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中國工程院院士倪光南:為RISC-V生態(tài)建設(shè)貢獻(xiàn)中國方案

過去二三十年,世界主流CPU(即在世界市場上占據(jù)主要份額的CPU)一直被x86和ARM兩種架構(gòu)所壟斷。其中,x86架構(gòu)(或稱Intel架構(gòu))是1978年由英特爾(Intel)公司推出,以產(chǎn)品方式推廣,是PC時代的產(chǎn)物;ARM架構(gòu)是1990年由安謀(ARM)公司推出,以授權(quán)方式推廣,是移動時代的產(chǎn)物。與此相應(yīng),桌面和移動終端領(lǐng)域也大多分別被微軟的視窗(Windows)和谷歌的安卓(Android)兩種操作系統(tǒng)所壟斷。這樣,在現(xiàn)代IT領(lǐng)域就出現(xiàn)了“Wintel”(Windows+Intel)和“AA”(Android+ARM)兩大生態(tài)的壟斷。鑒于在一個生態(tài)中,無數(shù)軟硬件彼此依賴、互相支持,以致打破生態(tài)壟斷極為困難。這也是長期以來,中國在主流CPU及其生態(tài)領(lǐng)域處于被動跟隨狀態(tài)、不能從根本上解決“卡脖子”問題的根源。

近年來,開源RISC-V架構(gòu)在世界范圍內(nèi)迅速崛起。我國業(yè)界普遍認(rèn)為,應(yīng)聚焦開源RISC-V發(fā)展主流CPU,這樣可使我國在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中掌握發(fā)展主動權(quán),并全面融入國際科技創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。

開源RISC-V的基本生態(tài)

開源RISC-V是圖靈獎獲得者、美國加州大學(xué)伯克利分校大衛(wèi)·帕特森教授的團(tuán)隊(duì)于2010年發(fā)布的。RISC-V架構(gòu)采用開源模式,具有設(shè)計(jì)精簡、易于移植、可擴(kuò)展、模塊化、可定制等特點(diǎn),十分適合新一代信息技術(shù)領(lǐng)域“需求定義軟件,軟件定義硬件”的定制化趨勢,而中國在這方面具備超大規(guī)模市場優(yōu)勢,可以為RISC-V生態(tài)建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)支撐。

經(jīng)驗(yàn)表明,一個芯片能否在市場上取得成功,關(guān)鍵取決于其生態(tài)。今后RISC-V能否躋身于世界主流CPU行列,關(guān)鍵也取決于其生態(tài)。40年前,英特爾公司的x86架構(gòu)依托“Wintel”生態(tài)發(fā)展壯大;十多年前,安謀公司的ARM架構(gòu)依托“AA”生態(tài)發(fā)展壯大;今天,RISC-V架構(gòu)也要依托其自身生態(tài)發(fā)展壯大。我們可以把RISC-V生態(tài)用“RV++”表示,描述為1+1+N:即一個架構(gòu)、一套操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)軟件、N種應(yīng)用場景。

簡言之,“RV”就是“一個架構(gòu)”即RISC-V,代表開源指令集標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,它由RISC-V國際基金會(RVI)主持的RV開源社區(qū)進(jìn)行支撐。該基金會在2019年由美國遷到瑞士,隨著RV開源社區(qū)的發(fā)展壯大,RISC-V國際基金會成為推進(jìn)RISC-V生態(tài)發(fā)展的核心力量。

“RV++”中的第一個“+”代表“一套操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)軟件”。在上述的“Wintel”和“AA”生態(tài)中,都只強(qiáng)調(diào)了操作系統(tǒng),不過,今天計(jì)算機(jī)往往需要一整套以操作系統(tǒng)為核心的基礎(chǔ)軟件的支撐,所以我們將“操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)軟件”統(tǒng)稱為“基礎(chǔ)軟件”。由于RISC-V基礎(chǔ)軟件不能照搬x86或ARM的基礎(chǔ)軟件,而需要重新按照RISC-V架構(gòu)定制開發(fā),這就使中國軟件人員大有用武之地,也為基礎(chǔ)軟件領(lǐng)域的后來居上提供了新機(jī)遇。相形之下,發(fā)達(dá)國家可享用x86和ARM的成熟生態(tài),缺乏建設(shè)RISC-V生態(tài)的動力。

