龍芯將兩款CPU核開(kāi)源 助計算機教育從“用”向“造”突破

　　應用開(kāi)發(fā)人才充足，底層研發(fā)人才匱乏

　　龍芯首席科學(xué)家胡偉武指出，我國計算機領(lǐng)域的教育更多的還是教學(xué)生如何“用”計算機而不是“造”計算機，而且絕大多數高校只能培養應用程序員，而且是對計算機系統底層知之甚少的應用程序員。這直接導致國內IT人才結構失衡，應用開(kāi)發(fā)型人才充足，但底層基礎系統研發(fā)人才卻極度匱乏，使中國龐大的IT產(chǎn)業(yè)建立在國外軟硬件系統平臺之上——在硬件上，完全依賴(lài)國外的X86和ARM，在軟件上，也存在大而不強的現實(shí)狀況。

　　軟件產(chǎn)業(yè)強大與否，并不是取決于該國程序員數量，更不取決于軟件產(chǎn)業(yè)創(chuàng )造的GDP，而在于產(chǎn)業(yè)標準制定權，以及是否擁有核心技術(shù)。一流企業(yè)做標準，二流企業(yè)做品牌，三流企業(yè)做產(chǎn)品，掌握了標準的制定權就能獲取高額利潤并立于不敗之地。而國內軟件業(yè)從教學(xué)到產(chǎn)業(yè)，基本上跟著(zhù)西方的技術(shù)標準走，沒(méi)有自己的一套技術(shù)標準。像程序員常用的編程語(yǔ)言、編譯器、軟件開(kāi)發(fā)工具，基本上用的都是國外產(chǎn)品。

　　軟件產(chǎn)業(yè)大而不強的另一個(gè)表現就是產(chǎn)品缺乏核心技術(shù)。以我們每天都用的手機和瀏覽器來(lái)說(shuō)，國內各家公司推出了不少瀏覽器，但基本上是國外瀏覽器的“馬甲”，所謂的國產(chǎn)瀏覽器都沒(méi)有國人自己編寫(xiě)的瀏覽器內核。手機操作系統也是如此，雖然很多國產(chǎn)手機都有諸如Emtion、nubia之類(lèi)的系統，但撥開(kāi)現象看本質(zhì)，這些還都是安卓操作系統的馬甲，只能算是一個(gè)UI(系統界面)。而B(niǎo)AT等互聯(lián)網(wǎng)巨頭推出的操作系統，其本質(zhì)也是基于安卓的二次開(kāi)發(fā)，編寫(xiě)的代碼僅限于重寫(xiě)了虛擬機。

　　類(lèi)似的例子還有很多，某家以殺毒軟件起家的互聯(lián)網(wǎng)公司，其殺毒軟件的用的是羅馬尼亞的BitDefender引擎。不少廠(chǎng)商隔三差五就會(huì )出現于媒體聚光燈下的云解決方案，其實(shí)上也是國外開(kāi)源軟件(Openstack/Xen)的馬甲，有些廠(chǎng)商雖然也貢獻了少量代碼，但含金量遠不及宣傳中那么足。國內有幾十萬(wàn)JAVA程序員，卻鮮有具備JAVA核心技術(shù)——JAVA虛擬機的研發(fā)能力。國內從事瀏覽器應用的團隊數以千計，卻少有掌握瀏覽器底層JS引擎研發(fā)技術(shù)，寫(xiě)QT的也很多，但QT庫卻沒(méi)多少人干……國內IT企業(yè)極少參加系統相關(guān)標準制定，國內軟件人才向國際開(kāi)源社區貢獻的代碼也相對偏少。

　　因此，雖然中國軟件產(chǎn)業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)創(chuàng )造了海量的GDP，演繹了一批造富神話(huà)，吸納了大批就業(yè)崗位，但依附于西方技術(shù)標準、沒(méi)有自己編譯器和軟件開(kāi)發(fā)工具、應用軟件強而基礎軟件弱已成為中國軟件產(chǎn)業(yè)的內傷。

　　底層研發(fā)人才匱乏的另一個(gè)表現就是圍繞國產(chǎn)硬件平臺的應用開(kāi)發(fā)能力和適配軟件優(yōu)化能力嚴重不足，國內非常多做手機APP、網(wǎng)游、頁(yè)游的程序員，你讓他們在國外技術(shù)框架下寫(xiě)能在X86、ARM芯片上跑的APP、網(wǎng)游、頁(yè)游程序，他們沒(méi)問(wèn)題。但你讓他們脫離國外技術(shù)框架去給走自主路線(xiàn)的龍芯、申威開(kāi)發(fā)軟件，就未必能做出來(lái)了，至于針對龍芯、申威平臺進(jìn)行軟硬件磨合優(yōu)化則根本無(wú)所適從，缺乏對國產(chǎn)系統架構平臺的適配調優(yōu)能力。由于不掌握從硬件角度進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)與調優(yōu)的能力，一旦遭遇基礎軟件系統不完善，就不知該如何解決。在上層應用系統與系統結構的磨合適配方面也存在一定問(wèn)題——應用開(kāi)發(fā)對X86架構形成依賴(lài)和慣性，而應用設計的不足被X86平臺強大的性能掩蓋。

