龍芯曲折的自主CPU之路

通用CPU被稱(chēng)作是集成電路中的“珠穆朗瑪峰”，對集成電路和軟件產(chǎn)業(yè)具有基礎性和帶動(dòng)性作用。但CPU的微架構需要長(cháng)期積累，且需要對應用、操作系統、編譯、邏輯和電路的行為都融會(huì )貫通。我國由于缺少自主的CPU技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，在信息產(chǎn)業(yè)嚴重受制于人。在自主CPU的研發(fā)道路上，國內以龍芯為代表的企業(yè)手握自主創(chuàng )新的“槍桿子”走過(guò)了坎坷的十八年。

行走在路上的龍芯

回顧龍芯十八年多的發(fā)展歷史，走的是“之”字形的發(fā)展道路，彎路比直路多。 

2000年10月，一個(gè)偶然的機緣，胡偉武開(kāi)始參與中科院計算所的CPU開(kāi)發(fā)項目。

2001年8月，中國自主研發(fā)的龍芯1號FPGA成功地運行了Linux操作系統。

2002年8月10日，“龍芯1號”問(wèn)世，中國人結束了只能用國外CPU造計算機的歷史，被業(yè)內人士譽(yù)為民族科技產(chǎn)業(yè)化道路上的一個(gè)里程碑。

2003年4月18日，由中科院計算技術(shù)研究所自主研發(fā)的國產(chǎn)首款64位高性能通用CPU——“龍芯2號”問(wèn)世。龍芯2號在性能上有著(zhù)大幅提高，對我國行成具有自主知識產(chǎn)權的計算機產(chǎn)業(yè)有著(zhù)重要的推動(dòng)作用。

此后研制龍芯3號系列CPU發(fā)展道路之曲折、奮斗之艱辛，付出之巨大無(wú)人知曉，直到2016年，龍芯3A3000才研制成功，因2016年是紅軍長(cháng)征勝利80周年，因此以CZ80命名，每顆芯片的硅片上都刻有CZ80字樣。

十年來(lái)，龍芯先后研制了龍芯3A1000、3B1000、3B1500、3A2000/3B200、3A3000/3B3000五款龍芯3號系列芯片。為什么龍芯CPU研制經(jīng)歷這么多坎坷呢？除了龍芯的質(zhì)量流程需要持續改進(jìn)以外，究其根本原因，是因為龍芯始終堅持芯片中的核心模塊自己研制，龍芯長(cháng)期堅持芯片中的核心IP自己掌握。

胡偉武在《龍芯的足跡》一書(shū)中寫(xiě)到：“做任何事情，依靠別人總是容易一些，完全靠自己則困難的多。但依靠的多了，吃過(guò)虧后才明白還得靠自己”。

比肩AMD，龍芯新一代CPU實(shí)現自主可控

那么自主CPU與國外先進(jìn)水平主要差距在哪？在胡偉武看來(lái)，自主CPU在技術(shù)上的核心問(wèn)題是由于沒(méi)有很好地掌握處理器的微架構技術(shù)，自主處理器單核性能較低，而不是處理器核不夠多，在CPU芯片中多放些處理器核是容易的，難的是要把處理器核做好。再就是通用處理能力和設計能力不行。

龍芯的設計原則是練好內功，通過(guò)設計優(yōu)化來(lái)提高單核通用處理性能。在昨天的龍芯新產(chǎn)品發(fā)布暨用戶(hù)大會(huì )上，龍芯發(fā)布了新一代通用CPU產(chǎn)品3A4000/3B000。3A4000/3B000基本完成了單核通用處理性能“補課”。

龍芯3A4000/3B4000在片內集成了安全機制，實(shí)現自主可控和安全可靠的統一。3A4000/3B4000主要有三大特點(diǎn)：

特點(diǎn)一：相同工藝性能（28nm）成倍提高 

龍芯3A4000/3B4000使用與上一代產(chǎn)品3A3000/3B3000相同的28nm工藝，通過(guò)設計優(yōu)化成倍提升性能。具體可表現為SPEC CPU2006單核peak分值雙21分，base分值雙18分；3B4000支持四路直連，四路服務(wù)器性能是3B3000雙路服務(wù)器的四倍；科學(xué)計算性能是3A3000的四倍以上，支持128/256位向量；據胡偉武介紹，3A4000通用處理性能與AMD公司28nm工藝最后產(chǎn)品“挖掘機”處理器相當，且單核性能高于用14nm實(shí)現的ARM處理器。

