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倪光南院士:为RISC-V生态建设贡献中国方案

2023-06-08 09:27:02 27次

过去二三十年,世界主流CPU(即在世界市场上占据主要份额的CPU)一直被x86和ARM两种架构所垄断。其中,x86架构(或称Intel架构)是1978年由英特尔(Intel)公司推出,以产品方式推广,是PC时代的产物;ARM架构是1990年由安谋(ARM)公司推出,以授权方式推广,是移动时代的产物。与此相应,桌面和移动终端领域也大多分别被微软的视窗(Windows)和谷歌的安卓(Android)两种操作系统所垄断。这样,在现代IT领域就出现了“Wintel”(Windows+Intel)和“AA”(Android+ARM)两大生态的垄断。鉴于在一个生态中,无数软硬件彼此依赖、互相支持,以致打破生态垄断极为困难。这也是长期以来,中国在主流CPU及其生态领域处于被动跟随状态、不能从根本上解决“卡脖子”问题的根源。

近年来,开源RISC-V架构在世界范围内迅速崛起。我国业界普遍认为,应聚焦开源RISC-V发展主流CPU,这样可使我国在新一轮科技革命和产业变革中掌握发展主动权,并全面融入国际科技创新网络。

开源RISC-V的基本生态

开源RISC-V是图灵奖获得者、美国加州大学伯克利分校大卫·帕特森教授的团队于2010年发布的。RISC-V架构采用开源模式,具有设计精简、易于移植、可扩展、模块化、可定制等特点,十分适合新一代信息技术领域“需求定义软件,软件定义硬件”的定制化趋势,而中国在这方面具备超大规模市场优势,可以为RISC-V生态建设提供坚实支撑。

经验表明,一个芯片能否在市场上取得成功,关键取决于其生态。今后RISC-V能否跻身于世界主流CPU行列,关键也取决于其生态。40年前,英特尔公司的x86架构依托“Wintel”生态发展壮大;十多年前,安谋公司的ARM架构依托“AA”生态发展壮大;今天,RISC-V架构也要依托其自身生态发展壮大。我们可以把RISC-V生态用“RV++”表示,描述为1+1+N:即一个架构、一套操作系统和基础软件、N种应用场景。

简言之,“RV”就是“一个架构”即RISC-V,代表开源指令集标准规范,它由RISC-V国际基金会(RVI)主持的RV开源社区进行支撑。该基金会在2019年由美国迁到瑞士,随着RV开源社区的发展壮大,RISC-V国际基金会成为推进RISC-V生态发展的核心力量。

“RV++”中的第一个“+”代表“一套操作系统和基础软件”。在上述的“Wintel”和“AA”生态中,都只强调了操作系统,不过,今天计算机往往需要一整套以操作系统为核心的基础软件的支撑,所以我们将“操作系统和基础软件”统称为“基础软件”。由于RISC-V基础软件不能照搬x86或ARM的基础软件,而需要重新按照RISC-V架构定制开发,这就使中国软件人员大有用武之地,也为基础软件领域的后来居上提供了新机遇。相形之下,发达国家可享用x86和ARM的成熟生态,缺乏建设RISC-V生态的动力。

“RV++”中的第二个“+”代表“N种应用场景”,尤其是与新一代信息技术相关的应用场景,例如AI、物联网(IoT)、智能网联汽车、元宇宙······这类场景量大面广、发展迅速、定制化需求很强,特别适合采用RISC-V芯片。

发展RISC-V生态的关键因素

第一,聚焦RISC-V架构发展中国芯片产业。

近年来,中国集成电路产业规模稳步提升,2022年行业销售额突破1.2万亿元。据2022年海关总署公布的数据显示,2022年全球芯片销售额为5735亿美元,这一年中国进口集成电路5384亿颗,进口额为4156亿美元,约占全球芯片销售额的70%,显示出中国的超大规模市场地位。

