Google上線芯片設計網(wǎng)站，邁出半導體開源的一大步

圖片來源：Unsplash-Niek Doup

6月Google開發(fā)者上線了一個芯片設計的網(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)建可制造的硅設計。每隔一個月，用戶可以提交開源設計以進入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？

人人都能設計芯片的時代來了？

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)過驗證的設計庫中搜索現(xiàn)有 IP，第二種則是委托 Efabless 社區(qū)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 核設計。據(jù)悉這款設計耗費了Google silicon團隊四年的時間，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)鍵在于搭建一個開源的社區(qū)。

開源，在Google更加熟悉的軟件領域已經(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。

眾所周知芯片設計制造是一個復雜繁瑣的流程，而隨著芯片設計正在逼近極限，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)高水平芯片設計人才。當“擠牙膏”成為各家大廠的下下策，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新的可能。

半導體的開源時代

Google并不是第一家嘗試在芯片領域開源的公司。

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領導廠商，SiFive設計了SiFive Core Designer工具，參數(shù)化核設計，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，中斷設置，是否插入DFT，功耗管理和預測指令（根據(jù)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(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。 

開源路漫漫，希望常相伴

開源在半導體領域并不是新興概念。

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。