Google上線(xiàn)芯片設計網(wǎng)站，邁出半導體開(kāi)源的一大步

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6月Google開(kāi)發(fā)者上線(xiàn)了一個(gè)芯片設計的網(wǎng)站，網(wǎng)站的宣傳語(yǔ)表示該網(wǎng)站會(huì )讓每個(gè)人更容易大規模地構建定制芯片。

據Google介紹Google與SkyWater Technology代工廠(chǎng)和Efabless合作，提供完全開(kāi)源的工藝設計套件 (PDK) 和相關(guān)工具，以便任何開(kāi)發(fā)人員都可以創(chuàng )建可制造的硅設計。每隔一個(gè)月，用戶(hù)可以提交開(kāi)源設計以進(jìn)入Open MPW穿梭計劃并免費制造自己設計的芯片。

Google與Skywater efabless的合作從2020年開(kāi)始，作為 RISC-V 基金會(huì )和 Linux 基金會(huì ) CHIPS 聯(lián)盟項目的創(chuàng )始成員，谷歌其實(shí)一直在支持開(kāi)源芯片相關(guān)領(lǐng)域，包括為 lowRISC 在內的關(guān)鍵開(kāi)放硬件工作提供資金、戰略和法律支持。

清華大學(xué)資深教授評價(jià)，Google 抓住了集成電路產(chǎn)業(yè)去中心化的關(guān)鍵點(diǎn)。本次Google的項目會(huì )帶來(lái)什么樣的不同，開(kāi)源會(huì )為半導體產(chǎn)業(yè)帶來(lái)怎樣的改變呢？

人人都能設計芯片的時(shí)代來(lái)了？

Google的這一網(wǎng)站并不是從0到1建立起來(lái)的，而是與其他公司共同合作以實(shí)現用戶(hù)的需求。

其中，提供設計IP的公司為Efabless。Efabless是一個(gè)面向“智能”產(chǎn)品的開(kāi)放式創(chuàng )新、硬件創(chuàng )建平臺。通過(guò)提供半導體和硬件系統創(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(xiāo)售的產(chǎn)品。Efabless 專(zhuān)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(cháng)的經(jīng)過(guò)驗證的設計庫中搜索現有 IP，第二種則是委托 Efabless 社區設計新的 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 )建設計。Caravel 線(xiàn)束包括支持 IO、電源和配置的基本功能以及用于管理 SoC 內核的插入模塊，以及用于放置用戶(hù) IP 塊的大約 3000 微米 x 3600 微米的開(kāi)放項目區域。

除了工具，Google還給使用者提供了學(xué)習的教程，理論上來(lái)說(shuō)，這一舉動(dòng)為所有人提供了設計芯片的舞臺。這一網(wǎng)站推出后，有評論稱(chēng)這正是半導體從業(yè)者期待教育系統能為相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生提供的實(shí)踐項目。

目前這一計劃已經(jīng)有了76個(gè)教程，話(huà)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(shí)現人人都能造芯片，不過(guò)距離這一現實(shí)顯然時(shí)間很長(cháng)。雖然Google提供了教程，但能夠通過(guò)自學(xué)學(xué)會(huì )相關(guān)課程對用戶(hù)本身的知識體系就有很大的挑戰，總體而言這個(gè)網(wǎng)站的意義更大的點(diǎn)在于為集成電路專(zhuān)業(yè)的學(xué)生以及創(chuàng )業(yè)者提供設計芯片樣品的機會(huì )。

據在代工廠(chǎng)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(wàn)-50萬(wàn)美元左右，這樣的數字對于于個(gè)人來(lái)說(shuō)，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(huì )有正向的激勵。

從芯片產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，Google并不算產(chǎn)業(yè)上的主要玩家。不過(guò)Google silicon團隊已經(jīng)有產(chǎn)品問(wèn)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 為八核設計，分為大中小三核——兩個(gè)以 2.8GHz 運行的 ARM Cortex-X1 內核、兩個(gè)以 2.25GHz 運行的 Cortex A76 內核，以及四個(gè) 1.8GHz A55 內核。GPU 為 20 核設計。據悉這款設計耗費了Google silicon團隊四年的時(shí)間，那么深知芯片從設計到成品之中的艱辛的Google 為何要推出這一網(wǎng)站呢？

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(gè)開(kāi)源的社區。

開(kāi)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(kāi)源已成為一種超越軟件生產(chǎn)界限的運動(dòng)和工作方式。開(kāi)源運動(dòng)旨在利用開(kāi)源軟件的價(jià)值和分散的生產(chǎn)模型，為其社區和行業(yè)的問(wèn)題尋找新的解決方法。

在開(kāi)源的環(huán)境下，互聯(lián)網(wǎng)團結了同一社區的所有成員。協(xié)作、開(kāi)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(kāi)源的生態(tài)下，也誕生了如Github這樣的在線(xiàn)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(zhù)Github在軟件行業(yè)的重要性越來(lái)越高，開(kāi)源的價(jià)值被再次證明。

眾所周知芯片設計制造是一個(gè)復雜繁瑣的流程，而隨著(zhù)芯片設計正在逼近極限，芯片公司們似乎都迎來(lái)的自己的瓶頸期。芯片研發(fā)門(mén)檻高客觀(guān)上阻礙了創(chuàng )新，而降低門(mén)檻激發(fā)了創(chuàng )新活力、繁榮了芯片產(chǎn)業(yè)；芯片架構人才緊缺，而降低門(mén)檻有助于快速和大規模培養高水平芯片設計人才。當“擠牙膏”成為各家大廠(chǎng)的下下策，如何打破設計的困局已經(jīng)亟待解決。