目前,中国集成电路产业在芯片制造、封装测试等环节不仅存在严重“卡脖子”问题,而且在芯片设计环节,特别是主流CPU架构方面受制于人的问题也需加以强调。应当看到,CPU架构不仅直接影响芯片设计环节,实际上CPU架构及其引领的整个生态对IT业都有重大影响。现在多种国产CPU架构并存虽然反映了国产CPU的进展,但并非长久之计,也不能改变主流CPU被x86和ARM两种架构垄断的局面。如能聚焦于开源RISC-V发展主流CPU,既有助于集中资源、降低内耗,也能打破x86和ARM两种架构的垄断,满足构建国内国际双循环新发展格局的需要。

应当看到,中国超大规模市场是推进RISC-V生态建设的强大支撑。例如,目前在中国智能网联汽车领域,一些大企业联盟正大力发展基于RISC-V的解决方案。据估计,一辆智能网联汽车需要使用数以百计的CPU模组,所以这一领域未来将成为RISC-V生态的重要支撑。据统计,截至2022年底,RISC-V芯片全球出货量达到100亿颗,其中50%来自中国。预计在不久的将来,芯片领域将形成x86、ARM、RISC-V三分天下的格局,中国市场就是RISC-V的坚强后盾。可见,当主流CPU被人控制时,中国超大规模市场只能为他人作嫁衣裳,而一旦拥有了主流CPU的话语权,中国超大规模市场才能真正增强我国科技产业的竞争力。

第二,打好操作系统和基础软件国产化攻坚战。

操作系统和基础软件在整个信息系统中起着基础性、平台性的作用,是信息系统的核心部分,对保障信息安全有重大意义。早期的教科书上,只有系统软件与应用软件两类,后来陆续出现支撑软件、中间件等新的软件类型。今天,基础软件这一概念已被人们广泛认可,不过并没有严格的定义。一般说来,基础软件可分为三种类型:一是计算机系统运作不可缺少的软件;二是支撑开发与运行环境的软件;三是面向广大领域的共性应用软件。操作系统可以归入基础软件一类中,作为基础软件的核心。

如上所述,一种CPU架构的生存和发展在很大程度上依赖于生态系统,特别是依赖于需要大投入和长研发周期的基础软件。如果说,指令集架构是计算机系统中硬件与软件之间的分界线和交互规范标准,也是基础软件生态的起始原点,那么,基础软件介于CPU架构和各种应用软件之间,就是生态的“黏合剂”“催化剂”以及核心竞争力。从技术发展趋势看,自2020年之后,RISC-V发展的优先级从体系结构驱动切换为软件驱动。现在,在世界范围内RISC-V基础软件的竞争已经到来。这是一个挑战,也是一个机遇。参考x86和ARM的历史,x86生态成就了微软和红帽(Red Hat),ARM生态成就了苹果和谷歌,以此类推,RISC-V生态也将为未来的软件巨头提供新的舞台。为此,需要以全球视野谋划和推动RISC-V基础软件发展,抢占新的信息技术变革的制高点。

习近平总书记指出,“要打好科技仪器设备、操作系统和基础软件国产化攻坚战”。要遵照这一重要指示,发挥我国新型举国体制优势,集中资源,攻坚克难,打好操作系统和基础软件国产化攻坚战,彻底改变在该领域受制于人的“卡脖子”问题,实现跨越式发展。

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2022年11月9日,2022年世界互联网大会乌镇峰会在浙江乌镇举行,15项世界互联网领先科技成果在活动期间发布。图为欧拉开源操作系统(openEuler)在乌镇展示,该操作系统以Linux稳定系统内核为基础,支持x86、ARM、RISC-V、LoongArch、SW64、Power六大处理器架构。第三,拥抱开源,与世界协同创新。

当前,开源作为一种发展模式、创新模式,已经成为推动当代世界信息技术、软件技术发展的强大动力。国际上,开源技术生态体系已经形成,并发展成为软件业主流,有人甚至表示“开源正在吞噬软件”。2020年新思科技(Synopsys)公司审计了1252个应用程序,其中99%包含开源软件,总体来说有70%的代码是由开源代码组成的。2022年的数据显示,全球80%的新软件由开源组建,98%以上企业使用开源软件。实践表明,开源社区通过大众协同、开放共享,不断持续更新迭代,展现出惊人的开源创新能力。今天,开源作为世界上一种通行的创新模式,显示出规模化、生态化、平民化、全球化的优势。

