和想法，跟大家分享。

這個(gè)報(bào)告主要回答四個(gè)問題：

• 一、為什么要做香山？

• 二、香山什么水平？

• 三、香山怎么做的？

• 四、香山未來如何發(fā)展？

一、為什么要做香山？

2010年RISC-V誕生，迄今已有11年。如今，在RISC-V國際基金會網(wǎng)站上登記的各類商業(yè)或開源的RISC-V處理器核就有上百個(gè)（如下鏈接），為什么還要做一個(gè)開源的高性能RISC-V核？

RISC-V Exchange: Cores & SoCs - RISC-V International

對于這個(gè)問題，我們和很多業(yè)界企業(yè)交流過，也做了很多調(diào)研與分析，這都讓我們判斷認(rèn)為業(yè)界需要一個(gè)開源的高性能RISC-V核。另一方面，我們也在思考一個(gè)問題——為什么CPU領(lǐng)域還沒有一個(gè)像Linux那樣的開源主線？1991年開源的Linux誕生，到今天正好30年。如今，Linux不僅被工業(yè)界廣泛應(yīng)用，也成為學(xué)術(shù)界開展操作系統(tǒng)研究的創(chuàng)新平臺。

RISC-V是開放開源的指令集，允許全世界任何人免費(fèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)RISC-V處理器，可以是商用，也可以開源，這是和公司私有的X86/ARM指令集相比最大的區(qū)別之一。但是，十年過去了，到現(xiàn)在還未能形成一個(gè)像Linux那樣的開源主線。Berkeley的BOOM目標(biāo)是一個(gè)高性能開源RISC-V核，但是BOOM代碼倉庫相對不開放，官方建議其他人實(shí)現(xiàn)任何功能都要事先和他們溝通，以確保不要與他們的計(jì)劃產(chǎn)生沖突。根據(jù)GitHub官方的統(tǒng)計(jì)頁面顯示，從2014年1月至今，為BOOM提交過超過100行代碼修改的僅有8人。由此可見，一定程度上因?yàn)锽OOM嚴(yán)格的外部貢獻(xiàn)政策，開源社區(qū)對BOOM的參與度并不高。

所以，團(tuán)隊(duì)的唐丹博士和我一直認(rèn)為要建立一個(gè)像Linux那樣的開源RISC-V核主線，既能被工業(yè)界廣泛應(yīng)用，又能支持學(xué)術(shù)界試驗(yàn)創(chuàng)新想法。最關(guān)鍵的是，一定要讓它像Linux那樣至少存活30年！

于是，“香山”誕生了。

我們做了一年多的準(zhǔn)備工作——申請經(jīng)費(fèi)，啟動“一生一芯”計(jì)劃培養(yǎng)人才，建立團(tuán)隊(duì)，尋找合作伙伴……這期間得到了太多太多人的支持和幫助：計(jì)算所孫凝暉院士幫我們多處找經(jīng)費(fèi)，國科大全力支持“一生一芯”計(jì)劃，鵬城實(shí)驗(yàn)室支持我們建立起后端物理設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，多位計(jì)算所老所友毅然決定參與開源主線等等，就不一一列舉了。

終于，香山正式啟動了——2020年6月11日，香山在GitHub上建立了代碼倉庫。

短短的的一年時(shí)間里，25位同學(xué)和老師參與了香山的開發(fā)。821次主分支代碼合并，3296次代碼提交（commit），5萬余行代碼，400多個(gè)文檔，記錄了香山的成長過程。我們的理念是代碼開源、流程開放、文檔公開。這期間，有企業(yè)直接參與開發(fā)，也有企業(yè)表達(dá)參與意向，都因?yàn)檎J(rèn)同開源理念，愿意一起來共建開源的香山。這些來自工業(yè)界的積極反饋，給予我們極大的鼓舞和信心，讓我們更堅(jiān)定地去踐行“科研重工業(yè)模式”。

“科研重工業(yè)模式”，是 2020年1月我為《中國計(jì)算機(jī)學(xué)會通訊（CCCF）》寫了一篇卷首語《伯克利科研模式的啟發(fā)》中提出的：