特點(diǎn)二：片內安全機制 

龍芯3A4000/3B4000能夠從機制上有效防范Meltdon和Spectre等漏洞，支持MD5、AES、SHA等加解密算法，支持專(zhuān)用安全可信模塊及國密算法，支持“影子?！钡仍L(fǎng)問(wèn)控制機制。據龍芯中科董事長(cháng)胡偉武介紹，傳統的CPU安全機制只是在處理器核外增加安全可信模塊，龍芯3A40003B4000專(zhuān)門(mén)在處理器核內設計了安全控制機制，從而達到本質(zhì)安全。

特點(diǎn)三：一如既往地自主研發(fā) 

龍芯3A4000/B4000一如既往地強調自主研發(fā)。芯片中的所有功能模塊，包括CPU核心、片內互聯(lián)總線(xiàn)、DDR4內存控制器及各種接口模塊等的所有源代碼均自主設計。芯片中各類(lèi)全定制模塊，包括多端口寄存器堆、鎖相環(huán)、DDR4PHY、PLL等均自主研發(fā)。除了流片廠(chǎng)家提供的基本設計環(huán)境，龍芯3A4000/3B4000沒(méi)有使用任何第三方IP。

3A4000/3B4000使用龍芯公司最新研制的新一代處理器核GS464V，主頻1.8ghz-2.ghz，通過(guò)優(yōu)化功耗管理，基于龍芯3A4000筆記本工作時(shí)間比上一代產(chǎn)品延長(cháng)一倍以上。采用37.5mm*37.5mm封裝工藝，還支持BGA、LGA以及CBGA的多種封裝形式，同時(shí)其桌面主板可支持四層布線(xiàn)。

胡偉武還指出，3A4000/3B4000還存在一些問(wèn)題，例如DDR4內存頻率不夠高，功耗偏大，但這也是龍芯進(jìn)一步改進(jìn)的動(dòng)力。下一步龍芯的主要工作重點(diǎn)就是提高主頻和核數。龍芯將于明后年推出使用12nm工藝的四核3A5000和16核3C5000，其主頻將提高到2.5GH以上，通用處理性能將達到當時(shí)AMD的水平，3A5000通過(guò)工藝改進(jìn)提高主頻，3C5000工藝改進(jìn)增加核數。通過(guò)20年積累完成CPU性能“補課”。

龍芯操作系統的“三條線(xiàn)、兩個(gè)面”

龍芯的“初心”是打造獨立于Wintel和AA （ARM+Android）的第三大生態(tài)體系。優(yōu)秀的生態(tài)有三個(gè)重要特點(diǎn):一是開(kāi)放，越開(kāi)放合作伙伴越多，產(chǎn)業(yè)生態(tài)力量越大，Google和ARM做得最好；二是兼容，越兼容越容易形成合力，產(chǎn)業(yè)生態(tài)不易碎片化，Intel和微軟做得最好；三是優(yōu)化，以用戶(hù)體驗為中心，通過(guò)軟硬件緊密結合進(jìn)行優(yōu)化，蘋(píng)果做得最好。

他山之石，可以攻玉。經(jīng)過(guò)多年探索，龍芯形成了“Intel+ Google+ Apple”的商業(yè)與技術(shù)模式。一是學(xué) Intel商業(yè)上形成CPU、OS、ODM核心并向外輻射，技術(shù)上做好 Outside規范，保持結構的兼容和穩定，實(shí)現操作系統級二進(jìn)制兼容。二是學(xué) Google“做OS但不賣(mài)OS”，谷歌研制 Android但不賣(mài) Android操作系統，而小米的米OS和華為的麒麟OS均基于 Google的 Android；龍芯研制 Loongnix形成龍芯CPU的基礎版操作系統并免費開(kāi)放給合作伙伴，支持合作伙伴推出發(fā)行版操作系統產(chǎn)品。三是學(xué) Apple以用戶(hù)體驗為中心從全系統角度進(jìn)行優(yōu)化，把細節做精。

結合龍芯生態(tài)建設的要求，龍芯在實(shí)踐中形成了軟件生態(tài)“三條線(xiàn)、兩個(gè)面”的總體思路。

龍芯操作系統的“三條線(xiàn)”： Loongnix面向通用信息化系統，基于通用Linux平臺進(jìn)行完善和優(yōu)化，為統一操作系統龍芯版提供支持；LoongOS面向高可靠實(shí)時(shí)終端，基于Linux/RT-Linux構建簡(jiǎn)潔高效的OS，沒(méi)有Xserver的圖形系統；LoongWorks面向實(shí)時(shí)嵌入式應用，針對歷史應用，基于VxWorks內核，完善圖形、網(wǎng)絡(luò )等API，把VxWorks從“DOS”階段升級到Windows階段；龍芯操作系統的“兩個(gè)面”指的是在“三條線(xiàn)”的基礎上，通過(guò)統一系統架構實(shí)現操作系統跨硬件的二進(jìn)制兼容，完善API實(shí)現應用的二進(jìn)制兼容及優(yōu)化。 

