國產(chǎn)龍芯CPU與中國IC產(chǎn)業(yè)策略

　　中國科學(xué)院新聞發(fā)言人在中科院計算所迎十六大創(chuàng )新成就展上隆重宣布，在中科院知識創(chuàng )新工程和國家863計劃支持下，計算所研制成功龍芯一號通用處理器，已通過(guò)產(chǎn)品測試與專(zhuān)家鑒定，可投入商品化生產(chǎn)。

　　一石激起千層浪，社會(huì )各界對這一重大成果盼望已久，反映熱烈。在龍芯一號CPU研制過(guò)程中，我們面臨一系列的技術(shù)決策。技術(shù)路線(xiàn)正確與否不僅影響科研的進(jìn)度，而且將決定龍芯CPU未來(lái)的命運。我國科技界與產(chǎn)業(yè)界至今對如何快速而健康地發(fā)展我國IC產(chǎn)業(yè)，特別是對如何發(fā)展CPU產(chǎn)業(yè)還沒(méi)有達成共識。本文以研制龍芯CPU的策略考慮為基礎，對發(fā)展我國的集成電路設計產(chǎn)業(yè)提出一些觀(guān)點(diǎn)與看法，請教于全國同行，旨在拋磚引玉，希望對決策層盡快做出科學(xué)決策有所裨益。

　　一、跨越與跟蹤

　　我國底子薄、基礎差，發(fā)展高技術(shù)應當以模仿跟蹤為主還是爭取跨越式發(fā)展，已經(jīng)爭論了很多年，科技部制定十五863戰略時(shí)提出要實(shí)現從以跟蹤為主到跨越發(fā)展的轉變，指導思想已經(jīng)明確。但對于比國外落后十多年的CPU技術(shù)，我們有沒(méi)有后發(fā)優(yōu)勢，能不能實(shí)現跨越式發(fā)展，許多人似乎又有點(diǎn)憂(yōu)郁，有點(diǎn)信心不足。

　　在網(wǎng)上經(jīng)?？煽吹竭@樣的議論：國外芯片公司有成千上萬(wàn)的設計高手，每年投入數十億美元研究開(kāi)發(fā)經(jīng)費，中國才投入幾千萬(wàn)元人民幣，就想做先進(jìn)的CPU，只能看成是小孩子玩家家。于是就有人建議：中國只能先從芯片封裝入手，建幾條芯片加工生產(chǎn)線(xiàn)，先做一些美國甚至臺灣IC企業(yè)現在不想做了的事，等掙到一些錢(qián)，跟洋人學(xué)到一些本事再考慮先進(jìn)的芯片設計。這可能是西方某些人心目中的全球經(jīng)濟一體化下的世界分工。

　　我們必須承認，跨越發(fā)展需要一定的條件，包括技術(shù)與經(jīng)驗的積累。因此我們應積極吸引外資(包括臺資)在中國境內建立芯片加工廠(chǎng)、封裝廠(chǎng)、測試廠(chǎng)、半導體設備廠(chǎng)和有關(guān)化工原料廠(chǎng)，盡快在國內形成完整的IC產(chǎn)業(yè)鏈。未來(lái)3-5年內中國有望成為世界IC產(chǎn)業(yè)的重要加工基地，這是我國新的產(chǎn)業(yè)增長(cháng)點(diǎn)，應大力支持發(fā)展。

　　但是，IC加工業(yè)是資金高度密集的產(chǎn)業(yè)，一條0.18微米生產(chǎn)線(xiàn)，一般要投資15億美元以上，國外對先進(jìn)IC加工設備出口中國仍有許多限制，因此：我國在芯片加工方面實(shí)現跨越式發(fā)展難度相當大。相對而言，芯片設計是智力高度密集型產(chǎn)業(yè)，雖然IC設計產(chǎn)業(yè)的收入目前只占整個(gè)IC產(chǎn)業(yè)10%左右，但營(yíng)業(yè)額增長(cháng)率高于制造業(yè)3倍以上。臺灣IC設計業(yè)98年99年的投資回報率分別為21.6%和39%，比IC制造業(yè)的回報率(4.%和12.6%)高幾倍。

