开发核心技术时不要幻想弯道超车。芯片等高度复杂系统的能力建设需要30年的周期。
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作者 |鲍永刚
雷锋网络产业集团出品
2020年8月国务院发布的《新时代促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》提出，到2025年我国芯片自给率要达到70%。CPU、 GPU、FPGA、DSP被誉为国产芯片“四大部件”，无论是对于提高国产芯片的自给率，还是解决国产芯片的问题都具有深远的意义。高端芯片的“卡脖子”问题。
雷锋网推出的“四大国产芯片”系列文章分别解读国产CPU、GPU、FPGA、DSP的现状，通过投资者的视角发现国产芯片的机会。
美国对中国芯片产业的打压，让我们认识到开yun体育app官网网页登录入口，在别人的地基上盖房子，无论多大、多漂亮，都可能经不起风吹雨打，甚至不堪一击。国内芯片行业对于“引进吸收”还是“自主研发”也争论了几十年。方向已经明确。中共五中全会首次明确提出，要把科技自力更生作为国家发展战略的支撑。
作为芯片产业最重要的芯片之一，实现CPU的国产自主可控对于支撑国家信息产业发展、保障信息安全至关重要。 2021年4月15日，坚持自主研发20年的龙芯中科科技有限公司正式推出龙芯自主指挥系统架构LoongArch，实现历史性突破，将中国芯片从王国迈向新高度。自由王国的必然。
在其完全自主性在国内多次被“仿冒”后，龙芯自主指挥系统架构（LoongArch）能否经受住考验？在强大的Wintel（Windows+Intel）和AA（Android+Arm）格局下，龙芯是否有机会成功建立全球第三个CPU生态系统？随着中国核心技术的发展，我们为什么不能再幻想弯道超车呢？
从MIPS到完全自主可控
龙拱门
龙芯中科2010年脱胎于中科院计算技术研究所，长期以来，龙芯是国内少数坚持CPU自研、走自主可控路线的企业之一的芯片。
公司成立的前五年，龙芯专注于工控市场。 2015年，龙芯CPU出货量数万颗，从无到有，用了5年时间发展到1万颗。这并没有动摇龙芯保持自主可控的决心。 “十三五”期间，龙芯一方面继续深耕工控市场，另一方面开始进军电子政务市场。其出货量持续增长，2019年出货量达数十万台，从数万台到数十万台不等。花了四年时间。
2020年，龙芯独立CPU出货量再提升一个数量级，达到百万级水平。龙芯中科董事长、龙芯CPU首席科学家胡伟武告诉雷锋网：“龙芯这20年完成了技术整治历程，CPU在不断迭代，我认为我们的CPU可以稳定在出货量到2022年每年将达到数百万件。我们也会逐步走向开放市场。”
胡伟武 龙芯中科董事长、龙芯CPU首席科学家
在完成技术补习课程并准备走向公开市场后，龙芯在2018年左右发现MIPS不再是他们的最佳选择。 “龙芯曾经开发CPU，开发基于MIPS指令系统的软件生态系统。经过20年的努力，龙芯的设计无论是软件生态系统还是CPU内核都超越了MIPS。大约三分之二的维护工作在MIPS社区是龙芯做的，像浏览器、Java、媒体播放器等。MIPS主要维护CPU核心和基本编译器，另外MIPS的一些技术特性很老了。 MIPS顶层基本都用完了，很难添加指令，比如延迟槽也成为设计负担。”胡伟武说。
这就是龙芯放弃MIPS的内在原因。外部原因是MIPS的所有权发生了变化。
“当时我就想通了一个道理，利用授权指挥体系开发产品是可以的，但不可能形成独立的产业生态。就像中国人可以用英文写文章，但不可能形成独立的产业生态。”所以在内部因素和外部因素的综合影响下，我们决定自主开发一套指令集架构。”胡伟武说。
为了实现LoongArch的长远发展，龙芯中科高度重视龙芯架构相关知识产权，并委托国内第三方知识产权机构对龙芯架构进行了深入细致的知识产权评估。 LoongArch 基础设施。 LoongArch将与ALPHA、ARM、MIPS、POWER、RISC-V、X86等国际主流指令系统及数万项专利进行深入对比分析。
