張先軼博士：為什么RISC-V需要共建軟件生態(tài)？

近期，關(guān)于芯片的話題特別的火熱，雖然我不是從事芯片設(shè)計，但是一直做高性能計算軟件庫的工作，也領(lǐng)導(dǎo)和維護(hù)了開源矩陣計算庫OpenBLAS，經(jīng)常會和各種芯片和IP公司打交道。我的淺見是，芯片做出來可能只是第一步，培養(yǎng)起相應(yīng)的軟件生態(tài)，或者說融入主流的軟件生態(tài)，才是決定這個芯片ISA/架構(gòu)能走多遠(yuǎn)。所以，希望先和大家一起探討CPU軟件生態(tài)，以及RISC-V為什么需要共建軟件生態(tài)的問題。晚些時候再聊GPU、AI加速卡等的軟件生態(tài)問題。

為什么CPU芯片需要建設(shè)軟件生態(tài)？

CPU公司的軟件生態(tài)我認(rèn)為分為兩個層次，一個是面向開發(fā)者，一個是面向應(yīng)用者。

開發(fā)環(huán)境與Runtime

軟件開發(fā)者是芯片公司非常重要的資產(chǎn)，CPU做出來是不夠的，要讓更多的軟件開發(fā)者用這顆芯片才是成功。國際大廠們都有一只較大的軟件團(tuán)隊，在做面向開發(fā)者的軟件工具和SDK等。

對于一顆CPU來說，以下是必備選項：

編譯工具鏈，以及相應(yīng)的調(diào)試工具和模擬器等。一般來說，移植GCC或者LLVM等，支持C/C++語言，增加針對本CPU的后端代碼生成等。如果是有特殊擴(kuò)展指令，向量化指令等，最好提供Intrinsic函數(shù)接口，方便C語言調(diào)用。

OS操作系統(tǒng)，主要以Linux為主。如果是面向臺式機(jī)，服務(wù)器等，需要支持一個完整的Linux發(fā)行版。Linux Kernel部分由芯片公司負(fù)責(zé)，Linux發(fā)行版的其他部分可以和操作系統(tǒng)公司合作。如果是嵌入式系統(tǒng)，需要選擇支持那種系統(tǒng)，是嵌入式Linux，還是Android，或者其他的實時系統(tǒng)等。嵌入式的場景比較多，支持哪種系統(tǒng)和最后的芯片定位有關(guān)系。

核心軟件庫。比如，這顆芯片將來做HPC等計算類任務(wù)，就需要有BLAS，F(xiàn)FT等軟件庫。如果做計算機(jī)視覺類應(yīng)用，需要有OpenCV庫。如果是跑人工智能，需要有DNN庫等。（p.s. 有需求可以找我們，高性能核心軟件庫，我們是國內(nèi)最好的團(tuán)隊）

以上只是一些基礎(chǔ)必要性的工作，下面這些是成為一家主流的CPU公司需要持續(xù)做的：

更多的主流編程語言的支持，比如說支持Java，優(yōu)化jvm的執(zhí)行效率等。

更多的開發(fā)工具，比如性能分析工具，IDE等。這部分有一些公司在做相應(yīng)的產(chǎn)品，比如專門的程序分析工具等。

持續(xù)的優(yōu)化和改進(jìn)。不管是編譯工具鏈，OS，還是庫，或者各種Benchmark等，都需要持續(xù)的迭代優(yōu)化，進(jìn)一步發(fā)揮硬件的性能。同時，給下一代的芯片設(shè)計進(jìn)行反饋。這是一項長期堅持的工作，通過長期的投入，保證拉開與競爭對手的差距。

如果您的發(fā)展目標(biāo)是國際大廠，那么需要做的：

積極參與開源社區(qū)，貢獻(xiàn)開源項目。不管是資助開源社區(qū)，還是培養(yǎng)社區(qū)里面的核心開發(fā)者，對于芯片公司來說，都是非常重要的事情。而且，不只是開源項目簡單的移植，還要針對這個CPU架構(gòu)做優(yōu)化。這個工作量就非常大了，需要聯(lián)合很多的小伙伴一起做。

建立開發(fā)者社區(qū)，提供課程，案例，大學(xué)計劃，比賽等。積累應(yīng)用案例，教程，辦各種的線上/線下討論會，去大學(xué)推廣/聯(lián)合實驗室，搞編程比賽等等。國際大廠在這方便做的確實不錯，各種資料和文檔獲取的很方便，一站式解決。

