RIOS實(shí)驗(yàn)室：培育開源芯生態(tài)，培養(yǎng)世界級(jí)人才 _實(shí)驗(yàn)室

芯片是新時(shí)代的石油，一直是高科技領(lǐng)域的必爭(zhēng)之地，隨著人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展，各領(lǐng)域的智能產(chǎn)品越來越多，市場(chǎng)對(duì)芯片的需求在變化，需求量也在增加。行業(yè)需要靈活易用、開源的新芯片結(jié)構(gòu) 。在這樣的背景下， RISC-V誕生了。RISC-V最初由伯克利加利福尼亞大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)部門開發(fā) ，旨在為今后50年的計(jì)算設(shè)計(jì)和創(chuàng)新服務(wù) 。它是由精簡指令集RISC發(fā)展而來的開源指令集架構(gòu) ，相當(dāng)于一套芯片設(shè)計(jì)規(guī)則，基于該指令集，用戶可以根據(jù)需求開發(fā)自己的處理器。

RISC-V開源及可定制化的特點(diǎn) ，讓它被視為半導(dǎo)體行業(yè)的一股新風(fēng) ，因而備受關(guān)注。

2019年11月，為了進(jìn)一步推進(jìn)RISC-V的推廣， RIOS實(shí)驗(yàn)室RISC-VInternationalonalourcelatory正式成立。RIOS實(shí)驗(yàn)室設(shè)在加利福尼亞大學(xué)伯克利分校和清華大學(xué)共同設(shè)立的清華伯克利深圳學(xué)院TBSI ， RISC的創(chuàng)始人、RISC-V基金會(huì)的創(chuàng)始人、2017年圖靈獎(jiǎng)得主David去Patterson教授親自擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室主任。

我們認(rèn)為RIOS實(shí)驗(yàn)室的使命使硬件人才不斷吸引深圳，通過更多的合作和研究推進(jìn)RISC-V甚至芯片領(lǐng)域的發(fā)展，培養(yǎng)下一代中國信息技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)秀人才。DavidPatterson教授說。

DavidPatterson教授在第一屆中國RISC-V論壇現(xiàn)場(chǎng)

RIOS的勢(shì)頭并不大。如何培養(yǎng)基于RISC-V的開源芯片生態(tài) ，給芯片產(chǎn)業(yè)帶來什么變化？

芯片領(lǐng)域的一次創(chuàng)新

指令集是芯片的核心和基礎(chǔ) ，但這一關(guān)鍵領(lǐng)域長期以英特爾的X86架構(gòu)和ARM的ARM架構(gòu)為主。兩者的IP（知識(shí)產(chǎn)權(quán)）都?xì)w公司所有，其他企業(yè)的使用需要支付高額的技術(shù)授權(quán)費(fèi)用。技術(shù)的發(fā)展在一定程度上依賴于商業(yè)化帶來的利益，但由此可能會(huì)殺死一些芯片領(lǐng)域的創(chuàng)新。

RISC-V一開始就選擇了開源之路，目標(biāo)是讓芯片設(shè)計(jì)更加平民化，降低芯片設(shè)計(jì)的門檻，讓更多的人和公司擁有自己的芯片。

【RIOS實(shí)驗(yàn)室：培育開源芯生態(tài)，培養(yǎng)世界級(jí)人才】更重要的是， RISC-V的出現(xiàn)滿足了新時(shí)代的計(jì)算需求。隨著人工智能、智能駕駛、智能城市、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)的興起，通用芯片平臺(tái)難以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，必須對(duì)不同場(chǎng)景使用專用的定制芯片。這也是越來越多的非傳統(tǒng)半導(dǎo)體公司，如谷歌、螞蟻、亞馬遜等開發(fā)自己芯片的原因，他們渴望滿足不同場(chǎng)景計(jì)算的芯片。

RISC-V指令集完美符合新產(chǎn)業(yè)要求。另一方面， RISC-V的開源特性大幅度降低了成本。因?yàn)榭梢悦赓M(fèi)使用命令集，另一方面可以自由修改，任何用戶都可以滿足定制的需求。另外， RISC-V還采用模塊化設(shè)計(jì)將其不同部分組織在一起，從而使靈活滿足各種不同的應(yīng)用成為可能。

