RIOS实验室：培育开源芯生态，培养世界级人才

　　芯片是新时代的石油，一直是高科技领域的必争之地，而随着人工智能等新兴技术的发展，各领域智能化产品越来越多，市场对芯片的需求在变化，需求量也越来越大。行业亟需一个既灵活好用、又开源的新芯片架构。

　　在这样的背景下，RISC-V诞生了。RISC-V最初由伯克利加州大学的计算机科学部门开发，目标是服务未来50年的计算设计与创新。它是由精简指令集RISC发展而来的开源指令集架构，相当于一套芯片设计规则，基于该指令集，用户可以根据需求开发自己的处理器。

　　RISC-V开源及可定制化的特点，让它被视为半导体行业的一股新风，因而备受关注。

　　2019年11月，为了进一步推动RISC-V的普及，RIOS实验室(RISC-V International Open Source Laboratory)正式成立。RIOS实验室设在由加州大学伯克利分校和清华大学联合建立的清华-伯克利深圳学院TBSI，由RISC的奠基人、RISC-V基金会创始人、2017年图灵奖得主David Patterson教授亲自担任实验室主任。

　　“我们认为，RIOS实验室的使命让它能够不断地将硬件人才吸引到深圳，通过更多的合作与研究推动RISC-V乃至芯片领域的发展，培养下一代中国信息技术领域的优秀人才。”David Patterson教授表示。

　　RIOS的阵势不可谓不大，那么它将如何培育基于RISC-V的开源芯片生态，又将为芯片产业带来哪些变化?

　　芯片领域的一次革新

　　指令集是芯片的核心和基础，但这一关键领域长期被英特尔的X86架构和ARM的ARM架构所主导。这两者的IP(知识产权)都归公司所有，其他企业的使用需要支付高额的技术授权费用。虽然技术的发展一定程度上依托于商业化带来的利润，但这也因此导致一部分芯片领域的创新可能被扼杀在摇篮中。

　　RISC-V一开始就选择了开源的道路，目标就是让芯片设计更平民化，降低芯片设计的门槛，从而让更多的人和公司能拥有自己的芯片。

　　更重要的是，RISC-V的出现满足了新时代的计算需求。随着人工智能、智能驾驶、智慧城市、物联网等产业的兴起，一款通用芯片平台很难再满足不同应用场景的需求，而必须针对不同的场景使用专用的定制化芯片。这也是越来越多非传统半导体公司，比如Google、阿里、亚马逊等，都在开发自己的芯片的原因，他们渴求满足不同场景计算的芯片。

　　RISC-V指令集完美符合新产业的要求。一方面，RISC-V的开源特性大大降低了成本，因为可以免费使用指令集;另一方面允许自由修改，让任何用户都能满足量身定制的需求。另外，RISC-V还采用模块化设计将其不同部分组织在一起，从而使灵活满足各种不同的应用成为可能。

　　开源自由的生态、灵活的设计结构，让RISC-V对半导体行业的革新备受期待。中国工程院院士倪光南就曾公开表示，RISC-V很可能在未来发展成世界主流CPU指令集之一，最终在CPU领域形成英特尔、ARM和RISC-V三分天下的格局。到目前为止，RISC-V基金会成员已有超过1000家，包括了高通、英伟达、Google、阿里、华为等公司。

　　在新的计算需求下，RISC-V或许会成为国内芯片产业追赶前沿的契机，而RIOS实验室的成立正是顺应了这种需求。RIOS在西班牙语里是河流的意思，寓意着RISC-V研究机构将像河流一样汇聚来自全球的资源和智慧，催生RISC-V生态的发展。

　　Patterson教授在RIOS实验室成立时曾表示，RISC-V国际开源实验室，将专注于开源处理器的前沿技术，致力构建基于RISC-V的软硬件生态体系，从而推动全球RISC-V技术的工业化进程和软硬件建设。

　　另外，RIOS也将为工业界提供合作的机会和平台，推动RISC-V在产业的应用。

　　开源社区：芯片人才的培育基地

　　Patterson教授相信RISC-V也可以像Linux一样，在硬件和芯片设计领域发展出繁荣的生态。当然，RISC-V要发展出未来高科技产业的健康生态，肯定会遇到很多障碍，其中关键的一环便是人才。

　　鹏城实验室主任高文院士在第9次政治局集体学习讲解中国新一代人工智能发展的四大优势和四大短板时，特别提到了中国有大批有潜力的青年人才在快速成长，但高水平人才不足。

　　在RIOS实验室的关键目标中，其中之一正是依托清华-伯克利深圳学院的教育资源和平台，培养更多CPU以及RISC-V方面的高端技术人才。放眼世界，我们会发现像RIOS这样的开源实验室，往往会成为前沿技术领域的人才培养基地和新兴行业的助推剂。

　　RIOS为此在2021年1月举办的第二届RISC-V国际开源论坛上，特设了人才培养主题，做完开场主题报告后的Patterson教授、在深圳人才局张林局长主持下、与清华大学郑泉水院士及香港科技大学李泽湘教授等进行了”开源芯生态培养世界级人才“的精彩讨论(后附视频回放)。

　　Patterson教授根据自己的成长及教育经验表示，开源是一种很好的技术创新模式和人才培养方式。

　　在开源项目中，学生可以关注到各种软件的工业版本，看到工程的源代码，了解到现实中这些软件是如何动作的。如果开源软件加入学生的课程中，他们可以据此完成课题，整个教学会高效更有意义。而且开源生态是一个开放的网络，来自全球的教师与工程师资源都会汇聚其中，学生甚至可以获得其他院校的支持，从而博采众长。在芯片这样高度复杂的领域，开源社区是不可或缺的资源，也是未来创新教育的方向。