　　據麥卡錫公司預測，中國國內IC設計業(yè)2010年的收入可達100億美元。中國目前有200多家IC設計企業(yè)，真正高水平的設計人才可能不到1000人，但是我國有專(zhuān)業(yè)基礎從事芯片前端設計的人力資源豐富，許多研究所和大學(xué)都有不少從事系統和硬件設計的人才。芯片設計的知識產(chǎn)權和專(zhuān)利很多都體現在系統級設計上，尤其是當進(jìn)入片上系統(SoC)設計時(shí)，系統級的創(chuàng )新更加重要。

　　芯片物理設計方面的人才我國非常缺乏，而高水平的物理設計又特別需要經(jīng)驗，這方面人才的培養與引進(jìn)需要一個(gè)過(guò)程。但龍芯一號CPU物理設計的成功表明有系統級設計經(jīng)驗的人轉入物理設計并不是一件高不可攀的事，入門(mén)并不難，只要有一股鉆勁，經(jīng)過(guò)幾年的積累，我國一定會(huì )出現一批物理設計的高手。當然物理設計本身是一門(mén)高深的技術(shù)，微電子專(zhuān)業(yè)的人才是物理設計的主力。因此，我們認為，中國實(shí)現IC產(chǎn)業(yè)跨越發(fā)展的主要希望在芯片設計上。

　　在分析了計算所系統設計方面的技術(shù)儲備與優(yōu)勢后，我們在龍芯一號設計開(kāi)始時(shí)，提出了“高起點(diǎn)，一步到位”的要求。所謂高起點(diǎn)是指盡可能采用先進(jìn)的制造工藝，我們第一次設計和流片生產(chǎn)CPU就跳過(guò)了0.35、0.25微米工藝，選用了目前代加工廠(chǎng)主流的0.18微米工藝。做出這種決策不是盲目地碰運氣，而是通過(guò)與硅谷許多有經(jīng)驗的工程師深入調研分析流片成功的可能性后做出的，從某種意義上講，這也是利用了“后發(fā)優(yōu)勢”，可以“借樹(shù)開(kāi)花”。

　　所謂“一步到位”當然不是指第一次設計就做出性能超過(guò)P4的CPU，而是針對當時(shí)國內有些單位在啟動(dòng)研制386、486的形勢，要求我們在微體系結構上創(chuàng )新，用國際先進(jìn)水平的體系結構實(shí)現64位浮點(diǎn)運算，盡可能實(shí)現技術(shù)上的跨越式進(jìn)步，而不是從模仿80年代技術(shù)開(kāi)始一步一步爬行，并且一開(kāi)始就強調正向自主設計，不采取解剖別人芯片反向設計的路線(xiàn)?！耙徊降轿弧钡牧硪粚右馑际遣蛔龉╄b定用的實(shí)驗室樣片，而是要確保萬(wàn)無(wú)一失，經(jīng)得起產(chǎn)品檢驗，做成可批量生產(chǎn)的芯片。經(jīng)過(guò)一年多努力，龍芯一號達到了預期目的。

　　對CPU設計而言，龍芯一號僅僅是我們邁出的第一步，使計算所初步形成了一支敢于也善于啃硬骨頭的隊伍。我們清醒地認識到，我們現在的CPU設計水平與國際先進(jìn)水平還有很大差距，我們在CPU領(lǐng)域是剛入門(mén)的新兵，而CPU技術(shù)發(fā)展又很快，許多技術(shù)特別是物理設計技術(shù)我們還要老老實(shí)實(shí)地學(xué)習。我們真正期盼的跨越式進(jìn)步的標志性產(chǎn)品是龍芯2號。

　　我們在設計龍芯2號時(shí)，已分析了IntelP4、SUNSPARC、HP的Alpha、IBMPower4等多種主流芯片的微體系結構，要求龍芯2號的體系結構有自己明顯的特色，以最有效的方法實(shí)現四發(fā)射，即一時(shí)鐘周期可同時(shí)執行四條指令(P4實(shí)現了三發(fā)射)，而且要為下一步研制超線(xiàn)程CPU和多處理機CPU打下基礎。計算所與在美國參加過(guò)千萬(wàn)億次計算機研制的高光榮教授成立了先進(jìn)計算機聯(lián)合實(shí)驗室，重點(diǎn)研制多線(xiàn)程機制，爭取實(shí)現幾十個(gè)甚至幾百個(gè)線(xiàn)程并行操作。這項技術(shù)各大公司還在研究之中，我們將爭取以跨越的技術(shù)進(jìn)入國際前列，在龍芯3號龍芯4號中采用。

