2020年8月國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》提出，中國(guó)芯片自給率要在2025年達(dá)到70%。被稱為國(guó)產(chǎn)芯片“四大件”的CPU、GPU、FPGA、DSP無(wú)論對(duì)于國(guó)產(chǎn)芯片自給率的提升還是解決高端芯片“卡脖子”問題都意義深遠(yuǎn)。

雷鋒網(wǎng)推出的《國(guó)產(chǎn)芯片四大件》系列文章，分別解讀國(guó)產(chǎn)CPU、GPU、FPGA、DSP的現(xiàn)狀，透過投資者視角發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)芯片機(jī)遇。

作者 | 包永剛

出品 | 雷鋒網(wǎng)產(chǎn)業(yè)組

美國(guó)對(duì)中國(guó)芯片行業(yè)的卡脖子，讓我們意識(shí)到在別人的墻基上砌房子，再大再漂亮也可能經(jīng)不起風(fēng)雨，甚至?xí)豢耙粨簟Ｒ沧寚?guó)內(nèi)芯片行業(yè)吵了幾十年的“引進(jìn)吸收”還是“自主研發(fā)”明確了方向，五中全會(huì)首次明確提出，要把科技自強(qiáng)自立作為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的支撐。

作為芯片產(chǎn)業(yè)最重要的芯片之一，CPU實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)自主可控對(duì)支撐國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展和保證信息安全都至關(guān)重要。2021年4月15日，堅(jiān)持了20年自主研發(fā)的龍芯中科技術(shù)股份有限公司正式推出龍芯自主指令系統(tǒng)架構(gòu)LoongArch，實(shí)現(xiàn)了歷史性的突破，讓中國(guó)的芯片從必然王國(guó)走到自由王國(guó)。

完全自主在國(guó)內(nèi)多次被“打假”后，龍芯自主指令系統(tǒng)架構(gòu)（LoongArch）能否經(jīng)得起檢驗(yàn)？在強(qiáng)大的Wintel（Windows+Intel）和AA（Android+Arm）格局下，龍芯建立全球CPU的第三套生態(tài)有沒有機(jī)會(huì)成功？中國(guó)核心技術(shù)的發(fā)展，為什么不應(yīng)幻想彎道超車？

從MIPS到完全自主可控LoongArch

龍芯中科2010年脫胎于中科院計(jì)算所，很長(zhǎng)一段時(shí)間，龍芯都是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多堅(jiān)持CPU自研，走芯片自主可控路線的少數(shù)派。

公司創(chuàng)立的前五年，龍芯主攻工控市場(chǎng)，2015年龍芯CPU出貨幾萬(wàn)顆，從無(wú)到萬(wàn)顆用了五年。這并沒有動(dòng)搖龍芯堅(jiān)持自主可控的決心。“十三五”期間，龍芯一方面繼續(xù)深耕工控市場(chǎng)，一方面開始進(jìn)軍電子政務(wù)市場(chǎng)，出貨量不斷增加，2019年出貨幾十萬(wàn)顆，從幾萬(wàn)顆到幾十萬(wàn)顆的出貨量用了四年。

2020年，龍芯自主CPU的出貨量又提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了百萬(wàn)級(jí)。龍芯中科董事長(zhǎng)兼龍芯CPU首席科學(xué)家胡偉武告訴雷鋒網(wǎng)：“龍芯經(jīng)過過去20年完成了技術(shù)補(bǔ)課，CPU不斷迭代，我覺得2022年我們的CPU能夠穩(wěn)定在每年幾百萬(wàn)片的出貨量，我們也將逐步走向開放市場(chǎng)。”

龍芯中科董事長(zhǎng)兼龍芯CPU首席科學(xué)家胡偉武

完成技術(shù)補(bǔ)課準(zhǔn)備走向開放市場(chǎng)的龍芯在2018年左右發(fā)現(xiàn)，MIPS已經(jīng)不是他們最好的選擇。“龍芯過去基于MIPS指令系統(tǒng)研制CPU并發(fā)展軟件生態(tài)，經(jīng)過20年的努力，不管是軟件生態(tài)還是CPU核，龍芯的設(shè)計(jì)都超過MIPS公司。MIPS社區(qū)大概三分之二的維護(hù)工作都是龍芯在做，像瀏覽器、Java、媒體播放器等，MIPS公司主要是維護(hù)CPU內(nèi)核和基礎(chǔ)編譯器。另外，MIPS有些技術(shù)特征很老了，MIPS頂層的64個(gè)指令槽基本上用完了，要加指令也比較難加了，像延遲槽也成為一個(gè)設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。”胡偉武說。