開源自由的生態(tài)、靈活的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) ，讓RISC-V對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的革新備受期待。中國工程院院士倪光南公開表示， RISC-V將來很可能成為世界主流的CPU命令集之一，最終在CPU領(lǐng)域形成了英特爾、ARM和RISC-V三分之一的世界結(jié)構(gòu) 。迄今為止， RISC-V基金會(huì)成員超過1000家，包括高吞吐量、英偉達(dá)、谷歌、螞蟻、華為等公司。

在新的計(jì)算需求下， RISC-V或許會(huì)成為國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)追趕前沿的契機(jī) ，而RIOS實(shí)驗(yàn)室的成立正是順應(yīng)了這種需求。RIOS在西班牙語里是河流的意思，寓意著RISC-V研究機(jī)構(gòu)將像河流一樣匯聚來自全球的資源和智慧，催生RISC-V生態(tài)的發(fā)展。

Patterson教授在RIOS實(shí)驗(yàn)室成立時(shí)表示， RISC-V國際開源實(shí)驗(yàn)室專注于開源處理器的最先進(jìn)技術(shù) ，致力于構(gòu)建基于RISC-V的硬件和軟件生態(tài)系統(tǒng) ，推進(jìn)世界RISC-V技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)程和硬件和硬件建設(shè) 。

此外， RIOS還將為行業(yè)提供合作的機(jī)會(huì)和平臺(tái) ，推動(dòng)RISC-V在行業(yè)中的應(yīng)用。

開源社區(qū):芯片人才培養(yǎng)基地

Patterson教授相信RISC-V也能像Linux一樣在硬件和芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展出繁榮的生態(tài) 。當(dāng)然， RISC-V要發(fā)展未來高科技產(chǎn)業(yè)的健康生態(tài) ，一定會(huì)遇到很多障礙。其中重要環(huán)節(jié)是人才。

鵬城實(shí)驗(yàn)室主任高文院士在第九屆政治局集體學(xué)習(xí)說明中國下一代人工智能發(fā)展的四大優(yōu)勢(shì)和四大短板時(shí) ，特別提到中國有潛力的青年人才迅速成長，但缺乏高水平人才。

在RIOS實(shí)驗(yàn)室的要目標(biāo)之一是依靠清華伯克利深圳學(xué)院的教育資源和平臺(tái) ，培養(yǎng)更多的CPU和RISC-V高級(jí)技術(shù)人才。縱觀世界，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)RIOS這樣的開源實(shí)驗(yàn)室，往往會(huì)成為前沿技術(shù)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)基地和新興行業(yè)的助推劑。

RIOS在2021年1月舉辦的第二屆RISC-V國際開源論壇上，設(shè)立了人才培養(yǎng)主題，完成開始主題報(bào)告后的Patterson教授，由深圳人才局張林局長主持，與清華大學(xué)鄭泉水院士和香港科技大學(xué)李澤湘教授等進(jìn)行了開源核心生態(tài)培養(yǎng)世界級(jí)人才的精彩討論。

第二界RISC-V國際開源論壇現(xiàn)場(chǎng)

Patterson教授根據(jù)自己的成長和教育經(jīng)驗(yàn) ，開源是一種良好的技術(shù)創(chuàng)新模式和人才培養(yǎng)方式。

在開源項(xiàng)目中，學(xué)生可以關(guān)注各種軟件的工業(yè)版本，查看工程源碼，了解現(xiàn)實(shí)中這些軟件是如何工作的。如果開源軟件加入學(xué)生課程，可以根據(jù)這個(gè)完成課題，整個(gè)教學(xué)會(huì)更有效率更有意義。此外，開源生態(tài)是一個(gè)開放的網(wǎng)絡(luò) ，來自世界各地的教師和工程師資源將聚集在一起，學(xué)生甚至可以得到其他機(jī)構(gòu)的支持，從而吸引所有人。在芯片這樣一個(gè)高度復(fù)雜的領(lǐng)域，開源社必不可少的資源，也是未來創(chuàng)新教育的方向。