　　我們主張的跨越式發(fā)展還體現在我們對微處理器發(fā)展趨勢的理解與判斷上。國人對于CPU和操作系統有特殊的感情，把這兩者稱(chēng)為信息技術(shù)的核心技術(shù)。實(shí)際上隨著(zhù)Interent普及與發(fā)展，人們心目中的P3、P4之類(lèi)的CPU和Windows之類(lèi)的操作系統的地位正在不斷下降。在向科學(xué)院領(lǐng)導申請知識創(chuàng )新重大項目時(shí)，我曾說(shuō)過(guò)，龍芯微處理器的目標不是傳統的“CPU”，而是“DPU”，即DistributedProcessorUnit。所謂中央處理器是針對過(guò)去的大型計算機取的名，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )存儲和各式各樣的通信與終端設備直接上網(wǎng)，微處理器將分布在各種設備中。

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　　以后計算機、通信設備(如智能化的路由器等)和信息家電的界限越來(lái)越模糊，新一代的微處理器和現在PC機上的CPU將會(huì )有很大區別，創(chuàng )新的空間很大。MIT很多知名教授聯(lián)合在一起研制可任意重構的新一代芯片(RAWChip)就是一種創(chuàng )新的例子。片上系統(SoC)是今后芯片的重要發(fā)展方向，在SoC研制中，硬件軟件協(xié)同設計將更為重要，編譯技術(shù)也將發(fā)揮更大的作用。中國的芯片設計要跨越發(fā)展，可能要通過(guò)軟件和算法的突破來(lái)彌補硬件加工的不足。系統設計人員在芯片設計產(chǎn)業(yè)中將扮演十分重要的角色?？傊?，我國的芯片產(chǎn)業(yè)不能再走PC產(chǎn)業(yè)走過(guò)的以組裝為主的老路。

　　如果只重視附加值很少的低端芯片或主要用別人的IP“組裝”低端SoC芯片，前途不會(huì )太美好。

　　二、通用與專(zhuān)用

　　可能是受歷代重視“正名”的影響，我國科技界在討論一件事時(shí)，喜歡從定義出發(fā)，在“名字”上做文章。我國CPU的研制尚未真正開(kāi)展起來(lái)，863計劃集成電路重大專(zhuān)項的高性能CPU項目還處在軟課題研究階段，但關(guān)于重點(diǎn)支持所謂通用CPU還是嵌入式CPU的討論已經(jīng)進(jìn)行多次，而且不幸的是誰(shuí)要是講想做通用CPU，馬上就有人反駁：你想趕上IntelP4?這肯定不可能，還是先做點(diǎn)電表控制芯片、身份證卡吧。

　　鄧小平同志有一句名言：“不管白貓黑貓，抓住耗子就是好貓?！彼嬖V我們，我們應關(guān)心“抓住耗子”而不要去爭論白貓好還是黑貓好。國外公司研制芯片只關(guān)心市場(chǎng)有沒(méi)有需求，不會(huì )先浪費時(shí)間論證應該做通用還是嵌入式芯片。從各個(gè)芯片公司的網(wǎng)頁(yè)上我們只會(huì )看到各種型號芯片的介紹，看不到他們將芯片分成通用和嵌入式。

　　從語(yǔ)文的角度上講，“通用”的反義詞是“專(zhuān)用”不是“嵌入式”。所謂嵌入式CPU是指安裝在不是計算機的路由器、手機、電視機、汽車(chē)等設備上的CPU芯片，而裝在PC機、筆記本、工作站、服務(wù)器上的CPU一般稱(chēng)為通用CPU，因為它能執行各種各樣的程序。

　　嵌入式是CPU的一種應用，一般只要求運行某種確定的程序，很多場(chǎng)合的嵌入式應用都要求低功耗，特別是像手機、PDA這類(lèi)手持移動(dòng)設備，低功耗意味著(zhù)充一次電可運行更長(cháng)時(shí)間，因此，低功耗應用追求更高的MIPS/W(每瓦每秒百萬(wàn)指令)，而不是MIPS數。好的嵌入式芯片，如IBMPowerPC750FX每瓦的MIPS數比IntelP4(2.4G)高10倍，但從芯片的指令系統和體系結構而言，所謂通用CPU和嵌入式CPU并沒(méi)有本質(zhì)區別。不論是通用CPU還是嵌入式CPU，只要是低檔產(chǎn)品都容易做而高檔產(chǎn)品都難做。要特別強調的是所謂嵌入式芯片五花八門(mén)，但大都采用通用的CPU核，如MIPS核、ARM核等，從這個(gè)意義上講，通用CPU和嵌入式CPU技術(shù)上是完全相通的，不存在只能選其一的問(wèn)題。

