中科院大学本科生9个月成功设计出64位处理器：已成功流片

来源 ：芯片之家

2020年7月25日，中国科学院大学（以下简称“国科大”）在玉泉路校区礼堂报告厅举行新闻发布会，公布了首期“一生一芯”计划成果——在国内首次以流片为目标，由五位2016级本科生主导完成一款64位RISC-V处理器SoC芯片设计并实现流片，芯片能成功运行Linux操作系统以及学生自己编写的国科大教学操作系统UCAS-Core。

据了解，上述64位RISC-V处理器名为“果壳(NutShell)”，基于中芯国际110nm工艺，值得一提的是，RISC-V全球论坛已经接收了“果壳”团队的投稿，上述同学将代表团队于9月3日向全球业界介绍“果壳”的设计。这是“果壳”首次在国际舞台上亮相。

据介绍，中国科学院大学公布了第一期一生一芯计划的成果，国科大2016级计算机学院五位本科生实现带着自己设计的处理器芯片毕业，堪称“超硬核毕业证书”。

·2019年12月19日，一款64位RISC-V处理器SoC芯片完成设计，并基于中芯国际110nm工艺完成投片；

·2020年4月23日，处理器芯片返回，经过调试测试验证，芯片成功运行Linux操作系统以及学生自己编写的国科大教学操作系统UCAS-Core；

·2020年6月2日，王华强同学代表“一生一芯”团队向毕业答辩委员会演示处理器芯片的功能，五位同学交出了一份超出预期的本科毕业设计“答卷”。这标志着首期“一生一芯”计划取得圆满成功。

“一生一芯”计划负责人、国科大计算机学院教授、中科院计算所先进计算机系统研究中心主任包云岗介绍，学生们将这款处理器芯片命名为“果壳（NutShell）”，与“国科”发音相同，希望通过自己设计的处理器芯片来寄托对国科大深厚的情感。

包云岗向媒体透露，RISC-V全球论坛刚刚接收了“果壳”团队的投稿，王华强同学将代表团队于9月3日向全球业界介绍“果壳”的设计。“这是‘果壳’首次在国际舞台上亮相。RISC-V全球论坛的报告均来自世界各地的业界资深专家，包括图灵奖得主David Patterson教授。”

孙凝晖表示，处理器芯片被公认为芯片产业皇冠上的明珠，设计复杂度高、难度大。我国处理器芯片设计人才严重紧缺，如何加快此类人才的培养规模与培养速度，是我国迫在眉睫的难题。

针对处理器设计人才危机， “一生一芯”计划的愿景目标是在国科大实践经验的基础上向全国辐射，帮助更多高校形成从处理器芯片设计到流片并运行操作系统的实践课程，提高我国处理器芯片设计人才培养规模，缩短人才从培养阶段到投入科研与产业一线的周期，力争实现3年后在全国每年能培养500名学生，5年后实现每年培养1000名学生，10年达到每年培养1万名学生。

据了解，去年7月9日上午，中国科学院大学第一张本科生录取通知书完成打印。第一个收到录取通知书的考生打开后发现信封中夹着一枚龙芯处理器。

昨天，中国科学院大学在最新的微博中表示，国科大本科生超硬核毕业证已产生，并预热了今年本科生的“硬核”录取通知书。不出意外，该大学在录取通知书和毕业证书夹层中也会夹有芯片。

一份毕业设计，或许离量产以及终端应用还有一段距离，不过轩爸却注意到了其中提到的“RISC-V处理器SoC芯片”，对于不少科技粉而言，RISC-V处理器恐怕一点也不陌生。

RISC-V（发音为“risk-five”）是一个基于精简指令集（RISC）原则的开源指令集架构（ISA）。与大多数指令集相比，RISC-V指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。虽然这不是第一个开源指令集，但它具有重要意义，因为其设计使其适用于现代计算设备（如仓库规模云计算机、高端移动电话和微小嵌入式系统）。设计者考虑到了这些用途中的性能与功率效率。该指令集还具有众多支持的软件，这解决了新指令集通常的弱点。

“未来RISC-V很可能发展成为世界主流CPU之一，从而在CPU领域形成Intel(英特尔)、ARM、RISC-V三分天下的格局。”2019年12月18日，在北京举行的“2019国际芯片大会(Chips 2019)”上，中国工程院院士倪光南如此展望开源芯片的前景。

