從零開始設(shè)計自己的RISC-V處理器芯片

從零開始設(shè)計自己的RISC-V處理器芯片“一生一芯”計劃總體介紹應(yīng)用程序運行時環(huán)境(簡易)操作系統(tǒng)指令集(RISC-V)微結(jié)構(gòu)電路綜合物理設(shè)計物理驗證版圖CSEE面向所有芯片設(shè)計愛好者不限學校不限專業(yè)不限年級不限基礎(chǔ)*支持在校生免費流片吸引提升培養(yǎng)熟悉深入了解軟件芯片EDA香山亂序超標量緩存指令擴展分支預測IP預取一致性U-bootUEFIOpenSBILinuxGCCLLVMQEMU布線布局時鐘樹打破教育資源不平衡的壁壘突破傳統(tǒng)課程的邊界,融合EE和CS的全棧人才培養(yǎng)培養(yǎng)后進入開源社區(qū)/企業(yè),攻關(guān)卡脖子領(lǐng)域布圖標準單元時序分析等價性驗證工藝映射軟硬件協(xié)同前后端全鏈條基于開源新賽道的一種貫通課程的實踐型開放式大規(guī)模人才培養(yǎng)計劃知識圖譜應(yīng)用程序運行時環(huán)境操作系統(tǒng)指令集微結(jié)構(gòu)電路綜合物理設(shè)計物理驗證版圖CSEE軟硬件協(xié)同前后端全鏈條解決工程問題的基礎(chǔ)設(shè)施：lint工具、sanitizer、printf、trace、gdb、波形、profiler……使用正確的模式寫出好代碼（不言自明、不言自證）、測試、斷言從C語言到二進制、ELF文件和鏈接RISC-V指令集、程序的機器級表示模擬器、單周期AM裸機運行時環(huán)境游戲I/O指令總線、設(shè)備IO庫OS應(yīng)用自陷指令異常機制自制OSC庫SoC計算機系統(tǒng)：UART、SPI控制器、Flash顆?！_源EDA程序指令集處理器狀態(tài)機模型編譯CPU設(shè)計緩存并行預測專用分支預測乘/除法器指令流水線Cache設(shè)計ProfilingBenchmark體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法獨立解決問題的能力：科學提問看手冊、讀代碼、搜索互聯(lián)網(wǎng)學會使用/改進/制造工具先完成后完美超8000人報名學習“一生一芯”Updated:Jun22nd,2024新看點1–坡度更緩的階段劃分對原來的B階段進行拆分有一些高中生甚至初中生開始嘗試學習“一生一芯”給他們提供更合適的學習階段這也有利于零基礎(chǔ)同學的學習預學習階段數(shù)列求和3條指令9條指令單周期設(shè)備RT-ThreadRV32E(45條)單周期設(shè)備單周期D階段超級瑪麗C階段超級瑪麗RT-ThreadRV32E(45條)流水線+cache總線+SoCB階段超級瑪麗設(shè)備自制OS/Linux流水線+cacheRV32GC(~100條)+特權(quán)級+MMU總線+SoCA階段仙劍/Debian設(shè)備自制OS/LinuxRV32GC(~100條)+特權(quán)級+MMU總線+SoCS階段仙劍/Debian設(shè)備亂序超標量+體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化入學答辯北京一零一中學初中生嘗試學習“一生一芯”新看點2–SoC全系統(tǒng)學習(B階段中期)理解全系統(tǒng)架構(gòu)程序，操作系統(tǒng)，ISA，處理器，電路理解系統(tǒng)的工作原理游戲如何在系統(tǒng)中運行？AM裸機運行時RISC-V指令集NPC處理器ysyxSoCNVBoardRT-Thread超級瑪麗學習案例——《仙劍奇?zhèn)b傳》如何更新屏幕親手構(gòu)建RISC-V計算機系統(tǒng)理解“程序如何在自己設(shè)計的處理器上運行”學生案例——鍛煉系統(tǒng)全棧調(diào)試能力真實環(huán)境下，問題現(xiàn)象往往在應(yīng)用層暴露，但原因在其他層次學生的調(diào)試記錄（一個代表性案例）新看點3–處理器設(shè)計全流程學習(B階段后期)新特性邏輯設(shè)計功能驗證性能驗證電路評估測試生成參考實現(xiàn)結(jié)果對比設(shè)計語言現(xiàn)場復現(xiàn)出錯分析測試生成仿真環(huán)境參考實現(xiàn)性能分析架構(gòu)設(shè)計性能優(yōu)化物理設(shè)計瓶頸定位負載生成設(shè)計探索性能分析性能計數(shù)器NEMU指令集模擬器mtrace/btrace蹤跡CacheSim/BrSim功能模擬器Verilog傳統(tǒng)開發(fā)語言Chisel敏捷開發(fā)語言AM裸機運行時NEMU指令集模擬器Chiseltest/SymbiYosys形式化驗證一鍵仿真腳本itrace/mtrace/ftrace/dtrace全系統(tǒng)蹤跡RT-Thread嵌入式OSFCEUX紅白機模擬器自制OSDiffTest差分測試方法SDB簡易調(diào)試器GTKWave波形查看器時序分析面積評估功耗分析基準測試MemCalibrate訪存延遲校準CacheSim/BrSim功能模擬器性能計數(shù)器iEDAEDA工具iEDA.iSTA時序分析工具Yosys綜合工具iEDA.iPA功耗分析工具學生無需實現(xiàn)新看點3–處理器設(shè)計全流程學習(B階段后期)學習先進的驗證方法——形式化驗證工具自動尋找出錯的測試用例,如果找不到,就證明了正確性用來驗證cache和流水線處理器的實現(xiàn)感謝中科院軟件所吳志林老師團隊的工作帶來的啟發(fā)學習性能評估和優(yōu)化方法IPC:模擬器(CacheSim,BrSim,性能評估)+性能計數(shù)器(性能分析)頻率:Yosys(綜合器)+iEDA.iNO(網(wǎng)表優(yōu)化)+iEDA.iSTA(時序分析)學習功耗評估和優(yōu)化方法[WIP]iEDA.iPA(功耗分析)學習物理設(shè)計全流程iEDA(開源EDA工具)學生案例——綜合評估技術(shù)的收益和開銷評估一項優(yōu)化技術(shù)對頻率、面積、IPC的影響IPC綜合頻率綜合面積IPC面積頻率開源EDA工具鏈（打通RTL->GDSII)LogicSynthesisLogicCompilerLogicOptimizationTechnologyMapiMAPFormalRTLAnalysisStaticTimingAnalysisPowerAnalysisIRDropElectromigrationiSTAiPARCExtractionNetlistSign-offGDSIIiFPiNOiPLiCTSiTOiRTiPDNFloorplaningPlacementClockTreeSynthesisTimingOptimizationRoutingNetlistOptimizationPowerDeliveryNetworkPhysicalDesignEngineeringChangeOrderFillerPhysicalVerificationDesignRuleCheckElectronicRuleCheckLayoutvs.SchematiciDRC布圖規(guī)劃布局時鐘樹綜合布線版圖及設(shè)計規(guī)則檢查基于開源EDA工具鏈的芯片設(shè)計平臺布局時序評估布線器1布線器1新看點4–更專業(yè)的處理器開源benchmark項目負責人:陳璐,博士生@中國科學院計算技術(shù)研究所核心骨干(選自“一生一芯”優(yōu)秀學員):晁宇龍,戴桂雨,王銳,魏人技術(shù)顧問:周耀陽,博士@開源芯片研究院,香山處理器性能組組長覆蓋訪存單元,整數(shù)單元,浮點單元,