推一套編程語言/框架。隨著芯片架構(gòu)復(fù)雜程度的提高，異構(gòu)要怎么解決？是否有生產(chǎn)率更高的編程模型等等。比如，Intel最近在推的oneAPI。

應(yīng)用框架與軟件

面向應(yīng)用層的框架與軟件非常的多，可能每個應(yīng)用領(lǐng)域都會是一套相對獨(dú)立的系統(tǒng)，例如，人工智能，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，HPC，辦公Office系統(tǒng)，各種Web服務(wù)，嵌入式系統(tǒng)等。

根據(jù)CPU的設(shè)計規(guī)劃，明確主要的應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域去梳理重要的框架與軟件。比如，人工智能場景，推理和訓(xùn)練的框架。HPC場景，MPI，PETSc等解法器。電子辦公場景，Office系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫等。

聯(lián)合開源社區(qū)，操作系統(tǒng)公司或者ISV軟件公司，做這些應(yīng)用框架和軟件的移植與優(yōu)化。又是一個大工作量的事情，而且要根據(jù)場景一個個做下去。

針對一些重點(diǎn)行業(yè)場景，提供軟硬件的參考設(shè)計方案，支持和培養(yǎng)一批方案廠商，以服務(wù)行業(yè)。根據(jù)行業(yè)的反饋，進(jìn)行應(yīng)用框架或者開發(fā)環(huán)境的迭代。

如果是RISC-V生態(tài)？

當(dāng)前，x86的生態(tài)最成熟的，ARM的生態(tài)在嵌入式和手機(jī)市場很成熟，但是在服務(wù)器市場稍弱。RISC-V作為一種開放指令集架構(gòu)，雖然當(dāng)前生態(tài)還不夠成熟，但是我個人是看好RISC-V生態(tài)發(fā)展，在全球市場上有潛力在未來幾年成為有力競爭者之一。

從RISC-V IP和芯片來說，國內(nèi)外已經(jīng)有多家RISC-V的IP和芯片公司，涵蓋了從MCU，嵌入式到服務(wù)器等多種產(chǎn)品形態(tài)，也有針對AI市場的RISC-V+NPU或者眾核的芯片出現(xiàn)。在ISA指令集上，RISC-V可以通過基金會，制定標(biāo)準(zhǔn)，制定基礎(chǔ)的指令集，制定擴(kuò)展的指令集，也給各芯片公司留下了定制化指令的空間。

RISC-V軟件生態(tài)當(dāng)前的現(xiàn)狀是，以開源社區(qū)為基礎(chǔ)推進(jìn)，主要是開發(fā)環(huán)境層次的生態(tài)。比如，各家芯片公司對于Linux Kernel，GCC，LLVM社區(qū)的貢獻(xiàn)等。部分學(xué)校或者研究機(jī)構(gòu)，對于一些開源項目進(jìn)行了RISC-V移植。比如，有UC Berkeley的人員對OpenBLAS項目在RISC-V架構(gòu)做了簡單移植，但是還沒有進(jìn)行任何的優(yōu)化（優(yōu)化是和芯片微架構(gòu)密切相關(guān)的）。Fedora等Linux發(fā)行版已經(jīng)可以支持RISC-V 64位的體系結(jié)構(gòu)。

目前RISC-V已經(jīng)具備基礎(chǔ)的開發(fā)工具和環(huán)境，作為一名Geek，是可以玩得起來的。有了編譯工具鏈，有模擬器，是可以做開發(fā)和移植的。此外，市面上也有一些低成本的板卡（RISC-V芯片 或者 FPGA跑RISC-V軟核），可以做一些上板的開發(fā)和測試。產(chǎn)品層面的應(yīng)用，隨著今年RISC-V芯片的增多，會越來越多。

在RISC-V芯片開始逐漸增多后，軟件生態(tài)可做的事情會越來越多：

繼續(xù)推動開源項目和社區(qū)對RISC-V的支持。因為，各家RISC-V公司相比國際大廠還是弱小的，完全靠自己走一套獨(dú)立的生態(tài)不夠現(xiàn)實，也失去了RISC-V開放指令集的意義。所以，核心的開發(fā)環(huán)境還是依靠開源項目和社區(qū)協(xié)作。各芯片廠商，研究機(jī)構(gòu)，操作系統(tǒng)廠商，軟件生態(tài)廠商互相配合，有人出人，有錢出錢，持續(xù)的移植和優(yōu)化開源項目。也許，有的廠商會說我等著就可以了，反正有別人做，到時候用開源社區(qū)的現(xiàn)成成果就可以。但很可能的結(jié)果是，只是能用，但效率較低，一樣造成芯片競爭力低。