中国工程院院士廖湘科也表示，RISC-V指令集摆脱了原有指令集的兼容性桎梏，集合了多种指令集ISA的优点，目前在国内正蓬勃发展。

目前，世界上生态最为成熟的两种指令集架构的CPU分别是Intel x86指令集架构CPU和ARM指令集架构CPU。

Intel x86指令集架构CPU历史悠久，垄断了桌面和服务器领域，被美国的Intel和AMD两家公司拥有，罕有对外授权。ARM指令集架构CPU近年崛起，在移动和嵌入式等领域占垄断地位。世界上很多公司花费数百万至上亿元费用向ARM公司购买CPU许可，还要向公司缴纳特许权使用费(Royalty fee)。

对此，倪光南表示，“未来RISC-V很可能发展成为世界主流CPU之一。”这与其本身开放、简约的特点有关。在设计方面，免除授权费用和知识产权风险的完全开源免费，是RISC-V存在的主要意义。RISC-V指令集在最初设计时，其研发团队就明确表示要追求简约，丢弃历史包袱。目前成型的技术代码集小、支持模块化、性能优越，能满足从微控制器到超级计算机等各种复杂程度的处理器需求，支持从FPGA、ASIC乃至未来器件等多种实现方式。

RISC-V处理器并非是一个纯粹的概念或者仅停留在学术讨论上的存在，RISC-V基金会于2005年成立，这是一个非盈利中立机构和开放社区，主要负责日常维护RISC-V指令集标准手册与架构文档，参与RISC-V相关规范制定和软硬件生态系统的发展。倪光南介绍，基金会采取会员制管理，目前有上百家会员单位，中科院计算所是发起和审计会员，阿里、华为是白金会员。这种开放式管理模式能够有效促进RISC-V社区的交流和创新，形成生态系统，从而降低研发成本，打破芯片市场的垄断。

目前，RISC-V开放的生态已经让众多厂商纷纷选择使用RISC-V指令集研发下一代芯片，英伟达(Nvidia)将使用RISC-V指令集制作下一代GPU上的周边微控制器，西部数据(Western Digital)计划在下一代存储计算芯片中使用RISC-V核，并宣布预计每年将出货10亿片以上使用RISC-V的芯片。另外，西门子、三星、谷歌、IBM、特斯拉、高通、恩智浦、日立等大厂都在RISC-V指令集芯片上有所布局。

而相对于国际各大巨头对RISC-V的持续投入与跟进，我国使用RISC-V指令集制作的芯片也开始初露头角。2019年7月18日，中科物栖展示了基于RISC-V的AIoT芯片和整机方案，7月25日，阿里巴巴旗下半导体公司平头哥出品的玄铁910(XuanTie910)芯片同样是一款RISC-V处理器，它可以用于设计制造高性能端上芯片，应用于5G、人工智能以及自动驾驶等领域。

玄铁是阿里平头哥研发的RISC-V处理器，其中去年推出的玄铁910号称最强RISC-V处理器，12nm工艺，采用3发射8执行的复杂乱序执行架构，是业界首个实现每周期2条内存访问的RISC-V处理器；基于RISC-V扩展了50余条指令，系统性增强了RISC-V的计算、存储和多核等方面能力。

据了解，玄铁910单核性能达到7.1 Coremark/MHz，主频达到2.5GHz，比目前业界最好的RISC-V处理器性能高40%以上。

而2020年7月22日国内最大智能语音芯片商全志科技(以下简称“全志”)已和阿里旗下半导体公司“平头哥”达成战略合作。基于平头哥玄铁处理器，全志将研发全新的计算芯片，应用于工业控制、智能家居、消费电子等领域，预计3年出货5000万颗。

RISC-V被认为是继X86架构和ARM架构之后第三个主流架构，根据分析机构Semico Research的报告，预计到 2025 年，采用RISC-V架构的芯片数量将增至624亿颗，2018年至2025年复合增长率高达146%。

目前，在研的 RISC-V 处理器的主要应用方向是超高性能计算及向量计算。未来，以高通、三星、西数为首的半导体厂商均已不同程度的投入到基于RISC-V的产品线，以芯片研发的一般周期来看，未来2-3年将会陆续有芯片问世，尤其在AIoT、IIoT、5G 等领域将会有更多基于RISC-V的产品问世。”

RISC-V基于开源社区的软件生态还在快速发展中，目前的软件生态已经能够满足应用的需求，对某些工程师来说熟悉 RISC-V 需要有个并不复杂的学习过程，但不存在基础的障碍，依托于RISC-V基金会打造的规范开源生态，兼容性不是很大的挑战。

此外，RISC-V基金会是RISC-V产业化的最重要的推手，中国开放指令生态(RISC-V)联盟在推动RISC-V国内落地 / 产业教育上也做了很多的贡献。在这些组织和公司的努力下，RISC-V基于开源社区的软件生态将日趋成熟。从某种意义上讲，RISC-V 被认为是“中国芯”崛起的历史机遇，也是我国半导体芯片弯道超车的好机会。

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