　　另一方面，在开源项目中成长起来的学生，可以将自己的研究与产业实践反哺到开源社区，形成学术与产业的正向循环。

　　“中国的大学为什么总是培养不出大师?”，这就是著名的钱学森之问。作为清华大学钱学森班的主任和创办首席教授，郑泉水院士在过去十年探索出了开源模式的解答，尤其是他开放的心态，让学生去自由探索国际前沿领域，同时让他们去完成自己感兴趣的项目，这些都和开源精神非常一致，跟开源社区的价值观完全一样。 郑院士在RISC-V论坛中分享了用开源的技术和开源社区的模式在清华建立以项目为主的“钱班”教育模式，而以前我们的教育主要是以班为主。

　　钱班以“发掘和培养有志于通过技术改变世界、造福人类的创新型人才，探索回答‘钱学森之问’”为使命。创办十年来，作为入选国家“珠峰计划”(基础学科拔尖学生培养试验计划)的唯一工科基础班，钱班首创了“大工科”创新人才培养新模式——即“课程-研究-社群”(CRC)培养模式。最近郑院士的“大钱班”-清华深圳”零一学院”建立，旨在打造拔尖创新人才培养的开放性“无界大学”。这与RIOS实验室提倡的“在社区学习，在开源成长”理念不谋而合。

　　香港科技大学教授李泽湘在RISC-V论坛中分享了一个这样的例子。他有一个学生在读书期间通过开源社区中找到了志同道合的伙伴，并且基于开源软件开发自己的商业产品，后来借助深圳完善的电子产业供应链，他们很快开始了成型的机器人产品的设计与研发。他们在产业中的影响力，也进一步推动了相关开源社区的发展。如今，这家公司已经成长为百亿美金估值的独角兽，它就是位于深圳的无人机公司大疆。

　　李泽湘教授认为，开源社区为创新人才的创业提供了前期的准备与经验，很多人正是在开源项目的启发下建立了自己的公司。他还特别提到深圳就像我们开源社区的好莱坞，在这里有很多大咖，也有很多艺人，而且在这里有很多的硬件、软件、开源的生态系统。

　　毫无疑问，开源社区可以让学生能够从学校的象牙塔走出去，真正的融入到市场当中，建立自己的事业。而RIOS正在扮演这样一种角色，或许下一个芯片产业关键人物将从这里诞生。

　　加入RIOS实验室，开源“创芯”未来

　　2019年10月，著名财经杂志《经济学人》(The Economist)刊出了“Your own RISC”一文，判断“像RISC-V这样的开源硬件也许会在未来十年实现类似开源软件式的扩张”。RISC-V的发明者与推动者——加州大学伯克利分校在计算机体系结构领域的引领地位，令绝大多数大学和研究机构难以企及。

　　伯克利模式的成功及RISC-V的兴起也引起国内学者的反思，李国杰院士在《新时期呼唤新的科研模式》一文中指出，国内陷入了某些科研模式上的思维定势，并令人不解地走了一条相反的学科发展道路，不断地拆分学科，另建了好几个独立构成上下游的新一级学科，这种“占山头”的方式难以做出基础性的重大发明。

　　谭章熹博士是得到Patterson教授体系架构传承的唯一华人弟子，也是在伯克利参与发起RISC-V项目的核心成员之一。谭博士回忆当年要去伯克利学习体系架构，就是认为当时国内根本没有体系架构，这次回国创建RIOS实验室的首要目的就是协助导师帮助中国培养体系架构人才，同时培育开源芯片社区及和加速生态建设、帮助世界各地开发者缩短设计时间和降低芯片成本。在多个场合介绍RIOS时，Patterson教授都会提到当年抗战时美国志愿者成立“飞虎”队帮助中国在实战中建立空军的例子。伯克利有过多项世界级影响力的深度信息技术开源项目、以及不以论文为目的的产学研办学模式，这些通过RIOS在中国落地生根、都是当下中国开源界学术界产业界急需的宝贵经验。

　　RIOS实验室自招生以来，越来越多的学生加入到RISC-V的研发行列中。RIOS也正在依托清华-伯克利深圳学院的“数据科学交叉学科”项目，开展研究生培养计划，预计未来五年会培养出近百位半导体人才，包括研究生、博士以及博士后。

　　RIOS的教学资源继承了伯克利几十年来在计算机体系结构领域领先的课程体系，包括现代主流微处理器的设计理念和原则，CPU的各个主要模块的设计和优化，性能模型的搭建，处理器微体系结构，指令集设计，流水线，乱序和推测执行，超标量，超长指令字(VLIW)，矢量和多线程处理器，缓存和浮点单元，多处理器的矢量化，同步，内存模型和缓存一致性协议等。课程的项目试验会实现一个基于RISC-V指令集的CPU以及一个对应的性能测试模型，包括功耗，性能和片上面积等指标。RIOS的教育生态建设目标远大，和业界及学界的广泛深入合作及联合人才培养计划也正在推进中，TBSI架构下RIOS独有的国际开源稀缺资源、甚至能为学生们提供世界最先进理念的流片机会。

　　显而易见，要解决芯片技术及生态面临的挑战，仅靠RISC-V等技术是不够的，还是需要RIOS这样的实验室，通过有组织的方式让产业界和学术界共同去解决技术问题，打通整个链条，促进芯片生态的成熟。

　　未来是计算架构的黄金十年”，引领未来的是少年天才们，他们或许就在由图灵架构大师亲自领衔的国际开源实验室成长为未来的大师。面向未来，期待博士博后、高级工程专家、天才少年们一起加入RIOS这个“大图灵班”，探索新计算模式，找到领先世界的下一代计算架构。