今年1月，第三方机构获得三项评估结果：
接下来，龙芯中科将联合第三方知识产权评估机构进行海外专利分析和进一步的知识产权评估，并基于评估结果逐步发布完整的LoongArch指挥系统手册。
到2030年，全球第三
CPU生态系统
龙芯可推出自有CPU指令集系统9大能力
CPU指令系统是计算机的软硬件接口，是CPU执行的软件指令的二进制编码格式规范。胡伟武表示：“以前指令系统更多的是和CPU芯片相关，实际上指令系统更多的是和软件生态相关。比如X86支持Windows生态，ARM支持Android生态。只要软件想清楚，用指令系统代替CPU并不难。”
上线一个指令系统并不难，难的是构建一个生态系统。这是芯片行业的共识。胡伟武表示，“我们敢于打造新的指挥系统生态，是因为我们20年的积累，让我们掌握了九大能力。”
这九种能力中的每一种都分为三类。第一类是三种基本编译器，包括GCC、LLVM、GOLANG；第二类是三种虚拟机，包括Java虚拟机、JavaScript虚拟机、.NET虚拟机。机器;第三类是二进制翻译系统，包括X86、ARM和MIPS指令系统的翻译。
编译器将C等高级语言编码为机器代码。因为开源，很多有经验的团队都可以开发编译器。
“再往上一层就是虚拟机，全球一半以上的服务器都是运行Java的。.NET和Java一样，一个属于微软系统，一个属于Linux系统。JavaScript是其核心引擎。”因此，虚拟机也非常重要。”胡伟武解释道，“目前很多应用软件都是基于以上三种虚拟机构建的。只要龙芯独立命令系统支持以上三种虚拟机，就有一半以上。”可以运行现有的应用软件无需迁移即可直接占据主导地位的关键在于虚拟机的能力。”
二进制翻译能力是兼顾自治性和兼容性的生态发展的基本能力。 “LoongArch有300多条基本指令。为了使二进制翻译兼容x86、ARM和MIPS，我们增加了近200条指令。”胡伟武进一步表示，“LoongArch通过软硬件结合，提高了与其他指令系统应用的兼容性。我们在二进制翻译效率方面有十几年的经验。我们希望到2025年左右，LoongArch平台能够运行Windows 应用程序无需运行 Windows，也将能够运行 Android 应用程序而无需运行 Android。”
不仅如此，LoongArch还抛弃了MIPS的许多历史包袱，并根据新的应用特点添加了一些新的功能。这样，仅指令系统就可以带来10%-20%的性能提升。要在硬件上实现这样的提升，大约需要两代人的时间。
雷锋网获悉，LoongArch属于RISC（精简指令集），共有近2000条指令，包括基本架构部分和向量指令、虚拟化、二进制翻译等扩展部分。它具有完全独立、技术先进、生态兼容三大功能。特征。
有组织的开放建设生态
“与其他指挥系统的兼容只是构建生态系统的辅助手段。我们的目标是打造全球第三个CPU生态系统，以龙芯的身份为人民服务。”胡伟武表示：“全球IT行业受到Wintel体系和AA体系的限制，只要硅谷中国的企业升级产品，中国和其他国家的企业就必须效仿，而我们没有引领产业发展的权利。”
回顾Intel和ARM的成功，20世纪90年代，Intel这个小公司做芯片，并向生态伙伴开放基础软件平台，击败了IBM这个封闭的大公司。进入新世纪以来，比Intel更加开放的ARM只提供IP，并取得了巨大的成功。
胡伟武表示，LoongArch的生态需要有组织地开放，建立生态。 “要建设好生态系统，首先要开放、结盟，吸引生态伙伴。其次，一定要兼容。无组织的开放会造成严重的碎片化，生态系统无法发展。需要在开放性和兼容性之间找到平衡点。最后，需要系统优化，才能在体验上实现数量级的提升。”
那么谁会加入龙芯的CPU生态呢？胡伟武认为，至少有两类公司。一类是为特定应用制造 SoC 的公司。这些企业只要加入龙芯生态联盟kaiyun全站网页版登录，就可以使用LoongArch指令系统，可以免费使用ARM Cortex A53、A57等龙芯性能级别。 CPU IP核用于各种SoC设计，也是龙芯的现有客户。