另一方面，在開源項(xiàng)目中成長的學(xué)生可以將自己的研究和產(chǎn)業(yè)實(shí)踐反饋給開源社區(qū) ，形成學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)的正向循環(huán) 。

中國大學(xué)為什么總是不能培養(yǎng)大師？這是著名的錢學(xué)森的問題。作為清華大學(xué)錢學(xué)森班的主任和首席教授，鄭泉水院士在過去十年中探索了開源模式的答案，特別是他開放的心情，讓學(xué)生自由探索國際最前沿領(lǐng)域，同時(shí)讓他們完成自己感興趣的項(xiàng)目，這些都與開源精神非常一致，與開源社區(qū)的價(jià)值觀完全相同。鄭院士在RISC-V論壇上分享了以開源技術(shù)和開源社區(qū)的模式，在清華設(shè)立了以項(xiàng)目為中心的班級(jí)教育模式，以前我們的教育主要以班級(jí)為中心。

錢班通過技術(shù)發(fā)掘和培養(yǎng)有意改變世界、給人帶來利益的創(chuàng)新型人才，探索回答lsquo的錢學(xué)森的問題rsquo的使命。創(chuàng)立十年來，作為入選國家珠峰計(jì)劃(基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培訓(xùn)考試計(jì)劃)的唯一工科基礎(chǔ)班，錢班首次開創(chuàng)了大工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)新模式課程研究-社區(qū)(CRC)培養(yǎng)模式。近日，鄭院士大錢班-清華深圳零一學(xué)院成立，旨在打造拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的開放性無界大學(xué) 。這與RIOS實(shí)驗(yàn)室提倡的社區(qū)學(xué)習(xí)、開源成長理念不一致。香港科技大學(xué)教授李澤湘在RISC-V論壇上分享了這樣的例子。他的一個(gè)學(xué)生在讀書期間通過開源社區(qū)找到了志同道合的伙伴，根據(jù)開源軟件開發(fā)了自己的商業(yè)產(chǎn)品，之后利用深圳完善的電子產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈，很快就開始了成型機(jī)器人產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā) 。他們?cè)诋a(chǎn)業(yè)中的影響力，也進(jìn)一步推動(dòng)了相關(guān)開源社區(qū)的發(fā)展。現(xiàn)在這家公司已經(jīng)成長為百億美元評(píng)價(jià)的獨(dú)角獸，是位于深圳的無人機(jī)公司的大疆。

李澤湘教授認(rèn)為，開源社區(qū)為創(chuàng)新人才創(chuàng)業(yè)提供了前期的準(zhǔn)備和經(jīng)驗(yàn) ，很多人在開源項(xiàng)目的啟發(fā)下成立了自己的公司。他特別提到深圳就像我們開源社區(qū)的好萊塢，這里有很多大咖啡，藝人也很多，而且這里有很多硬件、軟件、開源生態(tài)系統(tǒng) 。毫無疑問，開源社區(qū)可以讓學(xué)生走出學(xué)校的象牙塔，真正融入市場(chǎng) ，建立自己的事業(yè) 。RIOS發(fā)揮著這樣的作用，下一個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)的重要人物可能會(huì)從這里誕生。

左右:馬嵐博士、張林局長、彭啟煌先生、趙峰先生、高虹教授、高文院士、鐘海主任、劉明博士、曹環(huán)副局長、譚章熹博士、樓仙英先生

加入RIOS實(shí)驗(yàn)室，開源創(chuàng)核心未來

2019年10月，著名財(cái)經(jīng)雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》(The先生)發(fā)表了Yourown指定RISC一篇文章，判斷RISC-V這樣的開源硬件可能在未來10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)類似開源軟件的擴(kuò)張。RISC-V的發(fā)明者和推進(jìn)者加利福尼亞大學(xué)伯克利分校在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，使大多數(shù)大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)無法企及。

伯克利模式的成功和RISC-V的興起也引起了國內(nèi)學(xué)者的反省，李國杰院士在《新時(shí)期呼喚新的科研模式》一文中指出，國內(nèi)陷入了一些科研模式的思維勢(shì)頭，走了相反的學(xué)科發(fā)展道路，不斷分割學(xué)科，建立了一些獨(dú)立構(gòu)成上下游的新一級(jí)學(xué)科