開發(fā)者社區(qū)、大學(xué)計劃、比賽等。國內(nèi)的幾家RISC-V IP公司都在推大學(xué)計劃，相信陸續(xù)會出現(xiàn)一批RISC-V相關(guān)的選修課。比賽上，之前國際上辦過RISC-V軟核設(shè)計比賽。也許將來RISC-V的芯片多了之后，可以做一個編程比賽，或者黑客馬拉松等。

應(yīng)用場景，應(yīng)用框架和軟件等。目前，RISC-V接受程度比較高的是嵌入式、IoT等。這種場景的生態(tài)需求比臺式機(jī)、服務(wù)器要簡單一些。核心是做出有差異化的軟硬件方案，要不然是替代已有市場的產(chǎn)品，性能更高，價格更低；要不然就是先一步滿足新興的場景/產(chǎn)品需求（比如AIIoT等）。RISC-V市場應(yīng)用的成功，只靠開源軟件社區(qū)是不現(xiàn)實的，必須芯片廠商和方案商共同的推動才能盡快的落地。

以上只是我的不成熟小看法，軟件生態(tài)是個可大可小的事情，如果只是瞄準(zhǔn)個細(xì)分專用領(lǐng)域，那么生態(tài)投入就會少很多，但這樣是否能養(yǎng)活一家CPU公司，能否活得夠好？如果將來是參與全球競爭，面向多種領(lǐng)域，那么生態(tài)投入就會比較大。這不是一家芯片公司自己能做完的事情，保持開放心態(tài)，與各種軟硬件廠商，社區(qū)積極協(xié)作，持續(xù)推動發(fā)展，才能見到成效。

與各位一起努力！

RVBoards開源技術(shù)組織的成立與愿景

張先軼博士發(fā)起了RVBoards開源技術(shù)組織，目標(biāo)就是建設(shè)RISC-V的開源硬件賦能開發(fā)者、應(yīng)用者、院校等，促進(jìn)技術(shù)應(yīng)用和培養(yǎng)軟件開發(fā)人才；與RISC-V IP和SoC伙伴共同建設(shè)開源軟件生態(tài)，避免碎片化和行業(yè)重復(fù)投入，實現(xiàn)百花齊放的商業(yè)愿景。

深圳王哥說

目前國內(nèi)的芯片公司對于開發(fā)者生態(tài)的投入普遍偏低，其原因大致在于：

一些公司曾經(jīng)嘗試自建開發(fā)者生態(tài)，在投入一兩年后，發(fā)現(xiàn)ROI并不劃算，然后選擇了放棄。是的，每家公司自建開發(fā)者生態(tài)，確實是一種并不經(jīng)濟(jì)的做法。如果我們這個行業(yè)的目標(biāo)是星辰大海，共同投入和共建軟件生態(tài)將促進(jìn)大家共同進(jìn)步。

自家的芯片要加入到開源生態(tài)中，一定程度需要開放更多的芯片底層和驅(qū)動等細(xì)節(jié)，這有商業(yè)機(jī)密的考量。然而，這通常是一種無謂的擔(dān)憂。借用對人而言的話“我們更需要的是超越自我”，勇敢地投入到開源生態(tài)，你將更加優(yōu)秀。

芯片公司自身有比較強(qiáng)的軟件團(tuán)隊，對于大客戶和短期戰(zhàn)略有直接的效果，畢竟每年的年報寫的是銷售業(yè)績而不是開發(fā)者數(shù)量。然而，這種策略對于新興和增量市場，往往會過于遲鈍。

行業(yè)共建生態(tài)通常會產(chǎn)生的投入不一定對等和被其他人搭順風(fēng)車的擔(dān)心。舉個例子，大家上學(xué)交同樣的學(xué)費(fèi)，學(xué)到的東西和考的名次是有差異的，然而，這些都來自于我們自己的驅(qū)動力。

另外一個角度是，我們既然看好RISC-V的未來，就應(yīng)該相信了開放/開源正在影響到整個產(chǎn)業(yè)鏈，對于優(yōu)秀的企業(yè)而言，是時候決定是不是應(yīng)該早點(diǎn)出發(fā)了。