“RV++”中的第二個“+”代表“N種應(yīng)用場景”,尤其是與新一代信息技術(shù)相關(guān)的應(yīng)用場景,例如AI、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、元宇宙······這類場景量大面廣、發(fā)展迅速、定制化需求很強(qiáng),特別適合采用RISC-V芯片。

發(fā)展RISC-V生態(tài)的關(guān)鍵因素

第一,聚焦RISC-V架構(gòu)發(fā)展中國芯片產(chǎn)業(yè)。

近年來,中國集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模穩(wěn)步提升,2022年行業(yè)銷售額突破1.2萬億元。據(jù)2022年海關(guān)總署公布的數(shù)據(jù)顯示,2022年全球芯片銷售額為5735億美元,這一年中國進(jìn)口集成電路5384億顆,進(jìn)口額為4156億美元,約占全球芯片銷售額的70%,顯示出中國的超大規(guī)模市場地位。

目前,中國集成電路產(chǎn)業(yè)在芯片制造、封裝測試等環(huán)節(jié)不僅存在嚴(yán)重“卡脖子”問題,而且在芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),特別是主流CPU架構(gòu)方面受制于人的問題也需加以強(qiáng)調(diào)。應(yīng)當(dāng)看到,CPU架構(gòu)不僅直接影響芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),實(shí)際上CPU架構(gòu)及其引領(lǐng)的整個生態(tài)對IT業(yè)都有重大影響。現(xiàn)在多種國產(chǎn)CPU架構(gòu)并存雖然反映了國產(chǎn)CPU的進(jìn)展,但并非長久之計(jì),也不能改變主流CPU被x86和ARM兩種架構(gòu)壟斷的局面。如能聚焦于開源RISC-V發(fā)展主流CPU,既有助于集中資源、降低內(nèi)耗,也能打破x86和ARM兩種架構(gòu)的壟斷,滿足構(gòu)建國內(nèi)國際雙循環(huán)新發(fā)展格局的需要。

應(yīng)當(dāng)看到,中國超大規(guī)模市場是推進(jìn)RISC-V生態(tài)建設(shè)的強(qiáng)大支撐。例如,目前在中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域,一些大企業(yè)聯(lián)盟正大力發(fā)展基于RISC-V的解決方案。據(jù)估計(jì),一輛智能網(wǎng)聯(lián)汽車需要使用數(shù)以百計(jì)的CPU模組,所以這一領(lǐng)域未來將成為RISC-V生態(tài)的重要支撐。據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2022年底,RISC-V芯片全球出貨量達(dá)到100億顆,其中50%來自中國。預(yù)計(jì)在不久的將來,芯片領(lǐng)域?qū)⑿纬蓌86、ARM、RISC-V三分天下的格局,中國市場就是RISC-V的堅(jiān)強(qiáng)后盾。可見,當(dāng)主流CPU被人控制時,中國超大規(guī)模市場只能為他人作嫁衣裳,而一旦擁有了主流CPU的話語權(quán),中國超大規(guī)模市場才能真正增強(qiáng)我國科技產(chǎn)業(yè)的競爭力。

第二,打好操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)軟件國產(chǎn)化攻堅(jiān)戰(zhàn)。

操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)軟件在整個信息系統(tǒng)中起著基礎(chǔ)性、平臺性的作用,是信息系統(tǒng)的核心部分,對保障信息安全有重大意義。早期的教科書上,只有系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件兩類,后來陸續(xù)出現(xiàn)支撐軟件、中間件等新的軟件類型。今天,基礎(chǔ)軟件這一概念已被人們廣泛認(rèn)可,不過并沒有嚴(yán)格的定義。一般說來,基礎(chǔ)軟件可分為三種類型:一是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)作不可缺少的軟件;二是支撐開發(fā)與運(yùn)行環(huán)境的軟件;三是面向廣大領(lǐng)域的共性應(yīng)用軟件。操作系統(tǒng)可以歸入基礎(chǔ)軟件一類中,作為基礎(chǔ)軟件的核心。

