国产 RISC-V 处理器“香山”已成功运行 Linux
22号下午关于香山的报告，因为Zoom直播出现了技术故障，导致大家未能听到完整的报告，稍有些遗憾。考虑了一下，这里就把报告PPT直接贴出来，再加上我们在香山开发过程中的一些考虑和想法，跟大家分享。
这个报告主要回答四个问题：
- 一、为什么要做香山？
- 二、香山什么水平？
- 三、香山怎么做的？
- 四、香山未来如何发展？
一、为什么要做香山？
2010年RISC-V诞生，迄今已有11年。如今，在RISC-V国际基金会网站上登记的各类商业或开源的RISC-V处理器核就有上百个（如下链接），为什么还要做一个开源的高性能RISC-V核？
RISC-V Exchange: Cores & SoCs – RISC-V International
对于这个问题，我们和很多业界企业交流过，也做了很多调研与分析，这都让我们判断认为业界需要一个开源的高性能RISC-V核。另一方面，我们也在思考一个问题——为什么CPU领域还没有一个像Linux那样的开源主线？1991年开源的Linux诞生，到今天正好30年。如今，Linux不仅被工业界广泛应用，也成为学术界开展操作系统研究的创新平台。
RISC-V是开放开源的指令集，允许全世界任何人免费实现一个RISC-V处理器，可以是商用，也可以开源，这是和公司私有的X86/ARM指令集相比*大的区别之一。但是，十年过去了，到现在还未能形成一个像Linux那样的开源主线。Berkeley的BOOM目标是一个高性能开源RISC-V核，但是BOOM代码仓库相对不开放，官方建议其他人实现任何功能都要事先和他们沟通，以确保不要与他们的计划产生冲突。根据GitHub官方的统计页面显示，从2014年1月至今，为BOOM提交过超过100行代码修改的仅有8人。由此可见，一定程度上因为BOOM严格的外部贡献政策，开源社区对BOOM的参与度并不高。
所以，团队的唐丹博士和我一直认为要建立一个像Linux那样的开源RISC-V核主线，既能被工业界广泛应用，又能支持学术界试验创新想法。*关键的是，一定要让它像Linux那样至少存活30年！
于是，“香山”诞生了。
我们做了一年多的准备工作——申请经费，启动“一生一芯”计划培养人才，建立团队，寻找合作伙伴……这期间得到了太多太多人的支持和帮助：计算所孙凝晖院士帮我们多处找经费，国科大全力支持“一生一芯”计划，鹏城实验室支持我们建立起后端物理设计团队，多位计算所老所友毅然决定参与开源主线等等，就不一一列举了。
终于，香山正式启动了——2020年6月11日，香山在GitHub上建立了代码仓库。
短短的的一年时间里，25位同学和老师参与了香山的开发。821次主分支代码合并，3296次代码提交（commit），5万余行代码，400多个文档，记录了香山的成长过程。我们的理念是代码开源、流程开放、文档公开。这期间，有企业直接参与开发，也有企业表达参与意向，都因为认同开源理念，愿意一起来共建开源的香山。这些来自工业界的积*反馈，给予我们*大的鼓舞和信心，让我们更坚定地去践行“科研重工业模式”。
“科研重工业模式”，是 2020年1月我为《中国计算机学会通讯（CCCF）》写了一篇卷首语《伯克利科研模式的启发》中提出的：
袁岚峰：CCCF卷首语 ：伯克利科研模式的启发 | 包云岗
回顾伯克利的科研历程，可以发现他们在过去几十年研制了大量的原型系统，不仅推动了技术进步甚至颠覆产业，也培养了一代代杰出人才（其中多位获得图灵*）：1950年代CALDIC系统(Doug Englebart)，1960年代Project Genie系统(Butler Lampson与Chuck Thacker)，1970年代BSD Unix操作系统与INGRES数据库系统(Michael Stonebraker)，1980年代RISC处理器(David Patterson)，1990年代RAID存储系统与NOW机群系统……如果用一句话来总结伯克利的科研模式，那就是——热衷于研制真正能改变现状的原型系统，哪怕需要大量工程投入。国重主任孙凝晖院士称之为“科研重工业模式”。
“科研重工业模式”，我们不想纸上谈兵，我们要用行动去实践。
二、香山什么水平？
香山是一款开源RISC-V处理器核，它的架构代号以湖命名。*版架构代号是“雁栖湖”，这是带有浓重国科大情节的同学们起的名字，因为他们研一都在怀柔雁栖湖待了一年。“雁栖湖”RTL代码于2021年4月完成，计划于7月基于TSMC 28nm工艺流片，目前频率为1.3GHz。
第二版架构代号是“南湖”，这是向建党100周年致敬。“南湖”计划在今年年底流片，将采用中芯国际14nm工艺，目标频率是2GHz。
