开放指令集与开源芯片发展报告（RISC-V和MPIS）
本帖最后由 sky 于 2021-3-19 13:57 编辑Wave Computing 于 2018 年 12 月 17 日宣布开放其 MIPS 指令集架构以便半导体公司、开发者以及大学能快速采用 MIPS 架构用于下一代的 SoC 芯片的设计开发。Wave Computing 是致力于开发 AI 和深度学习数据流芯片的美国硅谷公司，该公司于 2018 年 6 月收购了 MIPS 公司，开放 MIPS 指令集是该公司“All in AI”战略的重要组成部分。
MIPS 指令集发展历史 MIPS 指令集从 1985 年第一个版本发布至今发已有 30 多年历史，其中 2014年发布的 MIPS Release 6 是最新的版本。每个版本的发布时间如表。
不仅如此，MIPS 架构也在不断演进，其演进路线如图所示。MIPS 指令集及架构在 2010 年以后发展迅速，至 2014 年的 5 年时间共发布了 4 个版本，在传统的整数浮点应用指令基础上逐步增加了多线程、DSP 模块、SIMD 模块以及虚拟化模块。这也与移动互联网应用的迅速发展时间相吻合，随着应用需求变化，MIPS 指令集以及架构也在迅速发展。
在 MIPS 指令集发展过程中，基本上严格保持新版本向后兼容的特点。比如MIPS Release5 可以向下兼容之前的所有指令集版本。
但在最新发布的 MIPS Release 6 版本中，这种情况发生了变化。这个版本中增加了一些新的指令并对指令集进行了简化，删除了一些不常用的指令，重新排布了指令的编码，空余出了大量的指令槽用于将来的扩展。因此，可以把 MIPS Release 6 版本看成一个几乎全新的定义。
自 2014 年发布 MIPS R6 版本之后，MIPS 公司的 IP Core 产品全面转向 MIPS R6 版本，形成覆盖高中低不同性能和应用需求的 Warrior 产品系列，而把 R6 之前的产品全部归为 Classic 系列。Warrior 产品系列又分为 M-Class，I-Class 和 P-Class 三个级别。这三个级别的产品的特性如表。
MIPS 公司的 IP Core 产品主要被应用在人工智能、汽车电子、消费类电子、IOT 以及网络等 5 个市场。其中人工智能是 Wave Computing 公司既定的方向，其技术方案将加速 AI 计算的数据流架构与 MIPS 嵌入式多线程 RISC 处理器核组合起来。
总体而言，MIPS 架构处理器在大部分行业应用中的市场份额处于下降趋势，即使在 MIPS 架构的传统优势领域，比如机顶盒、打印机控制器、WIFI 路由器、网络处理器等，也已经逐步被 ARM 架构的处理器所取代。从已有信息来看，自 2014 年 MIPS Release 6 发布以来，除 MIPS 公司自己的 Warrior 产品系列之外，尚无第二个实现 MIPS Release 6 指令集的芯片。
MIPS 开放计划包含的内容包括以下 IP 和技术架构：
>MIPS 32 和 64 位指令集，Release 6 版本
>MIPS SIMD 扩展
>MIPS DSP 扩展
>MIPS 多线程技术
>MIPS MCU
>microMIPS 架构
>MIPS 虚拟化技术
MIPS 公司对 MIPS 开放计划进行了以下澄清：
1) 此次开放计划仅仅针对 MIPS 指令集的最新版本，即 2014 年发布的Release 6 版本。在开放计划中，并不包含早期版本（即 Release 5 或更早期）。不能把 MIPS 开放计划的授权与早期版本的授权混淆。
2) 如果一个公司开发了一个基于 MIPS 开放计划授权的实现，可以不需要开源这部分代码。
3) 合作伙伴如果加入 MIPS 开发计划并且通过认证，有机会把自己的服务放在 MIPS 开源计划中进行销售。
从以上信息可以知道，MIPS 开放计划并不是开放所有版本的 MIPS 指令集，而仅仅是最新的 MIPS Release 6 版本。从 MIPS Release 6 版本的文档可以知道，该版本并不与早期版本完全兼容，其中的修改甚至包括删除大量不常用指令，将回收的指令槽用于新增加的指令，在一定程度上几乎可以看成是一个全新的指令集。由此可见，MIPS 开放计划中的 MIPS 指令集的初始生态环境并不乐观。这也是很少有产品采用基于 MIPS Release 6 指令集的 IP Core 的主要原因之一。