　　推行計算機教育改革試點(diǎn)

　　若要系統能力的培養則需要從硬件開(kāi)源做起，讓學(xué)生有更多機會(huì )了解并設計自己的處理器，使學(xué)生掌握如何“造”計算機而不是如何“用”計算機，使學(xué)生對計算機系統融會(huì )貫通——當鼠標點(diǎn)一下屏幕打開(kāi)一個(gè)網(wǎng)頁(yè)的過(guò)程中，搞清楚有關(guān)瀏覽器、圖形系統、操作系統內核等是如何協(xié)同工作的，在完成這些工作過(guò)程中指令和數據是如何在硬件系統的CPU、GPU、南北橋中流動(dòng)的，CPU的微結構中取指、運算、訪(fǎng)存等各個(gè)模塊是如何配合的。

　　對此，中國科學(xué)院大學(xué)為首的高校聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界共同編撰涵蓋本科、碩士、博士的《計算機體系結構》課程。在本科階段，主要強調基礎性和系統性，學(xué)習作為軟硬件界面的指令系統結構，包含CPU、GPU、南北橋協(xié)同的計算機硬件結構，CPU的微結構，并行處理結構，計算機性能分析等五部分主要內容。在碩士階段，主要介紹CPU微結構，包括指令系統結構、二進(jìn)制和邏輯電路、靜態(tài)流水線(xiàn)、動(dòng)態(tài)流水線(xiàn)、多發(fā)射流水線(xiàn)、運算部件、轉移猜測、高速緩存、TLB、多核對流水線(xiàn)的影響等。在博士階段，主要強調實(shí)踐性，通過(guò)設計真實(shí)的(而不是簡(jiǎn)化的)CPU，運行真實(shí)的(而不是簡(jiǎn)化的)操作系統，對結構設計、物理設計、操作系統做到融會(huì )貫通。目前，該課程已經(jīng)在中國科學(xué)院大學(xué)講授。

　　將知識融會(huì )貫通，就離不開(kāi)具體實(shí)踐，在龍芯將GS132和GS232兩款CPU核向高校和學(xué)術(shù)界開(kāi)源后，大學(xué)老師可以基于龍芯平臺設計實(shí)驗課程，使學(xué)生可以在真實(shí)的CPU上運行真實(shí)的操作系統，在龍芯實(shí)驗平臺上啟動(dòng)操作系統并進(jìn)行性能分析。在流水線(xiàn)設計方面，讓學(xué)生把GS132的三級靜態(tài)流水線(xiàn)改造成五級靜態(tài)流水線(xiàn)。在TLB和Cache設計方面，讓學(xué)生在五級GS132處理器核上按MIPS32規范實(shí)現TLB及Cache，運行通用操作系統，進(jìn)行有/無(wú)Cache的性能分析。在雙發(fā)射結構設計方面，把GS132處理器核改造成雙發(fā)射CPU，進(jìn)行單發(fā)射和雙發(fā)射性能比較。在動(dòng)態(tài)流水線(xiàn)設計方面，在GS232基礎上改寫(xiě)部分模塊(如乘法器、保留站等)進(jìn)行靜態(tài)單發(fā)射、靜態(tài)雙發(fā)射、動(dòng)態(tài)雙發(fā)射的性能分析。

　　此外，龍芯還研發(fā)了CPU實(shí)驗平臺、操作系統實(shí)驗平臺、并行處理實(shí)驗平臺等數款龍芯教學(xué)平臺，通過(guò)為高校提供完整的線(xiàn)上、線(xiàn)下實(shí)驗環(huán)境，助力教學(xué)改革和計算機專(zhuān)業(yè)學(xué)生的系統能力培養，實(shí)現“設計真實(shí)處理器，運行真實(shí)操作系統”。

　　據了解，復旦大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)、南京航空航天學(xué)院、東北林大、金陵科技學(xué)院、大連海洋大學(xué)將開(kāi)展基于龍芯平臺的教育試點(diǎn)。雖然中國計算機人才質(zhì)量不高、行業(yè)技術(shù)原創(chuàng )少、依附跟隨外國技術(shù)等問(wèn)題不是僅僅設計一個(gè)專(zhuān)業(yè)課程，增加學(xué)生工程規模的系統實(shí)踐就能解決的，但這畢竟是一個(gè)好的開(kāi)始，筆者還是衷心希望本次的計算機教育改革試點(diǎn)能解決部分現存的問(wèn)題，為國家培養更多的專(zhuān)業(yè)人才。