“香山”处理器产生背后的逻辑

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在最近召开的RISC-V中国峰会上，中科院计算所的包云岗研究员团队正式发布了名为“香山”的开源高性能处RISC-V处理器。前不久我有幸和包老师就这个事情做了一次深度的交流，我们聊了关于RISC-V、还有“香山”处理器的前世今生。包老师也分享了很多他关于开源硬件、新型开发语言、硬件敏捷设计、还有处理器基础架构等等这些问题的想法和学术思考，我深受启发。

包云岗老师是中科院计算技术研究所研究员、副所长，先进计算机系统研究中心主任，中国科学院大学特聘教授，中国开放指令生态（RISC-V）联盟秘书长。他的主要研究领域为云计算数据中心体系结构、开源处理器芯片敏捷设计等。

我把我们的对话进行了整理和采编，以飨读者。本文是第一篇，主要是包老师对RISC-V、以及“香山”处理器产生背景的阐述和思考。

注：以下的“我”，指的都是包云岗研究员。

1. 为什么选择RISC-V

RISC-V的使用，跟我们之前的研究还是有很多渊源。我自己在2012年结束博士后，并且回到计算所开始自己的独立研究。在体系结构方面，我们当时其实有一些新的想法。比如我们提出了一种名为“标签化体系结构”的新技术，这个工作也发表在ASPLOS’15上。但是，我们并不希望仅仅停留在论文的阶段，我们还希望再往前走，并且把它真正做成芯片。所以在2015年以后，我们花了很长的时间，去探索到底怎么样才能把它做成芯片。

为此，我们看了很多方法和渠道，包括x86、FPGA，还有开源的OpenSPARC T1，我们都做过很多尝试。很遗憾，这些尝试持续了将近一年的时间，最后都没有成效。

2015年，RISC-V的基金会成立。计算所的徐志伟老师对于RISC-V一直是很关注，他也在所里一直倡导基于RISC-V的研究。所以在2016年，我们就开始把研究方向转到RISC-V上。所以，这也是我们自己研究工作的延续。

当时我们做了很多的探索，并且发现RISC-V真的能够帮助我们实现很多想法，这是以前不管使用英特尔还是arm都做不到的。所以我们对于RISC-V的这种开放性、开源带来的价值，也有很深刻的体会，我们也是受益者。

我们在后面选择RISC-V，其实是在不断摸索之后，找到的一条在当时看起来似乎是唯一的一条道路。

事实上，在2015、16年的时候，RISC-V的开放性还没有受到那么多的重视。RISC-V的两位发明人David Patterson和Krste Asanovic在2014年写过一篇文章，名叫《指令集应该免费（Instruction Sets Should Be Free）》。当时有两位中国学者钱学海博士和谭章熹博士，把这篇文章翻译成了中文，并找到我把它发表在中国计算机学会通讯上。

其实在那个时候，我的认识还没有那么深刻，因为我们自己还没有要去直接做芯片。但是当我们后来真正要去做芯片的时候，再回过头来看这篇文章里面提到的一些观念和观点，比如指令集要免费、指令集要模块化这些，我觉得伯克利确实是在这方面还是很有远见。

2、“香山”处理器产生背后的逻辑

老石按：

我之前看过一个Jim Keller对RISC和CISC的一些对比和想法，他特别提到RISC-V相关的内容。RISC-V最大的特点和好处，就是它的指令集是开源的，这样特别方便去做很多不同的变化和设计。但是，Jim Keller提到了硬币的另外一面，也就是很多人可能会做很多随机的改变或设计，这就使得业界的使用者和开发者缺少一个相同的子集（subset）或者开发平台。为此，我们该如何在绝对的开放和通用去做平衡和折中？

这个问题其实也有很多人问我们，所以这也是为什么我们会想去构建香山这样的一条开源的主线。

如果我们回想80年代、90年代时，操作系统也有很多。但是当后来更开放的Linux出来之后，这些操作系统就逐渐汇聚起来了。到了今天，在开源操作系统这个领域就以Linux为主了，大家会把各种各样的创新和想法都汇聚到Linux上。与此同时，Linux又是非常多样化的，在各种不同的场合都会有定制，甚至有些企业都会按自己的需求进行定制。

所以，有了主线以后，就可以很好的解决一些碎片化的问题。相反的，如果没有主线大家各自发展的话，肯定会很碎片化。但是，我们始终会根据场景或者应用进行定制，也都可以再分做一个分支出来。这就是我们对碎片化这个问题的理解。

另外一方面，一条开源主线也可以帮助我们去做收敛，比如看哪些指令集应该沉淀下来，或者怎样去更好更快的制定标准和规范。

我在国际基金会那边也有一些参与，有一些标准、一些指令集的扩展已经讨论了两三年了，都定不下来。主要的原因就是大家谁都说服不了谁。其实这个时候就需要有一些参考的设计，然后大家可以在数据上讨论，这样的话就更有说服力，并且由此推进一些标准规范的确定。现在国际上其实也缺少这样的一个平台。从这几个角度来看，香山也存在这样的一些价值。

但是，我们并不是希望再造一个arm，如果再造一个arm的话，就没有把RISC-V的这种开放性和开源优势充分发挥出来了。

3、“香山”处理器的应用和转化

我们对香山还是寄予了一些期望的，我们希望它在工业界能够真的被广泛应用起来，所以我们也是按照高性能处理器的标准去定义它的。

我自己是担任了中国开放指令生态联盟的秘书长，这个角色会让我去接触到很多的企业。其实我应该至少有跟上百家企业都接触过。跟他们交流以后，能看到大家对高性能的RISC-V核是有很强需求的。