MIPS 开放计划与 RISC-V 的开源计划有相似之处，也有不同之处。相对自2010 开始发展的 RISC-V 指令集，MIPS 开放计划的中开放的 MIPS Release 6（2014 年）指令集优势并不明显。
与 RISC-V 指令集致力于全面的开源 ISA 不同，MIPS 开放计划仍然会存在一些商业上的顾虑和一些沉重的历史包袱，显然不如RISC-V 的开源计划来得更彻底、更纯粹。表中，对 MIPS 开放计划和 RISC-V 开源计划进行了对比。
总体来看，MIPS 开放计划在商业化应用上具有一定优势，但其 License 形式相对 RISC-V 具有一定的不确定性，而 RISC-V 的开源更为彻底，采用较为宽松的 BSD License 形式。
为了更好的理解开放指令集与开源芯片的内核，通过一张关于不同处理器芯片商业模式的表格，对芯片商业模式对比 。
当讨论处理器芯片商业模式时，需从三个不同的设计层次表述：指令集规范、IP 核设计与 SoC 芯片设计。在每个层次都存在开源（免费）模式、IP 授权模式与完全私有模式。表 展示了现有主流的处理器各自的定位。
在指令集规范层次，RISC-V 和最新推出的 MIPS R6 都是开源可免费使用；ARM 和早期的 MIPS 指令集采用的是授权模式，用户需出资获取授权；Intel 对应的 X86 指令集则完全私有。
在 IP 核设计层次，伯克利早期开发的面向 RISC-V 指令集的 Rocket Core 是开源实现；而 ARM 与 SiFive 各自设计 IP 核，但用户需出资获取授权；同样，Intel 设计的 IP 核只为自己使用。
在 SoC 芯片设计层次，目前尚无成熟的开源 SoC 实现，提供 IP 授权的 SoC芯片设计也较少，仅有高通等少数几家企业；而 Intel、海思等企业有实力开发SoC，但也并不提供授权服务。
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1 前言
1.1 背景
1.2 内容概述
2 开放指令集与开源芯片的兴起
2.1 芯片设计高门槛现
2.2 传统芯片设计模式
2.3 开源软件的启示
2.4 开放指令集趋势
2.5 开源芯片的意义与可行性
3 RISC-V 开放指令集生态现状
3.1 RISC-V 起源3.2 RISC-V 指令集特点
3.3 RISC-V 基金会
3.4 RISC-V 研讨会/峰会
3.5 RISC-V 软硬件生态
3.6 RISC-V 在中国的发展
3.6.1 中国企业
3.6.2 中国的研究
3.6.3 中国的教育
3.6.4 中国联盟与组织
3.7 RISC-V 相关资源信息
3.7.1 教材资料
3.7.2 社区动态
3.7.3 国际项目
4 MIPS 开放生态现状
4.1 MIPS 开放计划介绍
4.2 MIPS 指令集发展历史及 MIPS 公司主要产品
4.2.1 MIPS 指令集发展历史
4.2.2 MIPS 公司主要产品
4.3 MIPS 开放计划特点
4.4 MIPS 开放计划与 RISC-V 开源计划对比
4.5 芯片商业模式对比
5 开源芯片发展现状
5.1 芯片设计流程
5.1.1 芯片前端设计流程
5.1.2 芯片后端设计流程
5.2 以往开源芯片现状与分析
5.3 开源 IP
5.4 开源工具链
5.5 开源芯片“死结”与突破口
5.6 芯片敏捷开发
5.7 敏捷开发案例
5.7.1 Chisel 与 Verilog 编码效率对比
5.7.2 Chisel 与 Verilog 编码质量对比
6 业界动态
6.1 RISC-V 代表性企业与产品
6.2 MIPS 代表性企业与产品
6.2.1 MIPS 处理器的应用领域
6.2.2 MIPS 指令集在中国的发展现状
7 各国战略计划与项目部署
7.1 美国
7.2 欧洲
7.3 印度
7.4 以色列
8 挑战、机遇与未来发展方向
8.1 面临挑战
8.2 机遇
8.3 未来发展方向
9 总结
完
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