本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。
2月15日，“香山”开源高性能RISC-V处理器芯片成功运行，标志着开源CPU领域一条开源主线正逐步落地，它有希望既能被工业界广泛应用，又能支持学术界试验创新想法。到底什么是开源芯片？为什么说开源芯片对中国是一次重要的机会？“十四五”规划和年远景目标纲要中大力倡导的“创新联合体”模式和开源芯片生态又有什么关系？
本期首都科学讲堂邀请中国科学院计算技术研究所副所长、研究员包云岗，为公众介绍处理器芯片的发展历程与新趋势，讲述我国科学家开拓开源芯片新方向的故事。
主讲嘉宾：
包云岗
中国科学院计算技术研究所副所长、研究员
▲开源新生态，开创“芯”未来（上）▲开源新生态，开创“芯”未来（下）
什么是芯片大家经常在生活当中看到芯片。当我们把电路板打开，电路板上很多黑色的小方块就是常见的芯片。
如果把这些芯片再打开，并放大几百倍以后我们会发现，实际上芯片设计和城市规划非常像，芯片内部就像一座小型城市，里面有房屋（芯片内部的一些模块），有马路（芯片模块之间的连线）……一块指甲盖大小的芯片上，放着几亿个甚至几十亿个小的元器件，它们之间都要相互联系，所以非常复杂。
最复杂的一类芯片是处理器芯片，我们把它称之为芯片产业“皇冠上的明珠”，这类芯片设计复杂度非常高，难度也很大。典型的处理器芯片有中央处理器芯片（centralprocessingunit，简称CPU），我们国家研发的龙芯CPU，就是属于这类中央处理器芯片。最近这几年大家经常能看到的人工智能芯片，也被称之为深度学习处理器，它也是一类处理器芯片。打游戏时，我们看到绚丽的图形和炫酷的动画效果，背后就是图形处理器芯片（graphicsprocessingunit，简称GPU）。处理器芯片被称之为电子设备的“大脑”，几乎所有的电子设备里面都离不开处理器芯片。同时，它也是一个国家的战略产业。据数据统计，年我国信息产业规模已超16万亿，占全国GDP的1/6。其中，处理器芯片作为“基石”，支撑了共超过10万亿的电子设备制造业。我们来回顾一下芯片的“前世今生”。处理器芯片实际上和早期第一台计算机紧密相连。世界上第一台电子计算机ENIAC，它发明于年，它的背后实际上就是一个放大版的处理器。这种处理器使用灯泡来进行运算。为什么电子计算机要用灯泡来做最基本的元器件？很重要的一点是，灯泡可以来表示开和关——通电时灯泡亮，表示“开”；断电时灯泡灭表示“关”。这种灯泡也被称为电子管。这样“开”和“关”在数学上很容易就可以用“1”和“0”建立联系。年，德国数学家莱布尼茨发现，用0和1也可以表示各种各样的数字。比如说十进制数字7用0和1来表示的话，它可以表示为“”；十进制数6用0和1来表示的话可以变成“”。并且二进制数也可以做运算。二进制计算体系的发明，奠定了今天计算机计算的基础。不过灯泡体积还是太大了。像第一台电子计算机ENIAC，总共用了多个灯泡的电子管。这么多电子管组合起来，使得它重达30吨，占地面积约平方米，需要一个很大的屋子才能放得下。怎么能让这个开关变得更小呢？年，三位科学家，巴丁、布拉顿和肖克利发现了一种叫做半导体的材料可以做开关，于是基于半导体材料发明了晶体管，他们因此获得了年诺贝尔物理学奖。年，工程师基尔比把晶体管和电路元器件都连在了一起，并放到一个半导体的底板上面，这就是世界上第一块集成电路，他也因此获得了年的诺贝尔物理学奖。随着晶体管体积进一步缩小，集成电路的体积也不断地缩小。今天我们用光在一个大概1平方厘米约指甲盖大小的半导体底板上，可以刻出几十亿个晶体管，这就是现代的芯片。所以，芯片其实就是一种超大规模的集成电路。集成电路是我们国家的第一大进口商品。年，我国进口了大概超过亿个集成电路，进口额高达亿美元，远超排第二0多亿美元的石油。在亿美元集成电路的芯片中，处理器芯片进口额超过0亿美元，占49%。而在全世界范围内来看，中国产的处理器芯片占有率其实不到5%。所以这也是为什么我们说处理器芯片是我国的核心战略产业，我们需要更多努力，把国产芯片尤其是处理器芯片发展、壮大、做强。
处理器芯片是怎么开发的当我们要去做一个处理器芯片的时候，首先，我们要先有一个指令集。指令集实际上是一种标准，一种规范。比如螺钉和螺母的尺寸就是一个标准规范，假如约定好螺钉和螺母的直径，内径和外径都是5毫米，遵循这个标准，不同厂商生产出的产品就可以拧到一起。指令集其实也是同样的作用，只不过它是在软件和硬件之间形成的标准和规范。遵循同一个指令集去开发软件、制造硬件，不同厂商生产的软件和硬件就能在一起工作，这就是指令集起到的作用。
指令集中的每一条指令都各有功能，比如说加法指令、减法指令、乘法指令、比较指令等，当我们把这样上千条指令组合，就形成一本指令集手册。通过这本手册去开发处理器，就像给你一本字典来写小说。整个芯片制作的过程包含了设计、制造和封装测试。首先是设计。当拿到一本指令集手册后，我们要对它进行微架构的设计，通过完成高达上百个的文档，来描述处理器内部如何实现。有了设计文档后，需要开发人员把文档用代码方式描述出来，进行工程开发。有了代码后，我们还需要EDA的工具，即电子设计自动化工具——它能够把这个代码自动翻译成芯片里面的版图。版图即是设计上亿个晶体管如何摆放。接下来就是制造和封装测试。根据版图，生产厂商可以制造晶圆，再交给封装测试的企业，变成这样一颗我们经常看到的芯片。整个制造过程有点像我们把写好的小说交给出版社，把它印刷出来。只不过在芯片领域里，这一过程相当于把小说内容印刷到硅片上，步骤非常复杂。所以需要像光刻机这样的尖端设备，这也是我国亟须加紧提升的一个方面。开源：处理器芯片发展新趋势接下来我跟大家介绍一下处理器芯片发展的新趋势——开源。到底什么是开源芯片？在整个芯片设计阶段，即从一本指令集手册到形成版图的环节中，实际上就包含了指令集、设计文档、流程工具三个层次上开源，面向全世界的开放开源。开源芯片刚刚起步，但在全世界范围内，已经有很多人都在朝这个方向去努力，相信接下来的5-10年会看到一些非常大的进展。我们国家也非常重视开源，并做了相关布局。“十四五”规划中就明确提到：要支持数字技术、开源社区等创新联合体的发展，要完善开源知识产权，以及法律体系，要鼓励企业去开放软件源代码、硬件设计和应用服务。事实上，不仅仅我国