香山选择什么开源许可证？这个问题纠结了我们好一阵子。后来，我们专门向北京大学周明辉教授请教，小伙伴们制定了4种开源许可证方案。在反复对比权衡后，*终选择了如下表格中的方案①——木兰宽松版许可证（MulanPSLv2）。在此，特别感谢北大周明辉老师的专业指导！
开源许可证方案对比（徐易难整理）“雁栖湖”架构是一个11级流水、6发射、4个访存部件的乱序处理器核。在发射宽度上已经可以和一些ARM高端处理器核相当，但还未进行充分优化，因此实际性能还有不小的差距。我们希望未来通过持续迭代优化（“南湖”–>”X湖”–>”Y湖”–>……），性能达到ARM A76的水平。
我们基于GitHub CI构建了一套流程化的自动回归测试框架，并在过去大半年不断增加测试负载，从cputest，risc-tests到Linux，到SPECCPU workload。这套自动回归测试框架在保障和验证芯片的正确性。
每个大项目总会有一些激动人心的时刻，这段30秒的小视频记录了香山在FPGA上启动Linux/Debian的时刻，略带喜感。
视频链接：香山在FPGA上启动Linux/Debian
（https://www.zhihu.com/zvideo/1390842319982120960）
三、香山怎么做的？
香山开发初期速度非常快：6月11日建立代码仓库，7月6日乱序流水线便已完成，能正确运行CoreMark，不到一个月时间；9月12日，Linux正确启动；10月22日，Debian正确启动。
接下来便是大半年的结构优化、性能调优、时序优化工作，香山架构几乎相当于重构了一遍。一个典型的例子，香山的*版分支预测器（BPU）参考了BOOM的BPU，但后端评估频率只能达到800MHz（TSMC 28nm）。于是负责BPU设计的勾凌睿在几位老师的指导下，不断优化BPU结构，*终将频率提升到了1.4GHz。
这期间，小伙伴们纷纷自己动手，开发了各种各样的优化和调试工具，大大地加速了优化和验证环节。这让我真心佩服这批90后——他们真是充满了创造力，从工作到生活，而主要驱动力之一就是“省（tou）时（lan）”。比如宁可自己写个程序自动点外卖，也懒得打开手机看菜单点。
香山的开发至少有两个重要的决策，*个便是选择敏捷设计语言Chisel。很多人质疑Chisel，排斥Chisel，但是我们在充分评估后，还是决定使用Chisel。
我们团队是在2016年开始使用Chisel，一开始组里也充满质疑。2018年，我们设计了两组定量的对比实验，找了2位同学用Chisel、1位工程师用Verilog分别设计一个L2 Cache模块。通过一系列量化对比，得出了如下三个结论：
- Chisel开发效率远高于Verilog；
- 实现相同的功能，Chisel代码量仅为Verilog的1/5（因此香山的5万行Chisel代码相当于25万行Verilog代码）；
- Chisel的开发质量不比Verilog差。
后来将实验结果发表在2019年1月的《计算机研究与发展》。*近去华为交流，才知道这些对比结果也推动了华为内部组建了Chisel开发团队，如今华为也是Chisel的支持者。
2020年，我们又基于Chisel完成了一款8核标签化RISC-V处理器的流片，这是基于Rocket处理器核进行了标签化体系结构改造，采用TSMC 28nm工艺流片。虽然因为时间紧张，并没有进行细致的后端优化，但芯片返回后也还能正常运行在1.2GHz。这是一颗有一定复杂度的8核SoC芯片，但Chisel能应对。所以，我们相信Chisel可用来开发复杂芯片。
在开发香山的过程中，我们团队积累了丰富Chisel开发经验。小伙伴们（徐易难、王凯帆、蔺嘉炜、余子濠、金越）准备了6个报告，将会在6月25日的CCC Workshop上和大家分享。
另一个重要决策就是高度重视构建支持敏捷设计的流程与工具。
我们在开发香山的过程中，一直在强调流程、平台、基础设施的重要性。我更多是扮演了啦啦队队长的角色，而小伙伴们则真正将理念落实到了具体行动。
为了更好地支持Chisel开发与调试，为了更快地捕捉、复现和定位bug，为了更准确地评估优化技术的性能收益，小伙伴们开发十余种各具特色的工具。这些工具支撑起了一套处理器芯片敏捷开发的流程。当然，这套流程还比较初级，尚不系统化。我们也期待更多的开源开发者加入，一起完善这套敏捷设计流程。
下面举几个工具的例子。NEMU是由余子濠在南大本科时便开始开发的一款教学模拟器。在计算所读博期间，他凭借一人之力一直在持续改进和优化NEMU，使NEMU成为一个效率接近QEMU的高性能解释器——启动Debian甚至比QEMU还要快18.2%（9.87s vs. 12.07s）。