袁嵐峰：CCCF卷首語 ：伯克利科研模式的啟發(fā) | 包云崗

回顧伯克利的科研歷程，可以發(fā)現(xiàn)他們在過去幾十年研制了大量的原型系統(tǒng)，不僅推動了技術(shù)進(jìn)步甚至顛覆產(chǎn)業(yè)，也培養(yǎng)了一代代杰出人才（其中多位獲得圖靈獎）：1950年代CALDIC系統(tǒng)(Doug Englebart)，1960年代Project Genie系統(tǒng)(Butler Lampson與Chuck Thacker)，1970年代BSD Unix操作系統(tǒng)與INGRES數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(Michael Stonebraker)，1980年代RISC處理器(David Patterson)，1990年代RAID存儲系統(tǒng)與NOW機(jī)群系統(tǒng)……如果用一句話來總結(jié)伯克利的科研模式，那就是——熱衷于研制真正能改變現(xiàn)狀的原型系統(tǒng)，哪怕需要大量工程投入。國重主任孫凝暉院士稱之為“科研重工業(yè)模式”。

“科研重工業(yè)模式”，我們不想紙上談兵，我們要用行動去實(shí)踐。

二、香山什么水平？

香山是一款開源RISC-V處理器核，它的架構(gòu)代號以湖命名。第一版架構(gòu)代號是“雁棲湖”，這是帶有濃重國科大情節(jié)的同學(xué)們起的名字，因?yàn)樗麄冄幸欢荚趹讶嵫銞艘荒??！把銞盧TL代碼于2021年4月完成，計(jì)劃于7月基于TSMC 28nm工藝流片，目前頻率為1.3GHz。

第二版架構(gòu)代號是“南湖”，這是向建黨100周年致敬?！澳虾庇?jì)劃在今年年底流片，將采用中芯國際14nm工藝，目標(biāo)頻率是2GHz。

香山選擇什么開源許可證？這個(gè)問題糾結(jié)了我們好一陣子。后來，我們專門向北京大學(xué)周明輝教授請教，小伙伴們制定了4種開源許可證方案。在反復(fù)對比權(quán)衡后，最終選擇了如下表格中的方案①——木蘭寬松版許可證（MulanPSLv2）。在此，特別感謝北大周明輝老師的專業(yè)指導(dǎo)！

“雁棲湖”架構(gòu)是一個(gè)11級流水、6發(fā)射、4個(gè)訪存部件的亂序處理器核。在發(fā)射寬度上已經(jīng)可以和一些ARM高端處理器核相當(dāng)，但還未進(jìn)行充分優(yōu)化，因此實(shí)際性能還有不小的差距。我們希望未來通過持續(xù)迭代優(yōu)化（“南湖”-->"X湖"-->"Y湖"-->……），性能達(dá)到ARM A76的水平。

我們基于GitHub CI構(gòu)建了一套流程化的自動回歸測試框架，并在過去大半年不斷增加測試負(fù)載，從cputest，risc-tests到Linux，到SPECCPU workload。這套自動回歸測試框架在保障和驗(yàn)證芯片的正確性。

每個(gè)大項(xiàng)目總會有一些激動人心的時(shí)刻，這段30秒的小視頻記錄了香山在FPGA上啟動Linux/Debian的時(shí)刻，略帶喜感。

視頻鏈接：香山在FPGA上啟動Linux/Debian

（https://www.zhihu.com/zvideo/1390842319982120960）

三、香山怎么做的？

香山開發(fā)初期速度非?？欤?strong>6月11日建立代碼倉庫，7月6日亂序流水線便已完成，能正確運(yùn)行CoreMark，不到一個(gè)月時(shí)間；9月12日，Linux正確啟動；10月22日，Debian正確啟動。

接下來便是大半年的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能調(diào)優(yōu)、時(shí)序優(yōu)化工作，香山架構(gòu)幾乎相當(dāng)于重構(gòu)了一遍。一個(gè)典型的例子，香山的第一版分支預(yù)測器（BPU）參考了BOOM的BPU，但后端評估頻率只能達(dá)到800MHz（TSMC 28nm）。于是負(fù)責(zé)BPU設(shè)計(jì)的勾凌睿在幾位老師的指導(dǎo)下，不斷優(yōu)化BPU結(jié)構(gòu)，最終將頻率提升到了1.4GHz。

這期間，小伙伴們紛紛自己動手，開發(fā)了各種各樣的優(yōu)化和調(diào)試工具，大大地加速了優(yōu)化和驗(yàn)證環(huán)節(jié)。這讓我真心佩服這批90后——他們真是充滿了創(chuàng)造力，從工作到生活，而主要驅(qū)動力之一就是“?。╰ou）時(shí)（lan）”。比如寧可自己寫個(gè)程序自動點(diǎn)外賣，也懶得打開手機(jī)看菜單點(diǎn)。

香山的開發(fā)至少有兩個(gè)重要的決策，第一個(gè)便是選擇敏捷設(shè)計(jì)語言Chisel。很多人質(zhì)疑Chisel，排斥Chisel，但是我們在充分評估后，還是決定使用Chisel。