這是龍芯放棄MIPS的內(nèi)因，外因是MIPS的所有權(quán)一直在變化。

“那時(shí)候我想明白了一個(gè)道理，采用授權(quán)指令系統(tǒng)可以研制產(chǎn)品，但不可能形成自主產(chǎn)業(yè)生態(tài)，就像中國(guó)人可以用英文寫文章，但不可能基于英文形成民族文化。。于是在內(nèi)因和外因的共同作用下，我們決定自主開發(fā)一套指令集架構(gòu)。”胡偉武表示。

為了LoongArch能夠長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，龍芯中科高度重視與龍芯架構(gòu)相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，委托了國(guó)內(nèi)第三方知識(shí)產(chǎn)權(quán)機(jī)構(gòu)對(duì)龍芯基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行了深入細(xì)致的知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)估，將LoongArch與ALPHA、ARM、MIPS、POWER、RISC-V、X86等國(guó)際上主要指令系統(tǒng)有關(guān)資料和幾萬(wàn)件專利進(jìn)行深入對(duì)比分析。

今年1月第三方機(jī)構(gòu)得到了三個(gè)評(píng)估結(jié)果：

LoongArch在指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)、指令格式、指令編碼、尋址模式等方面進(jìn)行了自主設(shè)計(jì)。LoongArch指令系統(tǒng)手冊(cè)在章節(jié)結(jié)構(gòu)、指令說明結(jié)構(gòu)和指令內(nèi)容表達(dá)方面與上述國(guó)際上主要指令系統(tǒng)存在明顯區(qū)別。LoongArch基礎(chǔ)架構(gòu)未發(fā)現(xiàn)對(duì)上述國(guó)際上主要指令系統(tǒng)中國(guó)專利的侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)。

接下來，龍芯中科和第三方知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)估機(jī)構(gòu)還會(huì)進(jìn)行境外專利分析和進(jìn)一步的知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估情況逐步發(fā)布完整的LoongArch指令系統(tǒng)手冊(cè)。

2030年基本建成全球第三套CPU生態(tài)體系

龍芯能推出自主CPU指令集系統(tǒng)的9個(gè)能力

CPU指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的軟硬件界面，是CPU所執(zhí)行的軟件指令的二進(jìn)制編碼格式規(guī)范。胡偉武說：“過去把指令系統(tǒng)和CPU芯片聯(lián)系起來比較多，其實(shí)指令系統(tǒng)更多關(guān)系到的是軟件生態(tài)，比如X86支撐Windows生態(tài)、ARM支撐Android生態(tài)。只要把軟件想清楚了，CPU換指令系統(tǒng)并不難。”

推出一個(gè)指令系統(tǒng)不難，難的是生態(tài)的構(gòu)建，這是芯片業(yè)界的共識(shí)。胡偉武說，“我們敢于構(gòu)建新的指令系統(tǒng)的生態(tài)，是因?yàn)檫^去20年的積累讓我們掌握了9個(gè)能力。”

這9個(gè)能力每三個(gè)分為一類，第一類是3個(gè)基礎(chǔ)編譯器，包括GCC、LLVM、GOLANG；第二類是三個(gè)虛擬機(jī)，包含Java虛擬機(jī)、JavaScript虛擬機(jī)、.NET虛擬機(jī)；第三類是二進(jìn)制翻譯系統(tǒng)，包括X86、ARM和MIPS指令系統(tǒng)的翻譯。

編譯器是將C語(yǔ)言這類高級(jí)語(yǔ)言編為機(jī)器標(biāo)碼，因?yàn)橛虚_源，許多經(jīng)驗(yàn)豐富的團(tuán)隊(duì)都能開發(fā)編譯器。

“更上一層就是虛擬機(jī)，全球一大半的服務(wù)器都跑在Java上，.NET與Java一樣，一個(gè)屬于微軟體系，一個(gè)屬于Linux體系。JavaScript是瀏覽器的核心引擎。因此虛擬機(jī)也很重要。”胡偉武解釋，“目前很多應(yīng)用軟件都構(gòu)建在上述三個(gè)虛擬機(jī)上，龍芯自主指令系統(tǒng)只要支持上述三個(gè)虛擬機(jī)，那一半以上的已有應(yīng)用軟件就可以不用遷移直接運(yùn)行。要掌握生態(tài)的主導(dǎo)權(quán)，關(guān)鍵就在于虛擬機(jī)的能力。”

