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。