香山高性能处理器：一个新的科技平台实践

高剑林

（腾讯公司蓬莱实验室 广东深圳 518057）

计算机行业的发展历程，早期一般是理论创新阶段，成熟后进入以商业化应用为标志的技术扩散阶段.早期的理论创新以图灵完备和冯·诺依曼体系为代表，而商业化产品则从大型机、小型机到个人计算机，后又发展到移动手机产品.大规模的产品应用彻底改变了社会的信息传播方式，大大提升了人类获得信息和处理信息的能力，产生了巨大的经济效益和社会效益.

这个复杂的演进过程，是理论创新和技术产品相互促进的过程.技术产品的出现依赖于理论创新，但它也反作用于理论创新.从实际的历程看，没有先进技术产品的区域和国家，往往也很难做出开创性的理论创新，引领理论的发展.比如大名鼎鼎的冯·诺依曼体系，其过程是冯·诺依曼本人参与ENIAC 计算机的建设，总结了工业界的实践成果而提出的理论创新，而这个理论创新也对后续的计算机技术产生了深远的影响，促进了计算机体系架构的演进.

基于对计算机发展历史的总结，有必要提出重型科技平台的概念.重型科技平台应该具备2 个特征：一是平台应该是全面而且先进的，即应该全面包括当前主流的前沿理论和先进技术，是一个完备的技术平台；二是开放的，可以基于平台开展各种理论探索，方便研究工作.欣喜地看到，包云岗研究员及其团队所开发的香山开源高性能RISC-V 处理器项目具备成为重型科技平台的潜质.

目前虽已有多款基于RISC-V 指令的开源CPU 实现，但是这些CPU 性能不高，主要针对IoT 领域，不具备现代超标量处理器的典型特征.香山处理器作为目前性能最高的开源CPU，填补了该领域的空白.包云岗研究员团队撰写的文章“香山开源高性能RISC-V 处理器设计与实现”中主要介绍了两代香山处理器设计的微架构细节和设计思路，总结了开发过程的挑战和经验，该文的贡献和意义主要有以下3 点：

1.香山开源处理器在微架构层面，采用高性能的分支预测算法，大大提升了分支预测的准确率.采用高并发的流水线设计，使用6 路并行译码电路，设计256 深度的ROB，具备现代化超标量处理器的乱序执行单元.该文不但分享了香山微架构设计的细节，更指出了为什么这么设计，突出高性能通用处理器设计过程中的难点和常见的优化思路.通过对设计理念和优化思路进行归纳与总结，使读者易于理解设计思路，也给读者带来启发.

2.香山开源处理器采用了敏捷迭代的设计方法.香山采用的Chisel 语言极大提升了开发效率.在开发过程中产生了一系列敏捷设计工具，解决了敏捷开发过程中的众多难题.这些设计工具可以降低处理器的设计门槛，推动更多的工程师和学术研究人员参与其中，并推陈出新继续发展.

3.香山项目采用联合开发模式.香山联合开发模式的理念是代码开源、平台开放，不仅开源设计源代码和文档，还开源各类开发基础设施，实现开发平台的开放，做到赋能开发.这种新型的开发模式可以引导后续的科技平台采用类似模式，发扬光大.

香山处理器项目的价值与意义是多个维度的.作为处理器平台，香山具备现代超标量处理器的典型特征，建立了一个体系结构的科技平台，学术研究人员可以基于此进一步优化性能，尝试各种创新思路，而产业界可以做进一步的工程化和商业化设计，推进产品的研发.另一个方面，香山项目在芯片设计敏捷开发的探索具备学术价值和实践价值.当前EDA 工具还不能普遍支持芯片研发的敏捷迭代，如果EDA 工具开发商加入这个趋势，可能将开创芯片设计的新流程和新模式，开启芯片敏捷设计的新时代.

评述专家：

高剑林，腾讯公司蓬莱实验室总监.主要研究方向为存储系统、芯片设计.

亮点论文：

王凯帆，徐易难，余子濠，唐丹，陈国凯，陈熙，勾凌睿，胡轩，金越，李乾若，李昕，蔺嘉炜，刘彤，刘志刚，王华强，王诲喆，张传奇，张发旺，张林隽，张紫飞，张梓悦，赵阳洋，周耀阳，邹江瑞，蔡晔，郇丹丹，李祖松，赵继业，何伟，孙凝晖，包云岗.香山开源高性能RISC-V 处理器设计与实现[J].计算机研究与发展，2023,60（3）: 476-493.DOI: 10.7544/issn1000-1239.202221036