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国产CPU之最登“科”在即!二十年饮冰,热血难凉

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2002年8月,我国首款通用CPU龙芯1号正式流片,正式实现了零的突破。近20年后,“龙芯1号”背后的龙芯中科终于启动上市,拟于科创板挂牌上市。

“龙芯”是我国最早研制的高性能通用处理器系列,于 2001年在中科院计算所开始研发。龙芯中科先后完成中国首款通用CPU龙芯1号、首款64位通用CPU龙芯2B、首款主频超过1GHz的通用CPU龙芯2E、首款四核CPU龙芯3A的成功流片。

CPU负责在IT系统中运算和控制,是IT系统的大脑。就像人脑一样,CPU是IT系统最基础的核心硬件,却又是最复杂的芯片。CPU因研发门槛高、生态构建难,一直被称作IC届的“珠穆朗玛峰”。

尽管如此,中国的科学家和工程师们对CPU的研究从未停止。他们大约是这个国度里最聪明的人;另一方面,他们却又是一批甘愿破釜沉舟,数十年磨一剑的“傻瓜”。

CPU的危机

芯片的自主可控是IT系统自主可控的基础。在国际关系日益复杂的今天,芯片安全关系国家安全。

CPU芯片作为最关键的芯片,无疑是重头戏。但CPU的自主化率,却大大落后于其他芯片,整个市场由英特尔、AMD双雄高度垄断。

中国过去亦曾拥有自己的CPU。说起后来国产CPU如何错失发展时机,要追溯到上个世纪80年代。1975 年第一个桌面计算器Altair8800 的诞生,拉开了计算机微型化的序幕。英特尔借助成为当时的巨头IBM ,进入微机市场。由于市场初步形成,所以竞争格局尚未形成,不同流派的处理器百花齐放。CPU厂商包括摩托罗拉、 Zilog、仙童半导体、ADM等。这正是追赶国外技术的关键时期。可是“造不如买、买不如租”、“市场换技术”等方针路线在我国流行,因此CPU的技术发展并未受到重视,逐渐进一步落后于国外技术水平。

但幸好,二十世纪以来,CPU的自主可控重新得到了关注。2000年,一系列的国际事件促使一大批军工科研项目的重启。这亦是龙芯项目产生的背景。而2000年后,三次危机先后掀起了IT自主可控的浪潮。

2008年,微软“黑屏”事件发生。微软中国宣布,未通过正版验证的XP,电脑桌面背景将会变为纯黑色。用户可以重设背景,但每隔60分钟,电脑桌面背景仍会变为纯黑色。微软的黑屏计划,除了显露出微软并不重视计算机用户的物权,更是释放出一个重要的信号:尽管电脑装的是盗版软件,微软仍可随意支配该系统。这意味着,微软这个美国公司,可以随意操控中国用户的系统乃至窃取数据。

2013年,美国“棱镜门”事件发生。英国《卫报》和美国《华盛顿邮报》公开,美国国家安全局自 2007 年开始实施的绝密级网络监控计划“棱镜计划”,直接进入美国网际网络公司的中心服务器里挖掘数据、收集情报,包括微软、谷歌、苹果等参与其中。2014年,中央国家机关采购中心公告禁止采购Windows 8操作系统。

基础软硬件国产化第三次浪潮,是中兴事件与华为事件。美国咄咄逼人、步步逼近的制裁举措,将出口禁令一再升级。芯片产业链的弱点暴露无遗。国产替代,成为政府以民间的共识。

在三次浪潮下,国产CPU群雄崛起,六大品牌先后登上舞台。国产 CPU 芯片发展出龙芯、飞腾、鲲鹏、申威、海光和兆芯六个主流的体系。

尽管如此,截至目前CPU市场的自主化程度仍不高。以服务器CPU为例。CPU占服务器的成本至少 40%,2019年全球服务器CPU市场规模接近三千亿人民币,光国内规模就达到500亿元。而英特尔以先发优势和Wintel联盟一家独大,垄断了超过95%的国际市场和国内市场,是难以撼动的霸主。而我国的CPU国产化率还不到1%。

在PC桌面终端的CPU市场格局亦类似,由英特尔、AMD双雄高度垄断。国产CPU之路,仍道阻且艰。

CPU攻克的难点在哪里?