一是面向硬件，對不同主板實(shí)現二進(jìn)制兼容，ARM系統做不到OS的二進(jìn)制兼容，其設計OS、BIOS、橋片等多方面規范，ARM只能管住CPU核及AMBA總線(xiàn)，Intel能管住UEFI、PCI軟件協(xié)議等；

二是面向應用，對不同應用實(shí)現二進(jìn)制兼容，API是OS的指令系統，也是建立生態(tài)的必爭之地，我國用JS和Java編程的工程師數以百萬(wàn)計，但會(huì )寫(xiě)JS和java虛擬機的不到百人，再加上開(kāi)源軟件的不兼容性，使得瀏覽器升級就會(huì )導致應用的不兼容。龍芯通過(guò)基礎版操作系統管住這“兩個(gè)面”。

本次發(fā)布會(huì )龍芯中科發(fā)布了統一系統架構的標準規范體系，并通過(guò)與OEM/ODM廠(chǎng)商簽署認證協(xié)議建立產(chǎn)品認證體系。從龍芯3A4000/3B4000起，龍芯的參考設計全面支持統一系統架構，CPU和主板升級均不影響操作系統及應用的兼容性。

通過(guò)統一系統架構保持操作系統跨硬件平臺的進(jìn)制兼容可以大幅提高系統開(kāi)發(fā)的效率。在 Wintel的平臺上，不管是誰(shuí)做的主板，一套 Windows操作系統都能裝。

不管是多新的CPU，十年前的 Windows XP還能裝。通過(guò)指令系統兼容可以實(shí)現應用程序的二進(jìn)制兼容，但要實(shí)現操作系統的二進(jìn)制兼容則需要從包括CPU、橋片、BIOS、操作系統等全系統的角度進(jìn)行規范并保持長(cháng)期兼容。

在統一系統架構的總要求下，實(shí)現了主板、固件、內核層面的兼容，并支持ACPI的UEFI固件，把硬件細節抽象為OS對地址空間的訪(fǎng)問(wèn)，通過(guò)ACPI表向OS提供啟動(dòng)配置/運行時(shí)配置和以OS為主導的電源管理。除此之外，還有檢測工具集合認證協(xié)議。

龍芯中科副總裁張戈在題為《龍芯生態(tài)及解決方案分享》的演講中表示，隨著(zhù)相關(guān)市場(chǎng)需求的不斷拉動(dòng)，龍芯的合作伙伴已經(jīng)增至近千家，下游基于龍芯的開(kāi)發(fā)人員達到數萬(wàn)人，2019年龍芯芯片出貨量已經(jīng)達到50萬(wàn)顆以上，在國產(chǎn)化應用中市場(chǎng)份額遙遙領(lǐng)先。

國產(chǎn)CPU要不怕遠征難

世界上做CPU的企業(yè)中，凡是不做生態(tài)或者跟生態(tài)的CPU企業(yè)都活不好。

Intel是一個(gè)做生態(tài)的企業(yè)，佛教《百喻經(jīng)》中有一個(gè)“三重樓喻”，在信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)也有“三重樓喻”，第一層是CPU技術(shù)+操作系統技術(shù)，即通用CPU；第二層是網(wǎng)絡(luò )技術(shù)+圖形/媒體技術(shù)，即GPU，Intel的通用打敗思科的專(zhuān)用，片內集成GPU擺脫對英偉達的依賴(lài)；第三層是AI技術(shù)+虛擬化技術(shù)，如NPU。在芯片內部結構復雜度上，如果CPU的微結構復雜度是1，GPU的復雜度為0.3-0.5，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )處理器NPU的復雜度則小于0.1。

胡偉武指出，龍芯的三層樓要一層層蓋。經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，到2020年自主CPU和OS基本完成“補課”，CPU通用處理性能已達到AMD水平，OS成熟度也已接近Windows XP。但應用不夠豐富和產(chǎn)業(yè)不配套成為自主CPU和OS發(fā)展的下一個(gè)瓶頸，過(guò)去我國的信息化應用主要構建在國外Wintel和AA等平臺上，在CPU、GPU、網(wǎng)絡(luò )等的產(chǎn)業(yè)鏈配套不足。

