芯片開發(fā)語言：Verilog在左，Chisel在右

在最近召開的RISC-V中國峰會上，中科院計算所的包云崗研究員團隊正式發(fā)布了名為“香山”的開源高性能處RISC-V處理器。前不久我有幸和包老師就這個事情做了一次深度的交流，我們聊了關于RISC-V、還有“香山”處理器的前世今生。包老師也分享了很多他關于開源硬件、新型開發(fā)語言、硬件敏捷設計、還有處理器基礎架構等等這些問題的想法和學術思考，我深受啟發(fā)。

包云崗是中科院計算技術研究所研究員、副所長，先進計算機系統(tǒng)研究中心主任，中國科學院大學特聘教授，中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟秘書長。他的主要研究領域為云計算數(shù)據(jù)中心體系結構、開源處理器芯片敏捷設計等。

我把我們的對話進行了整理和采編，以饗讀者。主要是包老師對硬件敏捷開發(fā)的新興開發(fā)語言與工具的思考。

注：以下的“我”，指的都是包云崗研究員。

1. 為什么用Chisel

老石按：

在傳統(tǒng)的數(shù)字芯片開發(fā)里，絕大多數(shù)設計者都會使用諸如Verilog、VHDL或者SystemVerilog的硬件描述語言（HDL）對電路的行為和功能進行建模。但是在香山處理器里，團隊選擇使用Chisel作為主要開發(fā)語言。這是基于怎樣的考慮？

Chisel是基于Scala這個函數(shù)式語言來擴展出來的，我們可以把它看做是一個用來描述電路的領域專用語言，它和Verilog還是有很大區(qū)別的。 

事實上，我們自己也做過兩種語言的對比。在2016年，我們整個團隊開始決定用RISC-V去實現(xiàn)標簽化體系結構，也在那個時候開始接觸Chisel。最早的時候我們重用了UC伯克利開發(fā)了的名叫Rocket的開源內(nèi)核。這是個順序執(zhí)行的小核，我們在它上面加上了我們的標簽機制，這期間其實就有很多的一些開發(fā)體會。

Rocket chip generator的系統(tǒng)架構圖

前面提到我們的同學原來對Verilog很熟，但是用Chisel以后就會有一種愛不釋手的感覺。有好多的通信，特別是年輕的同學，他們都愿意去嘗試使用Chisel。有一個北大的研究生，他在做報告的時候講，你用了Chisel以后就再也回不去了。

其實，我們自己還做過量化的評估。在2018年，我們團隊里有兩個本科生和一個工程師做過一個實驗。這個實驗是要開發(fā)一個L2 Cache，但是要集成到RISC-V的內(nèi)核里。我們的工程師是用Verilog來開發(fā)的，他對Cache非常熟悉。他把OpenSPARC里面的Cache、還有Xilinx提供的Cache等等都研究過，代碼都讀得很透。所以他用Verilog開發(fā)，并且接到RISC-V里面去。當時他花了應該是6個星期開發(fā)，包括測試框架等等，一共寫了5000多行代碼。即便這樣，后面還是有一些問題和Bug。

另外，我們當時有一位大四的本科生，現(xiàn)在也是香山的核心成員，他懂一些計算機體系結構，使用Chisel有9個月的時間。同樣的任務，他用Chisel開發(fā)只花了三天時間就寫出來了。把設計接到RISC-V核里面之后，還能夠正常工作。之后又進一步就把DMA調(diào)通了，就能夠支持像網(wǎng)卡這樣的一些DMA的數(shù)據(jù)的傳輸。這個給我們留下了很深刻的印象。

表格來源：《芯片敏捷開發(fā)實踐：標簽化RISC-V》

我們覺得，本科生使用Chisel做的設計，哪怕是性能或者各方面差了一些，但他只用了三天時間。這樣我們就可以快速去驗證，并且實現(xiàn)我們的想法。

當然這個只是第一組實驗。我們當時有一個群，在群里面吵的還是挺不可開交的，因為我們的工程師那個時候很不服氣，他就覺得他的代碼各方面都質量更高。所以我們后來又有另外一位中國科學院大學的大四本科生，他懂Verilog、但是沒學過Chisel，所以他做的事情就是讀我們工程師的Verilog代碼，并把核心代碼一行一行翻譯成Chisel，最后要通過工程師寫的測試。也就是說，翻譯后的Chisel和Verilog實現(xiàn)的邏輯功能是完全一致的。