如上所述,一種CPU架構(gòu)的生存和發(fā)展在很大程度上依賴于生態(tài)系統(tǒng),特別是依賴于需要大投入和長研發(fā)周期的基礎(chǔ)軟件。如果說,指令集架構(gòu)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件與軟件之間的分界線和交互規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),也是基礎(chǔ)軟件生態(tài)的起始原點(diǎn),那么,基礎(chǔ)軟件介于CPU架構(gòu)和各種應(yīng)用軟件之間,就是生態(tài)的“黏合劑”“催化劑”以及核心競爭力。從技術(shù)發(fā)展趨勢看,自2020年之后,RISC-V發(fā)展的優(yōu)先級從體系結(jié)構(gòu)驅(qū)動切換為軟件驅(qū)動?,F(xiàn)在,在世界范圍內(nèi)RISC-V基礎(chǔ)軟件的競爭已經(jīng)到來。這是一個挑戰(zhàn),也是一個機(jī)遇。參考x86和ARM的歷史,x86生態(tài)成就了微軟和紅帽(Red Hat),ARM生態(tài)成就了蘋果和谷歌,以此類推,RISC-V生態(tài)也將為未來的軟件巨頭提供新的舞臺。為此,需要以全球視野謀劃和推動RISC-V基礎(chǔ)軟件發(fā)展,搶占新的信息技術(shù)變革的制高點(diǎn)。

習(xí)近平總書記指出,“要打好科技儀器設(shè)備、操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)軟件國產(chǎn)化攻堅(jiān)戰(zhàn)”。要遵照這一重要指示,發(fā)揮我國新型舉國體制優(yōu)勢,集中資源,攻堅(jiān)克難,打好操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)軟件國產(chǎn)化攻堅(jiān)戰(zhàn),徹底改變在該領(lǐng)域受制于人的“卡脖子”問題,實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

第三,擁抱開源,與世界協(xié)同創(chuàng)新。

當(dāng)前,開源作為一種發(fā)展模式、創(chuàng)新模式,已經(jīng)成為推動當(dāng)代世界信息技術(shù)、軟件技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動力。國際上,開源技術(shù)生態(tài)體系已經(jīng)形成,并發(fā)展成為軟件業(yè)主流,有人甚至表示“開源正在吞噬軟件”。2020年新思科技(Synopsys)公司審計(jì)了1252個應(yīng)用程序,其中99%包含開源軟件,總體來說有70%的代碼是由開源代碼組成的。2022年的數(shù)據(jù)顯示,全球80%的新軟件由開源組建,98%以上企業(yè)使用開源軟件。實(shí)踐表明,開源社區(qū)通過大眾協(xié)同、開放共享,不斷持續(xù)更新迭代,展現(xiàn)出驚人的開源創(chuàng)新能力。今天,開源作為世界上一種通行的創(chuàng)新模式,顯示出規(guī)?;⑸鷳B(tài)化、平民化、全球化的優(yōu)勢。

現(xiàn)在,開源模式的成功正逐漸從開源軟件走向硬件。

RISC-V采取開源模式,采用的是寬松的BSD(Berkeley Software Distribution)許可證。眾所周知,BSD開源許可證(協(xié)議)是一個給予使用者很大自由的協(xié)議,基本上使用者可以自由地使用、修改源代碼,也可以將修改后的代碼作為開源或者專有軟件再發(fā)布。這種許可證有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。RISC-V發(fā)布至今,RISC-V國際基金會會員增長率超過130%,已有超過3000家會員單位,得到世界芯片業(yè)的普遍認(rèn)可。

當(dāng)前,開源為我們?nèi)谌肴蚩萍紕?chuàng)新網(wǎng)絡(luò)、參與科技創(chuàng)新治理提供了可能性。現(xiàn)在,中國已經(jīng)是開源大國,2021年,在全球最大的開源社區(qū)GitHub的7300萬累計(jì)開發(fā)者中,中國開發(fā)者達(dá)755萬,位居全球第二,預(yù)計(jì)2030年左右將超過美國。Linux是目前主流的開源軟件,也是世界上使用非常普遍的操作系統(tǒng)。正是在Linux新發(fā)布版本5.10和6.10中,華為的內(nèi)核貢獻(xiàn)量位居第一,這表明中國開源工作者正在從開源的使用者向參與者、貢獻(xiàn)者的方向發(fā)展。相信未來中國一定會發(fā)展成為開源強(qiáng)國。

