本周，首屆 RISC-V 中國峰會在上海科技大學舉辦。這是 RISC-V 第一次在北美以外地區舉辦同等規模的峰會。在本屆大會上，中科院大學教授、中科院計算所研究員包雲崗公布了國産開源高性能 RISC-V 處理器核心—— 香山 ，其核心以“湖”來命名架構代号，第一代叫做“雁栖湖”，“雁栖湖”RTL代碼于今年4月完成，計劃于7月基于台積電28nm工藝流片。第二代架構叫做“南湖”，将采用中芯國際14nm工藝，預計今年年底流片。北京微核芯參與了第一期的設計工作，目前團隊正招募香山處理器二期聯合開發合作夥伴，加入的企業已有位元組跳動等公司。
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包雲崗，2003年大學畢業于南京大學，2008年獲中科院計算所博士學位，2010-2012年普林斯頓大學博士後，現為中科院計算所研究員，所長助理，先進計算機系統研究中心主任，中國科學院大學崗位教授，博士生導師，中國開放指令生态（RISC-V）聯盟秘書長。
22号下午關于香山的報告，因為Zoom直播出現了技術故障，導緻大家未能聽到完整的報告，稍有些遺憾。考慮了一下，這裡就把報告PPT直接貼出來，再加上我們在香山開發過程中的一些考慮和想法，跟大家分享。
這個報告主要回答四個問題：
- 一、為什麼要做香山？
- 二、香山什麼水準？
- 三、香山怎麼做的？
- 四、香山未來如何發展？
2010年RISC-V誕生，迄今已有11年。如今，在RISC-V國際基金會網站上登記的各類商業或開源的RISC-V處理器核就有上百個（如下連結），為什麼還要做一個開源的高性能RISC-V核？
RISC-V Exchange: Cores & SoCs - RISC-V International
對于這個問題，我們和很多業界企業交流過，也做了很多調研與分析，這都讓我們判斷認為業界需要一個開源的高性能RISC-V核。另一方面，我們也在思考一個問題——為什麼CPU領域還沒有一個像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不僅被工業界廣泛應用，也成為學術界開展作業系統研究的創新平台。
RISC-V是開放開源的指令集，允許全世界任何人免費實作一個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指令集相比最大的差別之一。但是，十年過去了，到現在還未能形成一個像Linux那樣的開源主線。Berkeley的BOOM目标是一個高性能開源RISC-V核，但是BOOM代碼倉庫相對不開放，官方建議其他人實作任何功能都要事先和他們溝通，以確定不要與他們的計劃産生沖突。根據GitHub官方的統計頁面顯示，從2014年1月至今，為BOOM送出過超過100行代碼修改的僅有8人。由此可見，一定程度上因為BOOM嚴格的外部貢獻政策，開源社群對BOOM的參與度并不高。
是以，團隊的唐丹博士和我一直認為要建立一個像Linux那樣的開源RISC-V核主線，既能被工業界廣泛應用，又能支援學術界試驗創新想法。最關鍵的是，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備工作——申請經費，啟動“一生一芯”計劃培養人才，建立團隊，尋找合作夥伴……這期間得到了太多太多人的支援和幫助：計算所孫凝晖院士幫我們多處找經費，國科大全力支援“一生一芯”計劃，鵬城實驗室支援我們建立起後端實體設計團隊，多位計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。
短短的的一年時間裡，25位同學和老師參與了香山的開發。821次主分支代碼合并，3296次代碼送出（commit），5萬餘行代碼，400多個文檔，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，有企業直接參與開發，也有企業表達參與意向，都因為認同開源理念，願意一起來共建開源的香山。這些來自工業界的積極回報，給予我們極大的鼓舞和信心，讓我們更堅定地去踐行“科研重工業模式”。
“科研重工業模式”，是 2020年1月我為《中國計算機學會通訊（CCCF）》寫了一篇卷首語《伯克利科研模式的啟發》中提出的：
袁岚峰：CCCF卷首語 ：伯克利科研模式的啟發 | 包雲崗