更重要的是NEMU是指令解释器，可以针对每一条指令进行动态分析；相比而言，QEMU的翻译粒度是基本块，无法跟踪每一条指令。事实上，NEMU的这种指令解释器机制，成为了香山开发中正确性验证框架Difftest的基础。（余子濠将会在6月23日下午介绍NEMU）
Cache是处理器中非常核心的模块，尤其是要支持一致性协议的Cache更为复杂。为此，小伙伴们开发了一套专门验证支持TileLink一致性协议的Cache模块测试框架Agent Faker，发现了好几个Cache模块的bug。（张传奇将会在6月25日上午介绍这个工作）
Difftest是一个基于NEMU的指令集在线差分验证框架。它的一端是模拟器，提供处理器执行的黄金标准；另一端是运行RTL的仿真器，在仿真过程中会将指令数、中断、MMIO、微结构状态等信息发送给NEMU进行比对，从而判断RTL实现的正确性。
Difftest*早是由余子濠实现，后来王凯帆进行优化，其中一个*重要的改进就是SMP-Difftest，支持多核SMP的全系统仿真，并且支持Cache一致性、内存一致性等需要软硬件协同的问题。（王凯帆将会在6月24日下午介绍Difftest）
如何快速捕捉、复现、定位bug是调试过程中非常关键的步骤，很多时间都是消耗在这个阶段。小伙伴们提出了一种创新的轻量级仿真快照技术——把整个仿真程序看成是一个进程，利用fork机制创建子进程。然后父进程继续执行，子进程暂停。当父进程出错时，则可以恢复到子进程进行调试。LightSSS这个机制和Verilator仿真器自带的Savable机制相比，单次快照时间缩短了近7000倍！（余子濠将会在6月23日下午介绍LightSSS）
很多人质疑Chisel不方便调试。小伙伴们则充分利用了Chisel的可以自定义Firrtl Transform的特点，设计了一套新型的硬件敏捷调试栈，可将基于波形的调试转换为基于事件的调试。我们设计了一套工具，可以直接将高层语义新型从波形中提取出来，并进行可视化。为此，还专门设计了一个Xiang语言。（蔺嘉炜将在6月23日下午介绍该工作）
处理器性能优化环节*关键是要快速准确地评估优化技术带来的性能收益。如果评估过程需要几天时间，那将会严重影响迭代优化效率。小伙伴们设计了一个敏捷性能评估框架BetaPoint，它利用了三个机制——Sampling机制、Generic Full System Checkpoint机制和Functional Warmup机制，实现了可以在10个小时内估算出处理器的SPEC分数。（周耀阳将会在6月23日傍晚介绍BetaPoint）
整个香山开发团队将在这次峰会上和大家分享22个技术报告。这些报告都是清一色的90后，很多都是95后：勾凌睿、胡博涵、金越、李昕、刘志刚、蔺嘉炜、王华强、王诲喆、王凯帆、徐易难、余子濠、张传奇、张发旺、张林隽、张紫飞、张梓悦、周耀阳、周意可、邹江瑞；此外还有多位参与香山开发的同学这次并没有投稿。这些小伙伴们在香山的开发过程中做出了不可替代的贡献。
四、香山未来如何发展？
目前香山正在进行下一代架构“南湖”的开发，目标是今年年底流片，基于中芯国际的14nm工艺频率达到2GHz，SPECCPU分值达到10分/GHz。这是一个很有挑战的目标，需要对架构进行大幅度的优化改进。
前几天，小伙伴们专门去了一趟嘉兴南湖，研讨香山未来的发展。除了技术，我们再一次聚焦到流程与平台。此前构建的敏捷设计流程与平台支撑了20多人的开发团队，这远远不够。现在我们需要考虑的是该如何构建一套开源、开放、规范的开放流程，能支撑2000人的开源社区一起开发。
支持成千上万人一起开发开源软件，这已经有成功的经验。但是如何支持数千人一起开发开源处理器，目前还没有可以参考的案例，只能靠我们自己摸索。也期待各界专家给我们更多的指导和建议。
我们有一个愿望——希望“香山”能存活30年；我们有一个约定——30年后再一起聚聚，到时再看看香山会变成什么样。但是，要实现这个愿望，还有很多很多问题和挑战需要去解决。
真诚地期待有更多伙伴加入香山的开发队伍！
香山是在中科院计算所、鹏城实验室的支持下，通过中国开放指令生态（RISC-V）联盟联合业界企业一起开发一款开源高性能RISC-V处理器核，也得到了北京智源人工智能研究院的支持。在此，要特别感谢北京微核芯公司的资深专家给予香山的开发强力的支持，他们非常认同开源理念，也是*家与香山联合开发的企业。很高兴“南湖”架构的开发有了更多的合作伙伴，感谢对香山的支持。
欢迎联系我们一起加入香山开源社区！
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