Google上线芯片设计网站 迈出半导体开源的一大步?

摘要:

本月,Google开发者上线了一个芯片设计的网站,网站的宣传语表示该网站会让每个人更容易大规模地构建定制芯片。据Google介绍Google与SkyWater Technology代工厂和Efabless合作,提供完全开源的工艺设计套件 (PDK) 和相关工具,以便任何开发人员都可以创建可制造的硅设计。每隔一个月,用户可以提交开源设计以进入Open MPW穿梭计划并免费制造自己设计的芯片。

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Google与Skywater、efabless的合作从2020年开始,作为 RISC-V 基金会和 Linux 基金会 CHIPS 联盟项目的创始成员,Google其实一直在支持开源芯片相关领域,包括为 lowRISC 在内的关键开放硬件工作提供资金、战略和法律支持。

清华大学资深教授评价,Google 抓住了集成电路产业去中心化的关键点。本次Google的项目会带来什么样的不同,开源会为半导体产业带来怎样的改变呢?

人人都能设计芯片的时代来了?

Google的这一网站并不是从0到1建立起来的,而是与其他公司共同合作以实现用户的需求。

其中,提供设计IP的公司为Efabless。Efabless是一个面向“智能”产品的开放式创新、硬件创建平台。通过提供半导体和硬件系统创新者所需的定制集成电子产品,以将他们的产品愿景变为可销售的产品。Efabless 专注于按需和定制 IP。芯片公司从Efabless 获取IP的方法有两种:一种是可以在不断增长的经过验证的设计库中搜索现有 IP,第二种则是委托 Efabless 社区设计新的 IP 和衍生产品。

Efabless Caravel是一种即用型测试工具,用于使用 Google/Skywater 130nm Open PDK 创建设计。Caravel 线束包括支持 IO、电源和配置的基本功能以及用于管理 SoC 内核的插入模块,以及用于放置用户 IP 块的大约 3000 微米 x 3600 微米的开放项目区域。

除了工具,Google还给使用者提供了学习的教程,理论上来说,这一举动为所有人提供了设计芯片的舞台。这一网站推出后,有评论称这正是半导体从业者期待教育系统能为相关专业学生提供的实践项目。

目前这一计划已经有了76个教程,话题领域包括ASIC、eFPGA、CMOS芯片、测试流片等。

虽然在理论上可以实现人人都能造芯片,不过距离这一现实显然时间很长。虽然Google提供了教程,但能够通过自学学会相关课程对用户本身的知识体系就有很大的挑战,总体而言这个网站的意义更大的点在于为集成电路专业的学生以及创业者提供设计芯片样品的机会。

据在代工厂的相关人士介绍,即使是使用40nm制程的流片,一次成本也在30万-50万美元左右,这样的数字对于于个人来说,很难承受。但是这样的平台对于芯片行业的创新力一定会有正向的激励。

从芯片产业来说,Google并不算产业上的主要玩家。不过Google silicon团队已经有产品问世。2021年10月Google silicon团队宣布了其首款自研芯片Tensor。Tensor 芯片采用 5nm制程,CPU 为八核设计,分为大中小三核——两个以 2.8GHz 运行的 ARM Cortex-X1 内核、两个以 2.25GHz 运行的 Cortex A76 内核,以及四个 1.8GHz A55 内核。GPU 为 20 核设计。据悉这款设计耗费了Google silicon团队四年的时间,那么深知芯片从设计到成品之中的艰辛的Google 为何要推出这一网站呢?

Google的芯片网站是芯片界的Github?

Google的这一次操作更深层的关键在于搭建一个开源的社区。

开源,在Google更加熟悉的软件领域已经形成了成熟的生态氛围。开源已成为一种超越软件生产界限的运动和工作方式。开源运动旨在利用开源软件的价值和分散的生产模型,为其社区和行业的问题寻找新的解决方法。

在开源的环境下,互联网团结了同一社区的所有成员。协作、开放让效率变得更高,也让创新性想法被快速了解,星星之火,得以燎原。

在开源的生态下,也诞生了如Github这样的在线源代码托管服务平台。

而Google本次建立的网站,与Github就有许多相似之处。而随着Github在软件行业的重要性越来越高,开源的价值被再次证明。

众所周知芯片设计制造是一个复杂繁琐的流程,而随着芯片设计正在逼近极限,芯片公司们似乎都迎来的自己的瓶颈期。芯片研发门槛高客观上阻碍了创新,而降低门槛激发了创新活力、繁荣了芯片产业;芯片架构人才紧缺,而降低门槛有助于快速和大规模培养高水平芯片设计人才。当“挤牙膏”成为各家大厂的下下策,如何打破设计的困局已经亟待解决。