二進(jìn)制翻譯的能力，是考慮到自主和兼容，為生態(tài)發(fā)展提供的基礎(chǔ)能力。“LoongArch的基礎(chǔ)指令有300多條，為了二進(jìn)制翻譯，兼容x86、ARM以及MIPS，我們又增加了近200條指令。”胡偉武進(jìn)一步表示，“LoongArch通過軟硬結(jié)合，提升了兼容其他指令系統(tǒng)應(yīng)用的二進(jìn)制翻譯效率，這方面我們有十幾年的積累。我們希望，到2025年前后，在龍芯的LoongArch平臺(tái)上可以不運(yùn)行Windows但能運(yùn)行Windows應(yīng)用，不運(yùn)行Android但能運(yùn)行Android應(yīng)用。”

不僅如此，LoongArch還拋棄了MIPS的很多歷史負(fù)擔(dān)，結(jié)合新的應(yīng)用特點(diǎn)增加了一些新的功能，這樣僅指令系統(tǒng)就能帶來10%-20%的性能提升，硬件要實(shí)現(xiàn)這樣的提升需要大概兩代。

雷鋒網(wǎng)了解到，屬于RISC（精簡(jiǎn)指令集）的LoongArch總共有近2000條指令，包含基礎(chǔ)架構(gòu)部分和向量指令、虛擬化、二進(jìn)制翻譯等擴(kuò)展部分，具有完全自主、技術(shù)先進(jìn)、兼容生態(tài)的三個(gè)特點(diǎn)。

有組織的開放建設(shè)生態(tài)

“兼容其它指令系統(tǒng)只是建設(shè)生態(tài)的輔助性手段，我們的目標(biāo)是打造全球第三套CPU生態(tài)體系，為人民做龍芯。”胡偉武說：“全球的IT產(chǎn)業(yè)被Wintel體系和AA體系制約，只要硅谷的企業(yè)產(chǎn)品升級(jí)，中國(guó)和其它國(guó)家的企業(yè)就得跟著升級(jí)，我們沒有產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)權(quán)。”

回看intel和ARM的成功，上世紀(jì)九十年代，小企業(yè)intel做芯片，把基礎(chǔ)軟件平臺(tái)開放給生態(tài)合作伙伴來做，打敗了封閉的大企業(yè)IBM。進(jìn)入新世紀(jì)以來，比intel更加開放的ARM只提供IP，也取得了巨大的成功。

胡偉武說LoongArch的生態(tài)是要有組織的開放，建立生態(tài)。“要建設(shè)好一個(gè)生態(tài)首先要開放，組建聯(lián)盟吸引生態(tài)合作伙伴。其次還要兼容，無(wú)組織的開放會(huì)造成嚴(yán)重碎片化，生態(tài)沒辦法發(fā)展起來，要找到開放和兼容的平衡點(diǎn)。最后還需要系統(tǒng)優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)的體驗(yàn)提升。”

那誰(shuí)會(huì)加入龍芯的CPU生態(tài)？胡偉武認(rèn)為非常明確的至少有兩類公司，一類是針對(duì)特定應(yīng)用做SoC的公司，這些公司只要加入龍芯生態(tài)聯(lián)盟就可以使用LoongArch指令系統(tǒng)，并且能夠免費(fèi)使用像ARM Cortex A53和A57性能級(jí)別的龍芯CPU IP核，用于各種SoC設(shè)計(jì)，這也是龍芯已有的客戶。

另一類是整機(jī)和解決方案公司，龍芯有信心LoongArch芯片性能不會(huì)比其它指令系統(tǒng)的CPU弱，隨著性能的提升，總體性價(jià)比也會(huì)更高。

“我們基于LoongArch除了發(fā)展面向桌面、服務(wù)器應(yīng)用的通用信息系統(tǒng)平臺(tái)，還可以做出新的平臺(tái)，比如我們可以建設(shè)一個(gè)面向制造業(yè)的平臺(tái)，在該平臺(tái)上把各種裝備和設(shè)備APP化，如高鐵APP，飛機(jī)APP等。”胡偉武說。

也就是說，無(wú)論是收復(fù)失地還是開疆拓土，龍芯開放生態(tài)都能吸引參與者。

目前，首款支持LoongArch的龍芯CPU 3A5000處理器芯片已經(jīng)流片成功，14nm的LoongArch CPU比ARM 7nm的CPU性能更強(qiáng)，已經(jīng)接近市場(chǎng)主流產(chǎn)品水平。