我們團(tuán)隊(duì)是在2016年開始使用Chisel，一開始組里也充滿質(zhì)疑。2018年，我們設(shè)計(jì)了兩組定量的對比實(shí)驗(yàn)，找了2位同學(xué)用Chisel、1位工程師用Verilog分別設(shè)計(jì)一個(gè)L2 Cache模塊。通過一系列量化對比，得出了如下三個(gè)結(jié)論：

1. Chisel開發(fā)效率遠(yuǎn)高于Verilog；

2. 實(shí)現(xiàn)相同的功能，Chisel代碼量僅為Verilog的1/5（因此香山的5萬行Chisel代碼相當(dāng)于25萬行Verilog代碼）；

3. Chisel的開發(fā)質(zhì)量不比Verilog差。

后來將實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在2019年1月的《計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展》。最近去華為交流，才知道這些對比結(jié)果也推動了華為內(nèi)部組建了Chisel開發(fā)團(tuán)隊(duì)，如今華為也是Chisel的支持者。

2020年，我們又基于Chisel完成了一款8核標(biāo)簽化RISC-V處理器的流片，這是基于Rocket處理器核進(jìn)行了標(biāo)簽化體系結(jié)構(gòu)改造，采用TSMC 28nm工藝流片。雖然因?yàn)闀r(shí)間緊張，并沒有進(jìn)行細(xì)致的后端優(yōu)化，但芯片返回后也還能正常運(yùn)行在1.2GHz。這是一顆有一定復(fù)雜度的8核SoC芯片，但Chisel能應(yīng)對。所以，我們相信Chisel可用來開發(fā)復(fù)雜芯片。

在開發(fā)香山的過程中，我們團(tuán)隊(duì)積累了豐富Chisel開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。小伙伴們（徐易難、王凱帆、藺嘉煒、余子濠、金越）準(zhǔn)備了6個(gè)報(bào)告，將會在6月25日的CCC Workshop上和大家分享。

另一個(gè)重要決策就是高度重視構(gòu)建支持敏捷設(shè)計(jì)的流程與工具。

我們在開發(fā)香山的過程中，一直在強(qiáng)調(diào)流程、平臺、基礎(chǔ)設(shè)施的重要性。我更多是扮演了啦啦隊(duì)隊(duì)長的角色，而小伙伴們則真正將理念落實(shí)到了具體行動。

為了更好地支持Chisel開發(fā)與調(diào)試，為了更快地捕捉、復(fù)現(xiàn)和定位bug，為了更準(zhǔn)確地評估優(yōu)化技術(shù)的性能收益，小伙伴們開發(fā)十余種各具特色的工具。這些工具支撐起了一套處理器芯片敏捷開發(fā)的流程。當(dāng)然，這套流程還比較初級，尚不系統(tǒng)化。我們也期待更多的開源開發(fā)者加入，一起完善這套敏捷設(shè)計(jì)流程。

下面舉幾個(gè)工具的例子。NEMU是由余子濠在南大本科時(shí)便開始開發(fā)的一款教學(xué)模擬器。在計(jì)算所讀博期間，他憑借一人之力一直在持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化NEMU，使NEMU成為一個(gè)效率接近QEMU的高性能解釋器——啟動Debian甚至比QEMU還要快18.2%（9.87s vs. 12.07s）。

更重要的是NEMU是指令解釋器，可以針對每一條指令進(jìn)行動態(tài)分析；相比而言，QEMU的翻譯粒度是基本塊，無法跟蹤每一條指令。事實(shí)上，NEMU的這種指令解釋器機(jī)制，成為了香山開發(fā)中正確性驗(yàn)證框架Difftest的基礎(chǔ)。（余子濠將會在6月23日下午介紹NEMU）

Cache是處理器中非常核心的模塊，尤其是要支持一致性協(xié)議的Cache更為復(fù)雜。為此，小伙伴們開發(fā)了一套專門驗(yàn)證支持TileLink一致性協(xié)議的Cache模塊測試框架Agent Faker，發(fā)現(xiàn)了好幾個(gè)Cache模塊的bug。（張傳奇將會在6月25日上午介紹這個(gè)工作）

Difftest是一個(gè)基于NEMU的指令集在線差分驗(yàn)證框架。它的一端是模擬器，提供處理器執(zhí)行的黃金標(biāo)準(zhǔn)；另一端是運(yùn)行RTL的仿真器，在仿真過程中會將指令數(shù)、中斷、MMIO、微結(jié)構(gòu)狀態(tài)等信息發(fā)送給NEMU進(jìn)行比對，從而判斷RTL實(shí)現(xiàn)的正確性。