分支預測,Cache等多個處理器關(guān)鍵部件提供香山等開源處理器的性能跑分后續(xù)可支持性能打榜前端密集計算密集訪存密集分支密集C編譯器,gobmk整數(shù)密集hmmer,h264流式內(nèi)存訪問streamICache壓力自制RTL仿真器浮點密集(可選)GEMM,Stencil不規(guī)則內(nèi)存訪問mcf，圖算法學習路線圖(以學習到A階段后流片為例)ACBA填寫報名問卷[~10分鐘]sh$cathello.c#include<stdio.h>intmain(){printf(“HelloYSYX!\n”);return0;}預學習[2個月]入學答辯[~15分鐘]D/C/B階段[~3個月]A階段[~3個月]代碼調(diào)試考核[~45分鐘]PLLVGAUARTSPI接入SoC[~1周]后端物理設(shè)計[~2個月]投片生產(chǎn)[2~4個月]芯片封裝[~2周]板卡基礎(chǔ)測試[~1周]板卡系統(tǒng)測試[~1周]認證和流片認證要求:完成相應(yīng)學習內(nèi)容并通過認證考核形式:答辯+代碼展示+評委提問流片要求:完成相應(yīng)學習內(nèi)容并通過流片考核形式:在線代碼調(diào)試考核+答辯通過后自動獲得相應(yīng)認證預學習階段數(shù)列求和3條指令9條指令單周期設(shè)備RT-ThreadRV32E(45條)單周期設(shè)備單周期D階段超級瑪麗C階段超級瑪麗RT-ThreadRV32E(45條)流水線+cache總線+SoCB階段超級瑪麗設(shè)備自制OS/Linux流水線+cacheRV32GC(~100條)+特權(quán)級+MMU總線+SoCA階段仙劍/Debian設(shè)備自制OS/LinuxRV32GC(~100條)+特權(quán)級+MMU總線+SoCS階段仙劍/Debian設(shè)備亂序超標量+體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化入學答辯最低認證標準最低流片標準具體細節(jié)請參考網(wǎng)站發(fā)布的相關(guān)要求甲辰計劃和RT-Thread等企業(yè)