龙芯之父、龙芯中科的董事长、中国科学院计算技术研究所总工程师胡伟武指出:目前我国芯片行业两大卡脖子问题,一是指令系统架构,二是生产工艺。此外,胡伟武认为发展核心技术不要幻想“弯道超车”,像芯片这样的高复杂系统能力建设需要以30年为周期,既要撸起袖子加油干,还要耐着性子坚持干。

龙芯:选择完全自主的道路

处理器的开发,包括指令集架构优化、处理器内核开发和终端芯片设计。

其中,指令集架构是第一步。如果CPU产品是摩天大楼,那么指令系统架构,就是绕不开的地基。

目前,CPU主要有两种指令集架构:复杂指令集架构CISC以及精简指令集架构RISC。CISC阵营中,x86架构一枝独秀,而RISC包括ARM、MIPS、RISC-V、Alpha、Power 等。

我国并不拥有主流的自主研发指令系统架构的专利权。如果要追本溯源从头开发,工作量十分庞大。在这种情况下,如何打好“地基”,成了国产CPU首先面临的难题。这六大CPU厂商,分别选择了不同的道路。其中,龙芯于2011年购买了MIPS专利获得授权,拥有能兼容MIPS的自研指令集。

其他引进X86架构以及获得ARM授权的厂商,仍有被断供的危险。这些授权依旧是他人的专利,尽管在商业上暂时可以使用,但是授权有可能被停止,因此并不是真的“国产自主”。而龙芯中科属于自主设计企业,拥有100%的源代码,技术自主和技术可控的程度极高。

但是借助MIPS架构,龙芯面临着第二个难题——生态。

生态,甚至超越技术,成为商业化最核心的因素。

英特尔之所以独大,最重要的原因是其与微软共同建立的Wintel联盟。

英特尔采用的是x86指令集。x86 架构是目前唯一的主流复杂指令集(CISC)。事实上,精简指令集(RISC)相较于CISC而言,效率更高、工艺简单而且成本低。CISC的通用性不佳,日趋复杂的指令系统不仅带来效率的低下,还使系统结构的复杂性增加。从技术指标上来看,RISC整体胜过CISC,因此被学术界普遍认为将代替CISC成为主流。英特尔为了实现向后兼容,因此选择坚持CISC,并通过与微软构建起的生态打败了诸多RISC厂商。可以说,在CPU市场上,生态大于技术。

如今,x86 架构市场庞大,从传统 PC 到数据中心规模的服务器 都在使用基于 x86 架构的处理器,同时相关软件带动的应用服务也有长达40年的优化发展历史;ARM架构下庞大的移动和智能设备市场应用成型,都具备生机勃勃的生态。

而基于MIPS的应用寥寥。龙芯为了高度自主,可谓是选择了一条最难行的道路。当然,龙芯努力地搭建生态,以弥补不足。如今,在服务器领域,龙芯致力于 Linux 生态体系的兼容优化,提供操作系统和底层软件兜底服务,在PC领域,龙芯 CPU 已经支持主流的整机、操作系统、办公软件、浏览器、输入法和部分设计工具等常见软硬件,覆盖了基本的办公需求。

但整体来看,生态薄弱的问题依然深刻影响着龙芯的商业化进程。

从“不可用”到“能用”

再到“好用”

早在2002年,CPU龙芯1号已经流片成功,成为我国首款通用CPU。

但是经过十余年的发展,一直到2015年以前,龙芯的CPU仍然是被称作“难用”。以龙芯的3A1000/3B1500的单核为例,SPEC CPU 2006分值只有 2-3 分。根据东方证券研究所,在用处理器打开一个20M的测试文档,用时竟然超过半分钟。

但功夫不负有心人,2016年,龙芯推出第二代高性能处理器产品——基于最新架构GS464E的四核处理器3A2000/3B2000。该产品采用国内中芯国际的 40nm工艺生产,访问内存性能提升了10倍之多,基本能耗与3A1000相当的情况下,综合性能提升 2-4 倍,基本达到了 i3-550 的水准。同样是打开 20M的测试文档,该产品所耗用的时间缩短至 6秒。可以说,处理器的性能得到大大提升,终于到达了“可以使用”的程度。

此后,龙芯的发展明显提速。2019-2020年,龙芯先后推出第三代产品3A/B4000、3A/C5000、7A2000。其中,3A4000继续使用 28nm工艺,主频 2.0GHz,采用全新架构,集成了全面优化的GS464v 处理器核,性能比3A3000/3B3000再提升一倍左右。新产品打开 20M 的测试文档时间,已经少于1秒,可以对标主流产品,达到了“好用”的标准。

从0的突破,到“好用”,龙芯花了近二十年的时间。

目前,龙芯已经形成了多产品矩阵,包括面向行业应用的专用小 CPU(龙芯1号),面向工控和终端类应用的中 CPU(龙芯2号),以及面向桌面与服务器类应用的大 CPU(龙芯3号)。

但龙芯仍有很远的路要走。龙芯的优势在于单核性能较高,但多核能力较弱,服务器CPU性能,逊色于华为、海光、飞腾等厂商的服务器 CPU 性能。同样迫切的,还有生态构造的问题。

国产之芯,任重道远。

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