Difftest最早是由余子濠實(shí)現(xiàn)，后來王凱帆進(jìn)行優(yōu)化，其中一個(gè)最重要的改進(jìn)就是SMP-Difftest，支持多核SMP的全系統(tǒng)仿真，并且支持Cache一致性、內(nèi)存一致性等需要軟硬件協(xié)同的問題。（王凱帆將會在6月24日下午介紹Difftest）

如何快速捕捉、復(fù)現(xiàn)、定位bug是調(diào)試過程中非常關(guān)鍵的步驟，很多時(shí)間都是消耗在這個(gè)階段。小伙伴們提出了一種創(chuàng)新的輕量級仿真快照技術(shù)——把整個(gè)仿真程序看成是一個(gè)進(jìn)程，利用fork機(jī)制創(chuàng)建子進(jìn)程。然后父進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行，子進(jìn)程暫停。當(dāng)父進(jìn)程出錯時(shí)，則可以恢復(fù)到子進(jìn)程進(jìn)行調(diào)試。LightSSS這個(gè)機(jī)制和Verilator仿真器自帶的Savable機(jī)制相比，單次快照時(shí)間縮短了近7000倍！（余子濠將會在6月23日下午介紹LightSSS）

很多人質(zhì)疑Chisel不方便調(diào)試。小伙伴們則充分利用了Chisel的可以自定義Firrtl Transform的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套新型的硬件敏捷調(diào)試棧，可將基于波形的調(diào)試轉(zhuǎn)換為基于事件的調(diào)試。我們設(shè)計(jì)了一套工具，可以直接將高層語義新型從波形中提取出來，并進(jìn)行可視化。為此，還專門設(shè)計(jì)了一個(gè)Xiang語言。（藺嘉煒將在6月23日下午介紹該工作）

處理器性能優(yōu)化環(huán)節(jié)最關(guān)鍵是要快速準(zhǔn)確地評估優(yōu)化技術(shù)帶來的性能收益。如果評估過程需要幾天時(shí)間，那將會嚴(yán)重影響迭代優(yōu)化效率。小伙伴們設(shè)計(jì)了一個(gè)敏捷性能評估框架BetaPoint，它利用了三個(gè)機(jī)制——Sampling機(jī)制、Generic Full System Checkpoint機(jī)制和Functional Warmup機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了可以在10個(gè)小時(shí)內(nèi)估算出處理器的SPEC分?jǐn)?shù)。（周耀陽將會在6月23日傍晚介紹BetaPoint）

整個(gè)香山開發(fā)團(tuán)隊(duì)將在這次峰會上和大家分享22個(gè)技術(shù)報(bào)告。這些報(bào)告都是清一色的90后，很多都是95后：勾凌睿、胡博涵、金越、李昕、劉志剛、藺嘉煒、王華強(qiáng)、王誨喆、王凱帆、徐易難、余子濠、張傳奇、張發(fā)旺、張林雋、張紫飛、張梓悅、周耀陽、周意可、鄒江瑞；此外還有多位參與香山開發(fā)的同學(xué)這次并沒有投稿。這些小伙伴們在香山的開發(fā)過程中做出了不可替代的貢獻(xiàn)。

四、香山未來如何發(fā)展？

目前香山正在進(jìn)行下一代架構(gòu)“南湖”的開發(fā)，目標(biāo)是今年年底流片，基于中芯國際的14nm工藝頻率達(dá)到2GHz，SPECCPU分值達(dá)到10分/GHz。這是一個(gè)很有挑戰(zhàn)的目標(biāo)，需要對架構(gòu)進(jìn)行大幅度的優(yōu)化改進(jìn)。

前幾天，小伙伴們專門去了一趟嘉興南湖，研討香山未來的發(fā)展。除了技術(shù)，我們再一次聚焦到流程與平臺。此前構(gòu)建的敏捷設(shè)計(jì)流程與平臺支撐了20多人的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。現(xiàn)在我們需要考慮的是該如何構(gòu)建一套開源、開放、規(guī)范的開放流程，能支撐2000人的開源社區(qū)一起開發(fā)。

支持成千上萬人一起開發(fā)開源軟件，這已經(jīng)有成功的經(jīng)驗(yàn)。但是如何支持?jǐn)?shù)千人一起開發(fā)開源處理器，目前還沒有可以參考的案例，只能靠我們自己摸索。也期待各界專家給我們更多的指導(dǎo)和建議。