宣布認可“一生一芯”的人才認證體系報名無需費用,學習資源均開放B站賬號:一生一芯-視頻號課件講解+代碼講解+代碼演示B站賬號:一生一芯-視頻號課程主頁講義40萬字課件800+頁,10萬字教學視頻時長40+小時哈薩克斯坦教授引進“一生一芯”計劃納扎爾巴耶夫大學NursultanKabylkas教授為哈薩克斯坦培養(yǎng)首批處理器芯片設(shè)計人才贈送書籍，鼓勵學生堅持學習加入入學大禮包優(yōu)秀學員贈書計劃初步合作階段“一生一芯”高校合作路線方案A

：定期出具學習情況報告適用場景：少量學生初步開始學習方案C

：定期出具報告+配備助教+教學交流適用場景：適用于有一定學員規(guī)模，成立學習群組的情況優(yōu)勢：專配助教關(guān)注群內(nèi)學員情況并答疑指導方案B：定期出具報告+教學交流適用場景：有意向展開”教學合作優(yōu)勢：“一生一芯”就教學合作提出針對性方案方案D：達成“一生一芯”學分認證適用場景：高校院系官方認證“一生一芯”學習內(nèi)容并賦予學分或者保研加分優(yōu)勢：將學生的課外實踐與校內(nèi)學分相結(jié)合，充分調(diào)動學員積極性加強合作階段方案E：成立“一生一芯”社團適用場景：高校院系成立正式社團優(yōu)勢：社團化管理和組織學生，”一生一芯”項目組將給予一定的活動經(jīng)費支持。深入合作階段方案H

：開設(shè)“一生一芯”實踐課程適用場景：高校院系納入課程體系，開設(shè)”一生一芯”實踐課程優(yōu)勢：全面培養(yǎng)學生前后端全鏈條的知識體系和動手實踐能力方案I

：開設(shè)“一生一芯”訓練營適用場景：高校院系提供場地和資源支持，“一生一芯”負責教學組織優(yōu)勢：集中學生線下授課和學習，學習效率高，周期短，效果顯著方案J

：開展科研教學項目合作適用場景：高校院系與“一生一芯”有共同的項目合作方向優(yōu)勢：雙方共同投入資源完成技術(shù)攻關(guān)和研發(fā)工作，項目驗證和迭代的經(jīng)驗用于教學方案改革以上方案逐步深入，亦可同時進行，多維度展開深度合作方案F

：課程引入“一生一芯”案例工具適用場景：高校院系課程可適應(yīng)性調(diào)整優(yōu)勢：引入“一生一芯”的案例和工具與課程相結(jié)合。方案G