Google的这次尝试或许能够为芯片设计界带来新的可能。

半导体的开源时代

Google并不是第一家尝试在芯片领域开源的公司。

RISC-V是半导体开源的代表性成果。截至2021年9月,RISC-Ⅴ国际基金会的会员已覆盖70多个国家,总数已超过2300个,其中企业和机构超500家。RISC-Ⅴ物联网处理器芯片已大规模商用,仅国内就有超5亿颗RISC-Ⅴ核心芯片投放市场。华米科技等可穿戴设备厂商一直采用这种RISC-V架构。阿里巴巴集团以RISC-V为基础开发出了用于物联网的AI芯片,并将其IP公开。此前有消息称,华为也推出了基于RISC-V架构的Hi3861芯片。

开源的RISC-V也成功孵化出了商业化案例,SiFive基于RISC-V开发了完整的处理器核和开发板,已可以完整地运行Linux操作系统。作为当前炙手可热的SoC领导厂商,SiFive设计了SiFive Core Designer工具,参数化核设计,用户可以自定义模式和指令集,片上存储,调试单元,接口选择,保密控制,中断设置,是否插入DFT,功耗管理和预测指令(根据性能或面积)等选项,大大提高了SoC设计的多样性和减小了SoC的设计难度。用户可选择的核目前有E2/E3/E7/S2/S5/S7/U5/U7。最新消息,SiFive设计了最新的U8处理器,拥有可扩展的乱序执行的RISC-V CPU核心,与Arm Cortex A72相比,U8系列的目标在性能上具有可比性,面积只有A72一半。

SiFive目前的融资金额已超过 3.5 亿美元的资金,现有投资者包括Coatue、AMD(通过 Xilinx Ventures)、Ibex Investors、英特尔、Osage University Partners、Prosperity7 Ventures、高通、三星、SK 海力士、Spark Capital、Sutter Hill Ventures 和西部数据

2022年3月16日,SiFive在 F 轮融资中筹集了 1.75 亿美元,公司估值超过 25 亿美元。这再一次展现了市场对于开源RISC-V的信心。此外SiFive也与intel形成了合作,英特尔方面表示,公司对RISC-V基金会的投资就包括与 RISC-V 领导者 SiFive 合作构建基于英特尔 4 工艺技术的 Horse Creek 开发者平台,该平台将于 2022 年底广泛使用。

众多公司对SiFive的投资除了证明SiFive的商业价值也展现了基于开源架构商业化的可行性。

开源路漫漫,希望常相伴

开源在半导体领域并不是新兴概念。

在1999年就有一个本着自由和开源协作精神共享和推广开源IP(知识产权)核的社区OpenCores成立。OpenCores 门户托管不同数字网关项目的源代码,并支持用户社区,提供一个用于列出、展示和管理此类的平台项目;以及用于资源管理的版本控制系统。

目前该网站的开源项目包括:算术内核、原型板、通信控制器、协处理器、加密内核、DSP内核、ECC内核、库、内存内核、处理器、片上系统、模块上系统、系统控制器、测试/验证、视频控制器等。

不过值得注意的是虽然Opencores已经运行超过20年,但目前的项目仅有1000个,网站的上次更新也停留在2021年。

这在一定程度上说明了半导体开源体系存在的局限。包云岗教授将问题归结为生态不成熟且碎片化严重。缺少技术主线和主导力量,尚不能真正有效汇聚全球研发力量,这阻碍了技术的持续迭代和应用拓展。此外,一些开源的联盟仅承担了有限的职能,组织松散且力度不足,无法形成对生态的系统性支持和引导。相关科研院校、龙头企业未能形成合力,诸多共性技术未能有序布局、合作攻关。

对于半导体来说,技术的独特性是第一竞争力。但放大去看,其实半导体行业一直存在着共同合作。Wi-Fi、USB、DDR等等都是行业共同合作形成的产物,最近的UCIe联盟更是打破了工艺与晶圆厂的界限。

对于中国半导体公司来说,开源是发展的必经之路。目前也有国内的EDA公司参与了开源,并表示在开源的平台上,EDA使用和创新门槛都被降低,同时也切实地提高了推进的效率。

国产化并不是国产半导体公司应该追求的终点,未来国产半导体厂商要在全球产业中,拥有自己的主动权。那么以开源为核心,以合作共赢为思想的行业氛围,对于国产半导体来说必不可少。

闭源意味着封闭,而开源则意味着开放,封闭很难进步,开放才会进步。开放让人类的智慧有聚集的可能,人类的智慧聚集起来不再是1+1=2,这是开源的力量。

Google的尝试会给半导体技术带来怎样的火花,开源的力量会给中国半导体带来什么,我们共同期待。

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