现在,开源模式的成功正逐渐从开源软件走向硬件。

RISC-V采取开源模式,采用的是宽松的BSD(Berkeley Software Distribution)许可证。众所周知,BSD开源许可证(协议)是一个给予使用者很大自由的协议,基本上使用者可以自由地使用、修改源代码,也可以将修改后的代码作为开源或者专有软件再发布。这种许可证有利于实现产业化。RISC-V发布至今,RISC-V国际基金会会员增长率超过130%,已有超过3000家会员单位,得到世界芯片业的普遍认可。

当前,开源为我们融入全球科技创新网络、参与科技创新治理提供了可能性。现在,中国已经是开源大国,2021年,在全球最大的开源社区GitHub的7300万累计开发者中,中国开发者达755万,位居全球第二,预计2030年左右将超过美国。Linux是目前主流的开源软件,也是世界上使用非常普遍的操作系统。正是在Linux新发布版本5.10和6.10中,华为的内核贡献量位居第一,这表明中国开源工作者正在从开源的使用者向参与者、贡献者的方向发展。相信未来中国一定会发展成为开源强国。

在当前形势下,要高度重视产业链供应链安全问题,开源RISC-V也不例外。这方面,我国部分单位正在启动增强开源软件供应链安全的相应计划,旨在消除开源软件存在的质量、来源和持续供应等风险隐患。今后,有必要将开源软件供应链安全理念进一步扩展到整个RISC-V软硬件产业链供应链,保障RISC-V生态的高质量发展。

第四,发挥中国拥有世界最多工程师的优势。

开源的发展离不开开源人才。在推进开源RISC-V架构、发展开源RISC-V基础软件、构建RISC-V生态的同时,可以带动中国开源事业的发展,引导中国科技研发人才成为开源世界的重要参与者和积极贡献者。

中国是全世界大学生毕业人数最多的国家,据统计,2022年中国高等院校毕业生数量已达1076万人。中国科技研发人才结构为金字塔结构——以庞大的技术本科、硕士、博士毕业生为基础,以具有国内外高学历教育背景和成熟专业经验的研发人员为塔尖。中国科技研发人才正在成为全球高科技研发体系中的重要组成部分,这一庞大的技术队伍如果能与开源模式相结合,就能使中国科技研发人才数量优势得到充分发挥。据了解,中国目前有很多高校已经开展或计划开展开源课程培训,但还没有形成规模、制度。为此,建议在高校系统推进开源教育:要从全球视野谋划开源人才培养方式,激活国家创新动力;要统筹规划建立完善的产学研一体化开源人才培养体系,培养更多的大学生开发者参与到开源社区建设当中;要针对国家科学技术发展的产业需求,进行针对性开源人才培养,以支撑产业发展需求和国家发展的战略方向。

总之,拥抱开源、发展开源,有助于在国际技术竞争中实现“你中有我,我中有你”的格局,免除或缓解遏制、禁运、停服、断供、“脱钩”等风险;鉴于科学技术具有世界性和时代性的特点,开源也是中国融入国际科技创新网络、参与国际科技治理的有效途径;从实施创新驱动发展的国家战略考量,开源有助于创新的产生和传播,有助于创新的产业化;开源还能比较客观地反映劳动和创新的价值,随着投入不断加大,贡献增加到一定程度,国际话语权也会进一步提升,这对于作为后来者的中国是有利的。

综上所述,我们要聚焦RISC-V发展中国芯片产业,大力推进RISC-V生态建设,打好操作系统和基础软件国产化攻坚战,充分发挥中国超大规模市场、人才优势,大力推进RISC-V生态建设,使RISC-V跻身世界主流CPU之列。中国科技工作者要与世界同行协同创新,反对垄断、反对遏制,为构建人类命运共同体贡献中国智慧、中国方案、中国力量。

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