　　在集成電路的發(fā)展歷史上，芯片產(chǎn)品在制造與使用的對立統一中發(fā)展，隨著(zhù)半導體產(chǎn)業(yè)的景氣循環(huán)，總是沿著(zhù)通用與專(zhuān)用循環(huán)往復不斷進(jìn)步。天同證券公司在網(wǎng)上發(fā)表了一篇“半導體產(chǎn)業(yè)行業(yè)研究報告”，對通用專(zhuān)用芯片交替發(fā)展做了一些分析，本段下面引用該文的分析結果。1959年仙童公司推出第一個(gè)硅平面晶體管商品，開(kāi)始了芯片產(chǎn)品第一個(gè)通用循環(huán)周期。

　　其后不久仙童公司又推出面向計算器、電視機的專(zhuān)用標準構件，標志著(zhù)IC產(chǎn)品進(jìn)入第一個(gè)專(zhuān)用循環(huán)周期。70年代Intel公司開(kāi)發(fā)成功微處理器芯片，使IC產(chǎn)品上升到一個(gè)新的通用循環(huán)。80年代隨著(zhù)設計工具的發(fā)展推動(dòng)了一個(gè)產(chǎn)品滿(mǎn)足一個(gè)用戶(hù)要求的專(zhuān)用集成電路(ASIC)發(fā)展，使IC產(chǎn)品進(jìn)入高一級的專(zhuān)用循環(huán)。90年代初又發(fā)展出了可編程門(mén)陣列(FPGA)，用戶(hù)可進(jìn)行軟編程反復改變硬件功能，又進(jìn)行新一輪的準通用循環(huán)。隨著(zhù)ASIC技術(shù)的積累，IC開(kāi)始向片上系統(SoC)發(fā)展，SoC實(shí)質(zhì)上是更高一級的專(zhuān)用系統。隨著(zhù)通用-專(zhuān)用模式的交替發(fā)展，硬件軟件的界限開(kāi)始模糊起來(lái)，IC設計進(jìn)入了基于可重用知識產(chǎn)權(IP)庫的設計階段。

　　IC發(fā)展歷史已表明，通用CPU是IC技術(shù)發(fā)展的源頭。從幾年前開(kāi)始，最先進(jìn)的IC制造工藝首先在通用CPU上使用(過(guò)去曾經(jīng)是DRAM)。

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　　如果我們不敢碰通用CPU，就只能永遠跟著(zhù)別人，處于技術(shù)的下游。在2000年計算所醞釀研制CPU時(shí)，我們曾反復討論過(guò)是買(mǎi)MIPS或ARMCPU核，針對某個(gè)應用做點(diǎn)外圍電路，還是自己做一個(gè)有自主知識產(chǎn)權的MIPSCPU核或類(lèi)似ARM的CPU核。我們的結論是沒(méi)有自己CPU核的芯片產(chǎn)業(yè)就如同沒(méi)有CPU的PC產(chǎn)業(yè)一樣，而研制通用CPU是形成有市場(chǎng)競爭力的CPU核的重要途徑。因為一個(gè)好的CPU核必須經(jīng)過(guò)多種應用的考驗，單獨為汽車(chē)控制等應用做一個(gè)較專(zhuān)用的CPU難以擴充成較通用的CPU核。

　　從網(wǎng)絡(luò )信息安全的角度出發(fā)，我國也需要有自己的通用服務(wù)器CPU。服務(wù)器相當于電網(wǎng)中的發(fā)電站，一旦服務(wù)器受到攻擊，將會(huì )造成大范圍的網(wǎng)絡(luò )癱瘓。服務(wù)器的用量少于終端(美國服務(wù)器的銷(xiāo)售額約為PC機的1/3)，但服務(wù)器CPU做為涉及國家政治、經(jīng)濟、信息安全的核心技術(shù)一定要掌握在自己手里。在龍芯CPU研制時(shí)，從硬件設計上采用了防止緩沖區溢出攻擊的新技術(shù)，可以防止大多數黑客和病毒攻擊(即使軟件有漏洞也能防攻擊)，并申請了10項發(fā)明專(zhuān)利。龍芯一號流片成功后，曙光公司很快就推出了基于龍芯一號的龍騰服務(wù)器，盡管其性能只相當于4-5年前的PC服務(wù)器，但其與眾不同的高安全性對政府、金融、國防等部門(mén)用戶(hù)會(huì )有吸引力。