譚章熹博士是繼承Patterson教授體系結(jié)構(gòu)的唯一中國人弟子，也是伯克利開始RISC-V項(xiàng)目的核心成員之一。譚博士回憶說，當(dāng)時(shí)去伯克利學(xué)習(xí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ，認(rèn)為當(dāng)時(shí)國內(nèi)沒有系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ，這次回國建立RIOS實(shí)驗(yàn)室的首要目的是幫助領(lǐng)導(dǎo)人培養(yǎng)中國系統(tǒng)結(jié)構(gòu)人才，同時(shí)培養(yǎng)開源芯片社區(qū) ，加快生態(tài)建設(shè) ，幫助世界各地開發(fā)人員縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，降低芯片成本。在許多場(chǎng)合介紹RIOS時(shí) ， Patterson教授提到當(dāng)時(shí)抗戰(zhàn)時(shí)美國志愿者成立虎隊(duì)幫助中國在實(shí)戰(zhàn)中建立空軍的例子。伯克利有很多世界性的影響力深刻的信息技術(shù)開源項(xiàng)目，以及不以論文為目的的的產(chǎn)學(xué)研究學(xué)校模式， RIOS在中國扎根，是目前中國開源界學(xué)術(shù)界行業(yè)所需要的寶貴經(jīng)驗(yàn) 。

RIOS實(shí)驗(yàn)室自招生以來，越來越多的學(xué)生加入RISC-V的研發(fā)行列。RIOS也依托清華伯克利深圳學(xué)院的數(shù)據(jù)科學(xué)交叉學(xué)科項(xiàng)目，開展研究生培養(yǎng)計(jì)劃，預(yù)計(jì)今后5年將培養(yǎng)近100名半導(dǎo)體人才，包括研究生、博士和博士。

RIOS的教育資源繼承了伯克利數(shù)十年來在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域領(lǐng)先的課程系統(tǒng) ，包括現(xiàn)代主流微處理器的設(shè)計(jì)理念和原則、CPU各主要模塊的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、性能模型的構(gòu)建、處理器微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、指令集設(shè)計(jì)、流水線、亂序和推測(cè)執(zhí)行、超標(biāo)、長指令字(VLIW)、矢量和多線程處理器、緩存和浮點(diǎn)單元、多處理器矢量化、同步、內(nèi)存模型和緩存一致性協(xié)議等。課程的項(xiàng)目試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于RISC-V命令集的CPU和對(duì)應(yīng)的性能測(cè)試模型，包括消耗電力、性能和片面面積等指標(biāo) 。RIOS的教育生態(tài)建設(shè)目標(biāo)遠(yuǎn)大，與業(yè)界和學(xué)界的廣泛合作和聯(lián)合人才培養(yǎng)計(jì)劃也在推進(jìn)中，在TBSI結(jié)構(gòu)下RIOS獨(dú)特的國際開源不足資源，為學(xué)生們提供世界最先進(jìn)理念的流通電影機(jī)會(huì) 。

很明顯，為了解決芯片技術(shù)和生態(tài)面臨的挑戰(zhàn) ，僅靠RISC-V等技術(shù)是不夠的，還是需要RIOS這樣的實(shí)驗(yàn)室，通過有組織的方法讓行業(yè)和學(xué)術(shù)界共同解決技術(shù)問題，通過鏈條整體，促進(jìn)芯片生態(tài)的成熟。

未來是計(jì)算結(jié)構(gòu)的黃金十年，領(lǐng)導(dǎo)未來的是少年天才們，他們可能是圖靈結(jié)構(gòu)大師親自領(lǐng)導(dǎo)的國際開源實(shí)驗(yàn)室成長為未來大師。面對(duì)未來，期待博士博后、高端工程專家、天才少年們一起加盟RIOS這個(gè)大圖靈班，探索新的計(jì)算模式，找到領(lǐng)先世界的新一代計(jì)算架構(gòu) 。