香山高性能處理器：一個(gè)新的科技平臺(tái)實(shí)踐

高劍林

（騰訊公司蓬萊實(shí)驗(yàn)室 廣東深圳 518057）

計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展歷程，早期一般是理論創(chuàng)新階段，成熟后進(jìn)入以商業(yè)化應(yīng)用為標(biāo)志的技術(shù)擴(kuò)散階段.早期的理論創(chuàng)新以圖靈完備和馮·諾依曼體系為代表，而商業(yè)化產(chǎn)品則從大型機(jī)、小型機(jī)到個(gè)人計(jì)算機(jī)，后又發(fā)展到移動(dòng)手機(jī)產(chǎn)品.大規(guī)模的產(chǎn)品應(yīng)用徹底改變了社會(huì)的信息傳播方式，大大提升了人類獲得信息和處理信息的能力，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.

這個(gè)復(fù)雜的演進(jìn)過程，是理論創(chuàng)新和技術(shù)產(chǎn)品相互促進(jìn)的過程.技術(shù)產(chǎn)品的出現(xiàn)依賴于理論創(chuàng)新，但它也反作用于理論創(chuàng)新.從實(shí)際的歷程看，沒有先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品的區(qū)域和國家，往往也很難做出開創(chuàng)性的理論創(chuàng)新，引領(lǐng)理論的發(fā)展.比如大名鼎鼎的馮·諾依曼體系，其過程是馮·諾依曼本人參與ENIAC 計(jì)算機(jī)的建設(shè)，總結(jié)了工業(yè)界的實(shí)踐成果而提出的理論創(chuàng)新，而這個(gè)理論創(chuàng)新也對(duì)后續(xù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)的演進(jìn).

基于對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史的總結(jié)，有必要提出重型科技平臺(tái)的概念.重型科技平臺(tái)應(yīng)該具備2 個(gè)特征：一是平臺(tái)應(yīng)該是全面而且先進(jìn)的，即應(yīng)該全面包括當(dāng)前主流的前沿理論和先進(jìn)技術(shù)，是一個(gè)完備的技術(shù)平臺(tái)；二是開放的，可以基于平臺(tái)開展各種理論探索，方便研究工作.欣喜地看到，包云崗研究員及其團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的香山開源高性能RISC-V 處理器項(xiàng)目具備成為重型科技平臺(tái)的潛質(zhì).

目前雖已有多款基于RISC-V 指令的開源CPU 實(shí)現(xiàn)，但是這些CPU 性能不高，主要針對(duì)IoT 領(lǐng)域，不具備現(xiàn)代超標(biāo)量處理器的典型特征.香山處理器作為目前性能最高的開源CPU，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白.包云崗研究員團(tuán)隊(duì)撰寫的文章“香山開源高性能RISC-V 處理器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”中主要介紹了兩代香山處理器設(shè)計(jì)的微架構(gòu)細(xì)節(jié)和設(shè)計(jì)思路，總結(jié)了開發(fā)過程的挑戰(zhàn)和經(jīng)驗(yàn)，該文的貢獻(xiàn)和意義主要有以下3 點(diǎn)：

1.香山開源處理器在微架構(gòu)層面，采用高性能的分支預(yù)測(cè)算法，大大提升了分支預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率.采用高并發(fā)的流水線設(shè)計(jì)，使用6 路并行譯碼電路，設(shè)計(jì)256 深度的ROB，具備現(xiàn)代化超標(biāo)量處理器的亂序執(zhí)行單元.該文不但分享了香山微架構(gòu)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，更指出了為什么這么設(shè)計(jì)，突出高性能通用處理器設(shè)計(jì)過程中的難點(diǎn)和常見的優(yōu)化思路.通過對(duì)設(shè)計(jì)理念和優(yōu)化思路進(jìn)行歸納與總結(jié)，使讀者易于理解設(shè)計(jì)思路，也給讀者帶來啟發(fā).

2.香山開源處理器采用了敏捷迭代的設(shè)計(jì)方法.香山采用的Chisel 語言極大提升了開發(fā)效率.在開發(fā)過程中產(chǎn)生了一系列敏捷設(shè)計(jì)工具，解決了敏捷開發(fā)過程中的眾多難題.這些設(shè)計(jì)工具可以降低處理器的設(shè)計(jì)門檻，推動(dòng)更多的工程師和學(xué)術(shù)研究人員參與其中，并推陳出新繼續(xù)發(fā)展.

3.香山項(xiàng)目采用聯(lián)合開發(fā)模式.香山聯(lián)合開發(fā)模式的理念是代碼開源、平臺(tái)開放，不僅開源設(shè)計(jì)源代碼和文檔，還開源各類開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)開發(fā)平臺(tái)的開放，做到賦能開發(fā).這種新型的開發(fā)模式可以引導(dǎo)后續(xù)的科技平臺(tái)采用類似模式，發(fā)揚(yáng)光大.

香山處理器項(xiàng)目的價(jià)值與意義是多個(gè)維度的.作為處理器平臺(tái)，香山具備現(xiàn)代超標(biāo)量處理器的典型特征，建立了一個(gè)體系結(jié)構(gòu)的科技平臺(tái)，學(xué)術(shù)研究人員可以基于此進(jìn)一步優(yōu)化性能，嘗試各種創(chuàng)新思路，而產(chǎn)業(yè)界可以做進(jìn)一步的工程化和商業(yè)化設(shè)計(jì)，推進(jìn)產(chǎn)品的研發(fā).另一個(gè)方面，香山項(xiàng)目在芯片設(shè)計(jì)敏捷開發(fā)的探索具備學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)踐價(jià)值.當(dāng)前EDA 工具還不能普遍支持芯片研發(fā)的敏捷迭代，如果EDA 工具開發(fā)商加入這個(gè)趨勢(shì)，可能將開創(chuàng)芯片設(shè)計(jì)的新流程和新模式，開啟芯片敏捷設(shè)計(jì)的新時(shí)代.

評(píng)述專家：

高劍林，騰訊公司蓬萊實(shí)驗(yàn)室總監(jiān).主要研究方向?yàn)榇鎯?chǔ)系統(tǒng)、芯片設(shè)計(jì).

亮點(diǎn)論文：

王凱帆，徐易難，余子濠，唐丹，陳國凱，陳熙，勾凌睿，胡軒，金越，李乾若，李昕，藺嘉煒，劉彤，劉志剛，王華強(qiáng)，王誨喆，張傳奇，張發(fā)旺，張林雋，張紫飛，張梓悅，趙陽洋，周耀陽，鄒江瑞，蔡曄，郇丹丹，李祖松，趙繼業(yè)，何偉，孫凝暉，包云崗.香山開源高性能RISC-V 處理器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2023,60（3）: 476-493.DOI: 10.7544/issn1000-1239.202221036