翻譯完之后，再在同一個FPGA上面評估，看設計的PPA、 頻率、功耗，還有使用的資源等等。這樣下來的話，你就會看到其實出來的指標上面，大多數(shù)的指標實際都是Chisel還反而更好一些，代碼量也會比他要小。

這還只是第一個階段。后面我們的本科生又在博士生的指導下，把Chisel里面的高級特性給它加進去，結果一下子就完全超越Verilog的版本了，代碼量大概只有Verilog的1/4~1/5，有些邏輯資源可以減少百分之六七十。所以那時候這組數(shù)據(jù)出來以后，工程師就他也覺得服氣了。

表格來源：《芯片敏捷開發(fā)實踐：標簽化RISC-V》

2. Chisel vs 高層次綜合

老石按：

在FPGA里高層綜合是一個非常熱、非常流行的一個研究方向。但是我知道Chisel和高層次綜合可能并不是一回事。在Chisel官網(wǎng)上也明確的指出：我不是高層次綜合。但在我看來，它們背后的思維方式、或者是大的方向是有共同之處的，也就是讓硬件開發(fā)更加的快速、更加敏捷。也就是像您剛才說的，從想法到實現(xiàn)，周期更加縮短。

但是從高層綜合的角度來看，雖然學術界一直在講高層次綜合已經(jīng)很多年的時間，它實際的商業(yè)化可能還是需要特別突破性的進展?，F(xiàn)在業(yè)界的這些設計，比如大的網(wǎng)絡設計、還有數(shù)據(jù)中心加速器的這些設計，仍然是基于SystemVerilog/Verilog/VHDL這樣的RTL語言。這主要是因為高層次綜合有這么幾個問題：

第一個就是HLS可能并不能覆蓋掉的全部應用領域，也就是說它可能適合于某些應用領域，但是對于這種吞吐量比較大的、或者高速數(shù)據(jù)包處理這些應用，它可能就不那么適合。

另外一個就是它的驗證。因為它相當于在RTL頂上加了一層額外的高層次語言，等它綜合或者處理完了以后，還是生成底層的RTL語言，然后再走原來的FPGA的這些開發(fā)流程。所以在驗證過程中，增加額外的這層可能會給驗證工作造成很大的問題。所以關于這兩點您怎么看？

我想其實它的通用性方面是沒有問題的。Chisel本身是一個硬件描述語言，所以從它的這種完備性來看的話，它跟Verilog是一樣的。也就是說，Verilog能干什么事，Chisel也能干什么事，這兩個是沒有什么區(qū)別的，它只不過是另外一種語法表達而已。

調(diào)試是很多人都擔心的一個問題。因為Chisel它現(xiàn)在其實是一個源到源的翻譯，是首先是基于Scala這套語法去寫一個硬件的描述。然后通過FIRRTL進行翻譯。再往后走的話，其實是用Verilog那套流程去做，最后生成GDSII版圖。

所以在這個過程當中，其實是明顯的分成兩個階段了。前面一個階段Chisel到Verilog，第二階段就是Verilog到GDSII版圖。

我們用Chisel已經(jīng)流過三顆芯片，有大的芯片、有的小的芯片，有單核的有8核的。在早期的時候，我們其實也遇到過這樣的一些問題。比如你用Chisel寫的代碼生成了Verilog，Verilog里面有一些變量，你那邊在Chisel里面改一行代碼，那它這個變量就全部重新改變。后來其實仔細分析以后，我們發(fā)現(xiàn)這些問題都是可以有一些辦法來解決的，或者說它不是阻礙可調(diào)試性的最根本的問題。所以后面我們在做香山的時候，我們在這些方面已經(jīng)處理得比較好了。

就像我們有同學，他自己開發(fā)了一個工具，可以把電路波形直接轉變成一個上層的高級的事件。這個時候他其實就用了Chisel和FIRRTL里面的特性。

因為FIRRTL它有點像LLVM，它可以放很多的這樣自己設計的模塊，F(xiàn)IRRTL也可以定義自己需要的功能。這個在LLVM里叫pass，在FIRTEL里叫transformer。

有了這些工具，就可以讓Chisel源碼和下面波形建立起聯(lián)系，讓調(diào)試的過程甚至比原來用Verilog還要方便。

除了這個工具，同學們還自定義和擴展了一些printf，讓我們在調(diào)的時候很多時候根本不用去看波形。這些都得益于Chisel的強大和開放。

小結

在下篇文章中，我會繼續(xù)分享包云崗研究員對芯片敏捷開發(fā)深刻理解，包括對工具鏈的優(yōu)化和挑戰(zhàn)等等。敬請期待。

（注：本文不代表老石任職單位的觀點。）