因此未來(lái)CPU與應用軟硬件企業(yè)應該相向而行，龍芯將不斷完善基礎軟件環(huán)境（如NET等）和配套芯片（如GU、電源時(shí)鐘芯片），信息化應用軟件企業(yè)應把 Windows上的應用軟件往Linux平臺上遷移。

胡偉武還提到，國產(chǎn)CPU應“不怕遠征難”，縱觀(guān)歷史，高復雜系統能力建設需要以30年為周期，例如“運十”1996年拆解，“C919”2017年首飛。那么有沒(méi)有辦法避免上述耗時(shí)的多輪試錯，一步就上樓？對此，龍芯進(jìn)行了各種嘗試：造不如買(mǎi)，市場(chǎng)換技術(shù)、研不如買(mǎi)、彎道超車(chē)。。。。事實(shí)證明，這些都不是根本的解決辦法。正所謂不同產(chǎn)品需要不同周期，CPU就是個(gè)孩子，千萬(wàn)不能指望2~3年把他養好。

在核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)“爬樓梯”的過(guò)程中，必須要有愚公移山的精神和實(shí)事求是的作風(fēng)，不要幻想彎道超車(chē)，建立自主IT產(chǎn)業(yè)體系需要30年的努力，目前龍芯已發(fā)展19年，正呈現加速發(fā)展態(tài)勢。

芯中科技術(shù)有限公司總裁胡偉武

胡偉武介紹到，改革開(kāi)放以來(lái)，我國發(fā)展核心技術(shù)形成了以“市場(chǎng)換技術(shù)”和“市場(chǎng)帶技術(shù)”為主要特點(diǎn)的兩條道路。所謂市場(chǎng)換技術(shù)，就是通過(guò)合資等方式把中國市場(chǎng)給予國外企業(yè)，希望在合資過(guò)程中得到先進(jìn)技術(shù)；我國汽車(chē)產(chǎn)業(yè)是“市場(chǎng)換技術(shù)”道路的典型代表，事實(shí)證明，走這條道路在發(fā)展核心技術(shù)方面沒(méi)有取得預期的效果。

境外主要CPU企業(yè)均通過(guò)合資或授權方式成為“自主CPU”，要強調自主CPU需“融入”已有生態(tài)。所謂“市場(chǎng)帶技術(shù)”，就是充分發(fā)揮我國體制優(yōu)勢和市場(chǎng)優(yōu)勢，通過(guò)體制內市場(chǎng)引導，形成技術(shù)能力，帶動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，再參與體制外市場(chǎng)競爭；我國航天產(chǎn)業(yè)是“市場(chǎng)帶技術(shù)”道路的典型代表。

事實(shí)證明，走“市場(chǎng)帶技術(shù)”道路更有利于我國發(fā)展和掌握核心技術(shù)。龍芯走的正是市場(chǎng)帶技術(shù)的道路，龍芯CPU通過(guò)自主編寫(xiě)CPU源代碼，并在應用中不斷演進(jìn)，強調自主CPU要建立自主生態(tài)（獨立于 intel體系和AA體系）。要同臺競技需先通過(guò)樓梯“上臺”，一步樓梯就是一次在市場(chǎng)應用中試錯，不斷的試錯，才能促使性能的提高和生態(tài)的完善。

龍芯OS在試錯中不斷趨于成熟：第一功能豐富，在主要的功能軟件和大量的IO驅動(dòng)上功能更加豐富；第二架構穩定，實(shí)現了操作系統對不同主板及升級后的CPU二進(jìn)制兼容，涉及CPU、橋片、BIOS、OS的大量細節更加規范化；第三性能優(yōu)化，性能成倍提高，從被動(dòng)優(yōu)化逐漸到主動(dòng)優(yōu)化，另外打造技術(shù)鏈，在每個(gè)局部都不如國外的情況相愛(ài)啊，整體性能優(yōu)于國外系統；第四問(wèn)題收斂，應用現場(chǎng)問(wèn)題追溯到CPU和OS的越來(lái)越少，成熟度更接近Windows XP的水平。

胡偉武指出，走“市場(chǎng)帶技術(shù)”的道路，通過(guò)自主研發(fā)掌握CPU的核心技術(shù)，建立自主可控的信息技術(shù)體系，我們失去的只有鎖鏈，得到的將是整個(gè)世界。走“市場(chǎng)換技術(shù)”的道路，通過(guò)引進(jìn)技術(shù)發(fā)展自主CPU產(chǎn)品，只是將一副鎖鏈換成另外一副鎖鏈。結合過(guò)去龍芯十八年的發(fā)展之路，任何企業(yè)和新技術(shù)在發(fā)展的過(guò)程中，既要埋頭拉車(chē)，又要抬頭看路。