逐步走向開放市場 龍芯自主CPU出貨量達(dá)到百萬級

美國對中國芯片行業(yè)的卡脖子，讓我們意識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?。也讓國?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，五中全會首次明確提出，要把科技自強(qiáng)自立作為國家發(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)國產(chǎn)自主可控對支撐國家信息產(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，讓中國的芯片從必然王國走到自由王國。

完全自主在國內(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)會成功?中國核心技術(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，很長一段時間，龍芯都是國內(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，2015 年龍芯 CPU 出貨幾萬顆，從無到萬顆用了五年。這并沒有動搖龍芯堅(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，一方面開始進(jìn)軍電子政務(wù)市場，出貨量不斷增加，2019 年出貨幾十萬顆，從幾萬顆到幾十萬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數(shù)量級，達(dá)到了百萬級。龍芯中科董事長兼龍芯 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)定在每年幾百萬片的出貨量，我們也將逐步走向開放市場。”

完成技術(shù)補(bǔ)課準(zhǔn)備走向開放市場的龍芯在 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。

“那時候我想明白了一個道理，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)的知識產(chǎn)權(quán)，委托了國內(nèi)第三方知識產(chǎn)權(quán)機(jī)構(gòu)對龍芯基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行了深入細(xì)致的知識產(chǎn)權(quán)評估，將 LoongArch 與 ALPHA、ARM、MIPS、POWER、RISC-V、X86 等國際上主要指令系統(tǒng)有關(guān)資料和幾萬件專利進(jìn)行深入對比分析。

今年 1 月第三方機(jī)構(gòu)得到了三個評估結(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)對上述國際上主要指令系統(tǒng)中國專利的侵權(quán)風(fēng)險。

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

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。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 個能力。”

這 9 個能力每三個分為一類，第一類是 3 個基礎(chǔ)編譯器，包括 GCC、LLVM、GOLANG;第二類是三個虛擬機(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 語言這類高級語言編為機(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，一個屬于微軟體系，一個屬于 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)建在上述三個虛擬機(jī)上，龍芯自主指令系統(tǒng)只要支持上述三個虛擬機(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，中國和其它國家的企業(yè)就得跟著升級，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，無組織的開放會造成嚴(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)量級的體驗(yàn)提升。”

那誰會加入龍芯的 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 芯片性能不會比其它指令系統(tǒng)的 CPU 弱，隨著性能的提升，總體性價比也會更高。

“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，還可以做出新的平臺，比如我們可以建設(shè)一個面向制造業(yè)的平臺，在該平臺上把各種裝備和設(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)到千萬級，生態(tài)建設(shè)也將邁出一大步。”胡偉武表示，“在國內(nèi)建設(shè)新的 CPU 生態(tài)，沒有人和我競爭，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)。

五中全會首次明確科技自立自強(qiáng)作為國家發(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，三個環(huán)節(jié)都要做好。第一個環(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間。

第二個環(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)。

第三個環(huán)節(jié)是基于自主材料設(shè)備的生產(chǎn)工藝。“大趨勢是，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)迭代起來不會慢。”胡偉武認(rèn)為，“材料的自主可控會容易一些，設(shè)備稍微難一些?？傮w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五年時間。”

龍芯如今的成績已經(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，就會受到各種阻礙。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到的風(fēng)險。

走自主研發(fā)的道路，在技術(shù)發(fā)展的初期一定會有巨大的技術(shù)和生態(tài)挑戰(zhàn)，但我們的優(yōu)勢在于有廣闊的市場和優(yōu)秀的制度，在市場帶技術(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。

關(guān)鍵詞： 開放 市場 龍芯 CPU