“LoongArch的技術(shù)和工程的路已經(jīng)走通，今年下半年我們工作的重點(diǎn)就會(huì)轉(zhuǎn)向生態(tài)建設(shè)，我預(yù)計(jì)2025年龍芯的CPU出貨量將達(dá)到千萬(wàn)級(jí)，生態(tài)建設(shè)也將邁出一大步。”胡偉武表示，“在國(guó)內(nèi)建設(shè)新的CPU生態(tài)，沒有人和我競(jìng)爭(zhēng)，快慢由我。保守估計(jì)，到2030年我們應(yīng)該可以初步建成基于Loongarch的生態(tài)體系。”

堅(jiān)定自主路線，堅(jiān)持30年建設(shè)自主生態(tài)

“發(fā)展核心技術(shù)不要幻想‘彎道超車’，像芯片這樣的高復(fù)雜系統(tǒng)能力建設(shè)需要以30年為周期，不能經(jīng)常‘翻燒餅’，別人封鎖時(shí)我們自己研制，別人放開了我們又放棄自主。龍芯已經(jīng)干了20年了，相信再有10年，我們能初步建成第三套體系。”胡偉武強(qiáng)調(diào)。

五中全會(huì)首次明確科技自立自強(qiáng)作為國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐，這可以視作芯片行業(yè)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在中美摩擦越來越多的背景下，支持芯片自主研發(fā)的人也越來越多。

但要實(shí)現(xiàn)完全自主可控，三個(gè)環(huán)節(jié)都要做好。第一個(gè)環(huán)節(jié)是IP核以及EDA工具的芯片研發(fā)，龍芯CPU芯片的IP核主要自主研發(fā)，過去二十年積累了自主研發(fā)的CPU、GPU、內(nèi)存控制器、高速接口控制器、工業(yè)接口控制器等上百種IP核，但EDA工具的卡脖子問題想要解決依舊需要時(shí)間。

第二個(gè)環(huán)節(jié)就是基于自主指令系統(tǒng)的軟件生態(tài)，龍芯的LoongArch可以建設(shè)CPU的第三套生態(tài)。

第三個(gè)環(huán)節(jié)是基于自主材料設(shè)備的生產(chǎn)工藝。“大趨勢(shì)是，7nm之后的工藝是小眾工藝，工控CPU 28nm足夠了，桌面CPU 14nm就足夠了，服務(wù)器CPU 7nm足夠了。我們國(guó)家發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)不應(yīng)該總盯著7nm、5nm甚至3nm，先實(shí)現(xiàn)28nm和14nm的全自主，有了扎實(shí)的基礎(chǔ)迭代起來不會(huì)慢。” 胡偉武認(rèn)為，“材料的自主可控會(huì)容易一些，設(shè)備稍微難一些。總體而言，十四五期間我們可以初步緩解集成電路材料和設(shè)備受制于人問題，要實(shí)現(xiàn)根本緩解則需要兩個(gè)五年時(shí)間。”

龍芯如今的成績(jī)已經(jīng)證明了堅(jiān)定自主研發(fā)不僅是可行的路線，而且是正確的路線。我們總在說要彎道超車，但目前看來我們沒有一次成功。IT產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)就像蓋樓，每層樓兩大核心技術(shù)。第一層樓是CPU和操作系統(tǒng)，第二層樓是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖形技術(shù)，第三層樓是虛擬化技術(shù)和智能化技術(shù)。我們不可能不蓋前兩層直接蓋第三層。

因?yàn)楹髞碚咭坏┯谐揭延猩鷳B(tài)控制者的趨勢(shì)，就會(huì)受到各種阻礙。并且使用別人的授權(quán)，還可能受到非常嚴(yán)苛的審計(jì)，這是許多公司還未意識(shí)到的風(fēng)險(xiǎn)。

走自主研發(fā)的道路，在技術(shù)發(fā)展的初期一定會(huì)有巨大的技術(shù)和生態(tài)挑戰(zhàn)，但我們的優(yōu)勢(shì)在于有廣闊的市場(chǎng)和優(yōu)秀的制度，在市場(chǎng)帶技術(shù)的模式下，最終肯定能發(fā)展起來。龍芯在工控和電子政務(wù)的成功就是最好的例子，這也是龍芯能在2015年實(shí)現(xiàn)盈虧平衡，并在“十三五”期間實(shí)現(xiàn)CPU單核通用處理性能提高十倍、銷售收入提高十倍的“雙十倍”跨越，在2021年推出自主指令系統(tǒng)架構(gòu)底氣所在。

堅(jiān)定目標(biāo)，保持耐心，相信中國(guó)的CPU生態(tài)在所有參與者的共同努力下能夠?qū)崿F(xiàn)安全的自主可控，與X86和ARM生態(tài)在全球三足鼎立，你中有我，我中有你共同向前發(fā)展。