瑞士开源芯片生态：半导体研究的“基础设施”
在全球芯片竞争升温、中国等国家借助开源架构减少对西方技术依赖的背景下，瑞士正在推动一场开源运动，帮助高校和芯片设计人员摆脱垄断企业设置的商业束缚，为半导体创新开辟新的空间。
人工智能的迅猛发展对半导体行业提出了巨大的新需求。超级计算机和数据中心对更先进、更专业化的芯片的需求日益旺盛。
这为瑞士联邦理工学院(Swiss Federal Institutes of Technology)等致力于设计下一代半导体的高校注入了动力。然而，这些芯片的研究和生产却受到一种被称为“指令集架构”(Instruction Set Architecture)的技术限制。
指令集架构本质上是一种“翻译器”，决定芯片如何与软件进行交互。目前最常见的指令集架构由美国公司英特尔(Intel)和英国公司安谋(Arm)掌控。这两家公司向使用其指令集架构系统的企业收取费用，并限制这些架构在新芯片设计中的修改和扩展方式。
这一困境的解决方案是一种名为RISC-V的开源指令集架构。该技术于2010年在加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)诞生。2015年，这项技术被移交给一家非营利基金会；该基金会后来在2020年从美国迁至苏黎世，即如今的RISC-V国际协会(RISC-V International Association)。
苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)是该协会2015年的创始成员之一。该校信息技术与电子工程系教授卢卡·贝尼尼(Luca Benini)表示，这一开源替代方案“为创新提供了基础设施”。
他在接受瑞士资讯swissinfo.ch采访时说：“在专有指令集架构体系下，学术界实际上很难自行设计或修改处理器。你必须得到指令集架构所有者的明确许可。我们转向开源指令集架构，是为了获得开展研究和创新的自由。”
过去十年间，这使苏黎世联邦理工学院的研究人员得以开发约75款芯片。瑞士并不与台湾、美国和中国大陆等拥有大型芯片制造设施的国家和地区正面竞争。相反，这个阿尔卑斯国家专注于一些细分领域，例如设计能耗更低的超低功耗半导体。
“我们已经设计出专门用于机器学习、推理以及大语言模型(LLM)训练的RISC-V处理器，”贝尼尼说，“我们已经能够展示高达100倍的效率提升，这是一种几乎一代人才能见到一次的重大突破。”
在人工智能迅速发展、数据中心规模不断扩大的时代，这一点尤为关键，因为两者正在消耗越来越多的电力。瑞士科技创新中心(CSEM)集成与无线系统(Integrated & Wireless Systems)副总裁阿兰-塞尔日·波雷(Alain-Serge Porret)在Semiwiki网站发文写道，半导体行业正“对流程的每一个环节进行优化，减少不必要的计算，并提升能源效率”。
他补充说：“即使是那些曾经倡导激进规模扩张的领先企业，如今也开始思考如何根据当今的能源现实，合理确定芯片规模。”
公私合作的创新机构瑞士科技创新中心由瑞士政府于20世纪80年代初设立，旨在促进学术机构与产业界之间的合作，确保瑞士能够跟上技术发展的步伐。
在RISC-V框架的推动下，该中心的半导体研究蓬勃发展。该中心最初曾尝试开发采用自身指令集架构的处理器，但很快发现，要管理并维护整个技术生态系统需要投入大量时间和精力。
这不仅需要一支开发团队持续更新架构、修复漏洞，还需要为将该技术应用于商业产品的企业提供支持服务。
瑞士科技创新中心片上系统(System-on-a-Chip)团队负责人斯特凡·埃默里(Stéphane Emery)表示，将这一任务交由开源社区承担，使研究机构能够腾出更多资源用于科研和创新。RISC-V汇聚了来自4500多家学术机构以及谷歌(Google)、华为、西门子(Siemens)和索尼(Sony)等公司。
这一群体通力合作，通过不断增加新的应用，并对架构扩展进行审核和批准，共同维护并强化这一指令集架构。
“这对学术研究非常重要，因为我们可以与世界各地的大学和企业交流想法。这是一个非常活跃、不断发展的生态系统，”他说。
瑞士科技创新中心还与多家全球品牌建立了商业合作关系，其中包括与跨国企业日本联合半导体公司(United Semiconductor Japan，前身为富士通半导体业务)合作开展的一项项目，旨在为智能手机和平板电脑开发一款超低功耗芯片。
洛桑联邦理工学院(EPFL)也将RISC-V应用于自身的研究项目。其中包括开源微控制器X-HEEP，该项目使研究人员能够构建并测试用于超低功耗边缘计算、物联网应用以及生物医学可穿戴设备的高能效嵌入式系统。
贝尼尼(Benini)认为，开源的RISC-V生态系统对瑞士的学术研究机构至关重要。
贝尼尼将其比作欧洲核子研究中心(CERN)，在那里物理学家可以利用粒子加速器检验自己的理论。他说：“RISC-V在计算系统领域扮演着类似的研究基础设施角色。它是一项非常重要的资产，使软件和专用硬件方面的研究成果能够以具体形式走向外部世界。”
(编辑：Gabe Bullard/VdV，编译自英语：樊桦/gj)
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