在當(dāng)前形勢下,要高度重視產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全問題,開源RISC-V也不例外。這方面,我國部分單位正在啟動增強(qiáng)開源軟件供應(yīng)鏈安全的相應(yīng)計(jì)劃,旨在消除開源軟件存在的質(zhì)量、來源和持續(xù)供應(yīng)等風(fēng)險隱患。今后,有必要將開源軟件供應(yīng)鏈安全理念進(jìn)一步擴(kuò)展到整個RISC-V軟硬件產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈,保障RISC-V生態(tài)的高質(zhì)量發(fā)展。

第四,發(fā)揮中國擁有世界最多工程師的優(yōu)勢。

開源的發(fā)展離不開開源人才。在推進(jìn)開源RISC-V架構(gòu)、發(fā)展開源RISC-V基礎(chǔ)軟件、構(gòu)建RISC-V生態(tài)的同時,可以帶動中國開源事業(yè)的發(fā)展,引導(dǎo)中國科技研發(fā)人才成為開源世界的重要參與者和積極貢獻(xiàn)者。

中國是全世界大學(xué)生畢業(yè)人數(shù)最多的國家,據(jù)統(tǒng)計(jì),2022年中國高等院校畢業(yè)生數(shù)量已達(dá)1076萬人。中國科技研發(fā)人才結(jié)構(gòu)為金字塔結(jié)構(gòu)——以龐大的技術(shù)本科、碩士、博士畢業(yè)生為基礎(chǔ),以具有國內(nèi)外高學(xué)歷教育背景和成熟專業(yè)經(jīng)驗(yàn)的研發(fā)人員為塔尖。中國科技研發(fā)人才正在成為全球高科技研發(fā)體系中的重要組成部分,這一龐大的技術(shù)隊(duì)伍如果能與開源模式相結(jié)合,就能使中國科技研發(fā)人才數(shù)量優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。據(jù)了解,中國目前有很多高校已經(jīng)開展或計(jì)劃開展開源課程培訓(xùn),但還沒有形成規(guī)模、制度。為此,建議在高校系統(tǒng)推進(jìn)開源教育:要從全球視野謀劃開源人才培養(yǎng)方式,激活國家創(chuàng)新動力;要統(tǒng)籌規(guī)劃建立完善的產(chǎn)學(xué)研一體化開源人才培養(yǎng)體系,培養(yǎng)更多的大學(xué)生開發(fā)者參與到開源社區(qū)建設(shè)當(dāng)中;要針對國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)需求,進(jìn)行針對性開源人才培養(yǎng),以支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和國家發(fā)展的戰(zhàn)略方向。

總之,擁抱開源、發(fā)展開源,有助于在國際技術(shù)競爭中實(shí)現(xiàn)“你中有我,我中有你”的格局,免除或緩解遏制、禁運(yùn)、停服、斷供、“脫鉤”等風(fēng)險;鑒于科學(xué)技術(shù)具有世界性和時代性的特點(diǎn),開源也是中國融入國際科技創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)、參與國際科技治理的有效途徑;從實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的國家戰(zhàn)略考量,開源有助于創(chuàng)新的產(chǎn)生和傳播,有助于創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè)化;開源還能比較客觀地反映勞動和創(chuàng)新的價值,隨著投入不斷加大,貢獻(xiàn)增加到一定程度,國際話語權(quán)也會進(jìn)一步提升,這對于作為后來者的中國是有利的。

綜上所述,我們要聚焦RISC-V發(fā)展中國芯片產(chǎn)業(yè),大力推進(jìn)RISC-V生態(tài)建設(shè),打好操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)軟件國產(chǎn)化攻堅(jiān)戰(zhàn),充分發(fā)揮中國超大規(guī)模市場、人才優(yōu)勢,大力推進(jìn)RISC-V生態(tài)建設(shè),使RISC-V躋身世界主流CPU之列。中國科技工作者要與世界同行協(xié)同創(chuàng)新,反對壟斷、反對遏制,為構(gòu)建人類命運(yùn)共同體貢獻(xiàn)中國智慧、中國方案、中國力量。

[責(zé)任編輯:潘旺旺]
標(biāo)簽: 倪光南