回顧伯克利的科研曆程，可以發現他們在過去幾十年研制了大量的原型系統，不僅推動了技術進步甚至颠覆産業，也培養了一代代傑出人才（其中多位獲得圖靈獎）：1950年代CALDIC系統(Doug Englebart)，1960年代Project Genie系統(Butler Lampson與Chuck Thacker)，1970年代BSD Unix作業系統與INGRES資料庫系統(Michael Stonebraker)，1980年代RISC處理器(David Patterson)，1990年代RAID存儲系統與NOW機群系統……如果用一句話來總結伯克利的科研模式，那就是——熱衷于研制真正能改變現狀的原型系統，哪怕需要大量工程投入。國重主任孫凝晖院士稱之為“科研重工業模式”。
“科研重工業模式”，我們不想紙上談兵，我們要用行動去實踐。
香山是一款開源RISC-V處理器核，它的架構代号以湖命名。第一版架構代号是“雁栖湖”，這是帶有濃重國科大情節的同學們起的名字，因為他們研一都在懷柔雁栖湖待了一年。“雁栖湖”RTL代碼于2021年4月完成，計劃于7月基于TSMC 28nm工藝流片，目前頻率為1.3GHz。
第二版架構代号是“南湖”，這是向建黨100周年緻敬。“南湖”計劃在今年年底流片，将采用中芯國際14nm工藝，目标頻率是2GHz。
香山選擇什麼開源許可證？這個問題糾結了我們好一陣子。後來，我們專門向北京大學周明輝教授請教，小夥伴們制定了4種開源許可證方案。在反複對比權衡後，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，特别感謝北大周明輝老師的專業指導！
開源許可證方案對比（徐易難整理）
“雁栖湖”架構是一個**11級流水、6發射、4個訪存部件的亂序處理器核。**在發射寬度上已經可以和一些ARM高端處理器核相當，但還未進行充分優化，是以實際性能還有不小的差距。我們希望未來通過持續疊代優化（“南湖”-->"X湖"-->"Y湖"-->……），性能達到ARM A76的水準。
我們基于GitHub CI建構了一套流程化的自動回歸測試架構，并在過去大半年不斷增加測試負載，從cputest，risc-tests到Linux，到SPECCPU workload。這套自動回歸測試架構在保障和驗證晶片的正确性。
每個大項目總會有一些激動人心的時刻，這段30秒的小視訊記錄了香山在FPGA上啟動Linux/Debian的時刻，略帶喜感。
香山開發初期速度非常快：6月11日建立代碼倉庫，7月6日亂序流水線便已完成，能正确運作CoreMark，不到一個月時間；9月12日，Linux正确啟動；10月22日，Debian正确啟動。
接下來便是大半年的結構優化、性能調優、時序優化工作，香山架構幾乎相當于重構了一遍。一個典型的例子，香山的第一版分支預測器（BPU）參考了BOOM的BPU，但後端評估頻率隻能達到800MHz（TSMC 28nm）。于是負責BPU設計的勾淩睿在幾位老師的指導下，不斷優化BPU結構，最終将頻率提升到了1.4GHz。
這期間，小夥伴們紛紛自己動手，開發了各種各樣的優化和調試工具，大大地加速了優化和驗證環節。這讓我真心佩服這批90後——他們真是充滿了創造力，從工作到生活，而主要驅動力之一就是“省（tou）時（lan）”。比如甯可自己寫個程式自動點外賣，也懶得打開手機看菜單點。
香山的開發至少有兩個重要的決策，第一個便是選擇靈活設計語言Chisel。很多人質疑Chisel，排斥Chisel，但是我們在充分評估後，還是決定使用Chisel。
我們團隊是在2016年開始使用Chisel，一開始組裡也充滿質疑。2018年，我們設計了兩組定量的對比實驗，找了2位同學用Chisel、1位工程師用Verilog分别設計一個L2 Cache子產品。通過一系列量化對比，得出了如下三個結論：
- Chisel開發效率遠高于Verilog；
- 實作相同的功能，Chisel代碼量僅為Verilog的1/5（是以香山的5萬行Chisel代碼相當于25萬行Verilog代碼）；
- Chisel的開發品質不比Verilog差。
後來将實驗結果發表在2019年1月的《計算機研究與發展》。最近去華為交流，才知道這些對比結果也推動了華為内部組建了Chisel開發團隊，如今華為也是Chisel的支援者。
2020年，我們又基于Chisel完成了一款8核标簽化RISC-V處理器的流片，這是基于Rocket處理器核進行了标簽化體系結構改造，采用TSMC 28nm工藝流片。雖然因為時間緊張，并沒有進行細緻的後端優化，但晶片傳回後也還能正常運作在1.2GHz。這是一顆有一定複雜度的8核SoC晶片，但Chisel能應對。是以，我們相信Chisel可用來開發複雜晶片。