Google的這次嘗試或許能夠為芯片設計界帶來(lái)新的可能。

半導體的開(kāi)源時(shí)代

Google并不是第一家嘗試在芯片領(lǐng)域開(kāi)源的公司。

RISC-V是半導體開(kāi)源的代表性成果。截至2021年9月，RISC-Ⅴ國際基金會(huì )的會(huì )員已覆蓋70多個(gè)國家，總數已超過(guò)2300個(gè)，其中企業(yè)和機構超500家。RISC-Ⅴ物聯(lián)網(wǎng)處理器芯片已大規模商用，僅國內就有超5億顆RISC-Ⅴ核心芯片投放市場(chǎng)。華米科技等可穿戴設備廠(chǎng)商一直采用這種RISC-V架構。阿里巴巴集團以RISC-V為基礎開(kāi)發(fā)出了用于物聯(lián)網(wǎng)的AI芯片，并將其IP公開(kāi)。此前有消息稱(chēng)，華為也推出了基于RISC-V架構的Hi3861芯片。

開(kāi)源的RISC-V也成功孵化出了商業(yè)化案例，SiFive基于RISC-V開(kāi)發(fā)了完整的處理器核和開(kāi)發(fā)板，已可以完整地運行Linux操作系統。作為當前炙手可熱的SoC領(lǐng)導廠(chǎng)商，SiFive設計了SiFive Core Designer工具，參數化核設計，用戶(hù)可以自定義模式和指令集，片上存儲，調試單元，接口選擇，保密控制，中斷設置，是否插入DFT，功耗管理和預測指令（根據性能或面積）等選項，大大提高了SoC設計的多樣性和減小了SoC的設計難度。用戶(hù)可選擇的核目前有E2/E3/E7/S2/S5/S7/U5/U7。最新消息，SiFive設計了最新的U8處理器，擁有可擴展的亂序執行的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(guò) 3.5 億美元的資金，現有投資者包括Coatue、AMD（通過(guò) 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 和西部數據。

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(guò) 25 億美元。這再一次展現了市場(chǎng)對于開(kāi)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(huì )的投資就包括與 RISC-V 領(lǐng)導者 SiFive 合作構建基于英特爾 4 工藝技術(shù)的 Horse Creek 開(kāi)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(jià)值也展現了基于開(kāi)源架構商業(yè)化的可行性。 

開(kāi)源路漫漫，希望常相伴

開(kāi)源在半導體領(lǐng)域并不是新興概念。

在1999年就有一個(gè)本著(zhù)自由和開(kāi)源協(xié)作精神共享和推廣開(kāi)源IP（知識產(chǎn)權）核的社區OpenCores成立。OpenCores 門(mén)戶(hù)托管不同數字網(wǎng)關(guān)項目的源代碼，并支持用戶(hù)社區，提供一個(gè)用于列出、展示和管理此類(lèi)的平臺項目；以及用于資源管理的版本控制系統。

目前該網(wǎng)站的開(kāi)源項目包括：算術(shù)內核、原型板、通信控制器、協(xié)處理器、加密內核、DSP內核、ECC內核、庫、內存內核、處理器、片上系統、模塊上系統、系統控制器、測試/驗證、視頻控制器等。

不過(guò)值得注意的是雖然Opencores已經(jīng)運行超過(guò)20年，但目前的項目?jì)H有1000個(gè)，網(wǎng)站的上次更新也停留在2021年。

這在一定程度上說(shuō)明了半導體開(kāi)源體系存在的局限。包云崗教授將問(wèn)題歸結為生態(tài)不成熟且碎片化嚴重。缺少技術(shù)主線(xiàn)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)的持續迭代和應用拓展。此外，一些開(kāi)源的聯(lián)盟僅承擔了有限的職能，組織松散且力度不足，無(wú)法形成對生態(tài)的系統性支持和引導。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(lái)說(shuō)，技術(shù)的獨特性是第一競爭力。但放大去看，其實(shí)半導體行業(yè)一直存在著(zhù)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(chǎng)的界限。

對于中國半導體公司來(lái)說(shuō)，開(kāi)源是發(fā)展的必經(jīng)之路。目前也有國內的EDA公司參與了開(kāi)源，并表示在開(kāi)源的平臺上，EDA使用和創(chuàng )新門(mén)檻都被降低，同時(shí)也切實(shí)地提高了推進(jìn)的效率。

國產(chǎn)化并不是國產(chǎn)半導體公司應該追求的終點(diǎn)，未來(lái)國產(chǎn)半導體廠(chǎng)商要在全球產(chǎn)業(yè)中，擁有自己的主動(dòng)權。那么以開(kāi)源為核心，以合作共贏(yíng)為思想的行業(yè)氛圍，對于國產(chǎn)半導體來(lái)說(shuō)必不可少。

閉源意味著(zhù)封閉，而開(kāi)源則意味著(zhù)開(kāi)放，封閉很難進(jìn)步，開(kāi)放才會(huì )進(jìn)步。開(kāi)放讓人類(lèi)的智慧有聚集的可能，人類(lèi)的智慧聚集起來(lái)不再是1+1=2，這是開(kāi)源的力量。

Google的嘗試會(huì )給半導體技術(shù)帶來(lái)怎樣的火花，開(kāi)源的力量會(huì )給中國半導體帶來(lái)什么，我們共同期待。