：課程引入“一生一芯”實驗適用場景：高校院系課程可適應(yīng)性調(diào)整優(yōu)勢：引入“一生一芯”的實驗增強課堂的實踐性，培養(yǎng)學生動手能力企業(yè)培訓方案培訓目標：企業(yè)員工基礎(chǔ)能力培訓培訓對象：企業(yè)在崗員工/待入職員工（應(yīng)屆、社招）培訓周期：半年（亦可根據(jù)培訓目標調(diào)整）培訓模式：按照助教和學員1:10的比例，組織線上學習線上學習學員根據(jù)學習流程和講義進行自學定期組會每兩周同步學習進展和答疑季度訪談評估學習進展和能力提升幅度，給出學習建議綜合評價結(jié)合學習記錄、技術(shù)提升等給出最終評價報告企業(yè)培訓方案培訓方案成果：基礎(chǔ)能力提升：系統(tǒng)學習了計算機系統(tǒng)前后端全鏈條基礎(chǔ)知識，包括硬件電路設(shè)計、軟件編程、算法優(yōu)化等多個方面、掌握學習方法和工具的使用。全新維度評價和考察：“一生一芯”以【技術(shù)水平】和【發(fā)展?jié)摿Α績蓚€維度，通過學習記錄、組會、訪談等方式，長期記錄和觀察，根據(jù)初始和最終技術(shù)水平評價形成【能力增幅】和【發(fā)展?jié)摿Α績山M評價結(jié)果。為企業(yè)對于員工評級、定（調(diào)）薪定（調(diào)）崗、試用期考核等提供客觀依據(jù)。崗前培訓優(yōu)勢：應(yīng)屆待入職員工完成“一生一芯”企業(yè)崗前培訓，可縮短入職后培訓時間，提前適應(yīng)未來工作要求。企業(yè)可安排技術(shù)負責人觀摩或參與培訓全程，加深雙方了解，為入職后合作打下良好基礎(chǔ)。案例：凌久微電子企業(yè)培訓學員情況：待入職員工（應(yīng)屆）培養(yǎng)周期：2024年1月-6月培養(yǎng)目標：IC設(shè)計方向及軟件開發(fā)方向兩類崗位人員培訓成果：學員學習過程記錄學員學習情況評價報告學習階段序號學習內(nèi)容備注理解實踐預計學習時間（小時）IC設(shè)計軟件設(shè)計預學習階段

1如何科學的提問

O

2√√2Linux系統(tǒng)安裝和基本使用

O10√√3計算機系統(tǒng)的狀態(tài)機模型

O

2√√4復習C語言

O20√√5程序的執(zhí)行和模擬器

O

2√√6搭建verilator仿真環(huán)境

O5√×7數(shù)字電路基礎(chǔ)實驗

O20√×8完成PA1

O30√√基礎(chǔ)學習階段（B階段）9支持RV32IM的NEMU

O10√√10程序的機器級表示（上）

O

2√√11程序的機器級表示（下）

O

2√√12用RTL實現(xiàn)最簡單的處理器

O5√×13AM運行時環(huán)境

O

5√√14工具和基礎(chǔ)設(shè)施

O5√√15支持RV32E的單周期NPC

O10√√16ELF文件和鏈接建議IC方向也學習，時間不長，但能為編寫SoC裸機程序做鋪墊O

2×？√17設(shè)備和輸入輸出

O10√√18總線新增，SoC前導知識

O10√×19SoC計算機系統(tǒng)軟件方向只能進行簡單的開發(fā)

O10√×？20異常處理和RT-Thread新增

O10選做√

總時間160120學員學習案例和評價報告曾同學：碩士通信工程專業(yè)IC工程師崗位魏同學：碩士電子信息專業(yè)IC工程師崗位常見問題Q:在哪里報名?A:官網(wǎng),按流程操作Q:學習資料在哪里?A:官網(wǎng)Q:我低年級/普通高校/其他專業(yè)/零基礎(chǔ),能否參加?A:能Q:我已經(jīng)畢業(yè),能否參加?A:能學習,但不能免費流片Q:報名什么時候截止?A:一直開放,隨到隨學Q:報名和學習是否收費?A:公益項目,不收費Q:報名怎么篩選?A:不篩選,項目組鼓勵大家學習Q:一般要學多久?A:因人而易,可以先學兩周試試Q:什么時候要學完?A:沒有要求,學完就申請答辯Q:學得慢會不會被淘汰?A:不會,項目組鼓勵大家持續(xù)學習Q:可以組隊嗎?A:不可以更多常見問題CC（ChipCreative）團隊簡介構(gòu)建開源的芯片設(shè)計解決方案，覆蓋開源IP、開源EDA、人才培養(yǎng)、流片&定制來自多個單位的課題組聯(lián)合團隊，包含計算所、鵬城、開芯院等開源IP：處理器核和基礎(chǔ)IP開源EDA：打通芯片從RTL到GSDII的設(shè)計全流程流片