　　如果我們不從能運行多少程序的角度，而是從芯片推廣數量的角度來(lái)看，所謂通用專(zhuān)用完全是一種定位，沒(méi)有絕對的區別。由于加工芯片制造掩膜費用很高(0.18微米工藝掩膜費用高達30--50萬(wàn)美元)，因此芯片銷(xiāo)售量少必然成本很高，這就如同書(shū)的發(fā)行量越大越便宜一樣。做芯片一定要瞄準量大面廣的市場(chǎng)。量大不一定面廣，比如手機芯片、DVD芯片量很大，但只用于手機與DVD，人們常稱(chēng)為嵌入式芯片或專(zhuān)用芯片。如果一種手機芯片被眾多手機芯片廠(chǎng)商采用，我們也可以說(shuō)它是一種通用的手機芯片。還有一類(lèi)以“面廣”為目標，強調通用性的芯片，如Xilinx和Altera兩家全世界最大的IC設計公司生產(chǎn)的可編程門(mén)陣(PLD)，可用于很多產(chǎn)品中，這當然是一種通用芯片。另外ARMCPU也可認為是一種較通用的芯片。

　　通過(guò)以上分析，我們的結論是我們應重點(diǎn)發(fā)展量大面廣的芯片設計，即較通用的嵌入式芯片，同時(shí)要重視高安全性的服務(wù)器CPU芯片設計。形成較通用的嵌入式CPU核的一條可行途徑是從設計通用CPU入手。通過(guò)應用實(shí)踐再適當裁剪通用CPU比從專(zhuān)用CPU開(kāi)始不斷擴充更合理。雖然國內對低端微控制器芯片仍有一定需求，但從海關(guān)統計數字來(lái)看，不論是CMOS芯片還是其他數字集成電路，大多數進(jìn)口芯片是0.25微米以下工藝生產(chǎn)的芯片。是否在落后工藝下生產(chǎn)量小面窄的嵌入式芯片應由企業(yè)自己判斷決定，國家不能采取只要是嵌入式芯片就支持的短視政策。

　　龍芯一號CPU研制體現了我們制定的發(fā)展戰略，一個(gè)多月來(lái)十多種應用輕松移植，表明龍芯CPU既是一種較通用嵌入式芯片(功耗小于0.5W)可用于網(wǎng)卡網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò )終端計算機(NC)等，同時(shí)也是高安全性的服務(wù)器芯片，可用于網(wǎng)絡(luò )服務(wù)等。明年一季度，基于龍芯一號的SoC芯片將問(wèn)世，更適合于做NC和網(wǎng)絡(luò )設備。

　　剩下的一個(gè)問(wèn)題是我們究竟做不做與Intel兼容并與之競爭的通用CPU芯片。我們的意見(jiàn)是暫時(shí)不做。我國輿論界有一種誤導使許多老百姓認為“信息技術(shù)主要是PC機，PC的核心技術(shù)是P3、P4芯片，芯片的高技術(shù)是高主頻?！睂?shí)際上PC用的CPU只占微處理器數量的1%左右，但銷(xiāo)售收入有200多億美元，占全球1500多億美元IC總收入的15%左右(有機構統計，PC用IC占IC總市場(chǎng)的30-40%)。PC芯片的高收入高利潤是多年來(lái)Wintel聯(lián)盟的“功績(jì)”，我們暫時(shí)不具備實(shí)力與Intel比高低。在未來(lái)的發(fā)展中，各種InternetAppliance(所謂IA產(chǎn)品)增長(cháng)勢頭明顯大于PC，據IDC公司預測2002年IA產(chǎn)品銷(xiāo)售數量將達到1.8億臺，超過(guò)PC機銷(xiāo)售數量。PC機本身也在變化，用戶(hù)未必希望PC機主頻3G、4G這樣升上去。因此我們不能固守“通用CPU=P4”這種思維模式。