另一类是整机和解决方案公司。龙芯有信心LoongArch芯片的性能不会弱于其他指令系统CPU。随着性能的提升，整体性价比会更高。
“基于LoongArch，除了开发桌面和服务器应用的通用信息系统平台外，我们还可以创建新的平台。比如我们可以构建一个制造平台，并在这个平台上APP化各种设备和设备，比如高-高铁APP、飞机APP等”胡伟武说道。
也就是说，无论是收复失地还是开疆扩土，龙芯开放的生态系统都能吸引参与者。
目前，首款支持LoongArch的LoongArch CPU 3A5000处理器芯片已成功流片。 14nm LoongArch CPU比ARM 7nm CPU性能更强，接近市场主流产品水平。
“LoongArch的技术和工程都在路上，今年下半年kaiyun.ccm，我们的工作重心将转向生态建设。我预计2025年龙芯CPU出货量将达到千万级，生态建设也将迈上新台阶。”迈出了一大步。” ”胡伟武说，“在中国打造新的CPU生态系统方面，没有人能与我竞争。速度由我决定。保守地说，到2030年我们应该能够初步建立起基于Loongarch的生态系统。”
坚定坚持独立路线30年
建立独立的生态系统
“研发核心技术时不要幻想‘弯道超车’。芯片等高度复杂系统的能力建设需要30年的周期，‘翻蛋糕’不能太频繁。别人挡住了，我们就开发。”这是我们自己的事，当别人让我们走的时候，我们就放弃了我们的独立性。” “龙芯已经工作了20年，相信再过10年，我们就能初步建成第三个系统。”胡伟武强调。
中共五中全会首次明确科技自力更生是国家发展的战略支撑，这堪称芯片产业发展的转折点。在中美摩擦不断加剧的背景下，越来越多的人支持自主芯片研发。
但要实现完全的自主可控，这三个环节都必须做好。第一步是IP核和EDA工具的芯片研发。龙芯CPU芯片的IP核主要是自主研发。二十年来积累了自主研发的CPU、GPU、内存控制器、高速接口控制器、工业接口控制器等产品。 IP核有上百个，但解决EDA工具的卡顿问题还需要时间。
第二个环节是基于自主指挥系统的软件生态系统。龙芯的LoongArch可以构建CPU的第三个生态系统。
第三个环节是基于自主材料和设备的生产工艺。 “总的趋势是，7nm以后的工艺都是小众工艺，工业CPU用28nm就够了，桌面CPU用14nm就够了，服务器CPU用7nm就够了。我国集成电路产业的发展不应该总是聚焦在7nm、5nm甚至3nm上先实现28nm、14nm的完全自主，基础扎实了迭代也不会慢。”胡伟武认为，“自主掌控材料会比较容易，但设备稍微难一些。总体来说，“十四五”期间，可以初步缓解集成电路材料和设备受制于人的问题。需要两个五年时间才能实现根本缓解。”
龙芯目前取得的成绩已经证明，坚定自主研发不仅是一条可行的路线，而且是正确的路线。我们总是谈论弯道超车，但到目前为止我们似乎还没有成功过一次。 IT行业的核心技术就像盖一栋大楼，每一层都有两项核心技术。第一层是CPU和操作系统，第二层是网络技术和图形技术，第三层是虚拟化技术和智能技术。我们不可能不覆盖前两层就直接覆盖第三层。
因为一旦后来者倾向于超越现有的生态控制器，他们就会遇到各种障碍。而且使用别人的授权也可能会受到非常严格的审核。这是很多企业都没有意识到的风险。
走自主研发之路，在技术发展初期肯定会面临巨大的技术和生态挑战，但我们的优势在于广阔的市场和优秀的体系。在市场驱动的技术模式下，我们最终一定能够发展。龙芯在工业控制和电子政务领域的成功就是最好的例子。这也是龙芯能够在2015年实现盈亏平衡，并在“十三五”期间实现CPU单核通用处理性能十倍增长和销售收入十倍增长的原因。 “双十倍”的跨越，让我们有信心在2021年推出独立指挥系统架构。
坚定目标，保持耐心，相信在所有参与者的共同努力下，中国CPU生态能够实现安全、自主、可控发展。它将与X86和ARM生态一起立足全球，与你我一起前进。
