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把信息产业“洋底座”换成中国自主的,这家芯片企业坚持了20年

紫金山科技 2022-01-19 13:56 发文

“我国信息产业正在面临着改革开放以来最大的变革。为什么这么说?一是国际贸易的不确定性,倒逼了国内的行业和企业更大范围使用自主研发的CPU和操作系统,二是过去几十年我们的信息产业底座都来自于硅谷的技术,一个是intel+微软,一个是ARM+安卓,但现在基于自主技术越来越强大,我们可以用自主技术换掉‘洋底座’了。” 

在我国科技强国政策越来越有力,一大批ICT企业和芯片企业开展协同攻关、自主创新成果不断涌现的当下,这不是龙芯中科董事长胡伟武第一次在公开场合提到“换底座”话题。但在龙芯于2021年正式发布自主指令架构LoongArch,聚集了近百家企业推出数百款基于LoongArch的龙芯桌面、服务器、网安、密码等产品后,在1月13日龙芯中科首届LoongArch生态创新大会上,随着龙芯生态白皮书的发布,胡伟武的这番表态更为铿锵有力了。 

60多年前,全球第一块集成电路诞生,从此拉开了全球半导体产业的序幕,集成电路、微处理器、电脑、操作系统、互联网、手机等一系列伟大的发明,彻底改变了人们的工作、社交与生活,也把人类社会从机械工业时代带入到信息时代。 芯片是整个信息社会的基石和心脏,也是一个兼具技术密集和资金密集这两大特性的高门槛产业,长期以来一直被欧美企业掌握着产业话语权。作为芯片研发领域中难度最大的类别,CPU芯片市场长期以来被英特尔与AMD两家公司垄断,但中国从未放弃自主CPU的研制。

近日,工信部印发的《“十四五”信息通信行业发展规划》提出,到2025年,一个高速泛在、集成互联、智能绿色、安全可靠的新型数字基础设施将基本建成,并成为建设制造强国、网络强国、数字中国的坚强柱石。 此前多年我国对进口通用处理器的过度依赖,已经成为我国信息产业发展的一大软肋。“十四五”规划发布后,壮大中国自主CPU的战略重要性再度升级。 意识到中国IT业的根本出路在于建立自己的生态,胡伟武也为龙芯立下了战略目标,即打造独立于Wintel(微软+英特尔)体系和AA(ARM+安卓)体系后的第三套生态体系。 

尽管相较于英特尔、AMD、ARM等国际CPU龙头企业,包括龙芯在内的国内CPU设计企业在研发销售规模、产品认知度、市场知名度、商用应用软件生态等方面尚有一定差距。但在CPU进入后摩尔定律时期升级速度趋缓的背景下,国产CPU性能与国际主流水平逐步缩小,已出现赶超的可能,再加上我国政府对该领域的支持力度逐步加大,政策日趋完善,国内CPU企业正通过指令系统架构知识储备、技术人才聚集等方面的积累,快速逼近国际先进水平。

20年,打破不可能

20年前“十五”计划启动之初,在我国要不要研发自主CPU还没有取得共识的情况下,龙芯中科开始了自主CPU研发征程。 20年间,在试错迭代中完成了CPU和操作系统关键核心技术积累,实现从量变到质变的跨越后,龙芯于2021年推出了自主指令系统 LoongArch(龙芯架构),并已通过国内权威第三方机 构的知识产权评估,一举改变了X86指令系统和ARM指令系统统领中国市场的状况。而且,LoongArch将通过“指令系统创新+二进制翻译”的方式,LoongArch还可高效运行MIPS、X86、ARM 等平台上的二进制应用程序,从而实现了生态融合。 在龙芯中科首届LoongArch生态创新大会上,中国工程院院士倪光南直言,LoongArch自主指令系统(龙芯架构)的发布是中国信息产业的一个重要成果,有能力成为国家网信事业的坚强底座。倪院士同时提到,国产软硬件的发展过程一般要经历“不可用”-“可用”-“好用”三个阶段,采用自主知识产权龙芯架构的龙芯3A5000/3C5000L等国产CPU,已经在我国各领域广泛应用,取得了令人瞩目的成就。

从“底座”意义上来说,自主指令集的意义在于,中国人可以用英语写出一篇论文来获诺贝尔物理奖,可以用英语写的小说获得诺贝尔文学奖,但是基于英文不可能发展出中国的民族文化,而龙芯自主指令系统架构的诞生,让中国开始在芯片产业上谱写自己的历史。 20年历程中,龙芯掌握了处理器核及相关 IP 核设计的核心技术,包括CPU、GPU、内存控制器、IO接口控制器、高速SRAM、高速接口、锁相环等核心IP。龙芯CPU所有片内关键IP源代码均做到了自主编写,电路图均为自主设计,在通用CPU芯片领域实现了较大创新突破。 伴随龙芯LoongArch自主指令集以及3A5000/3C5000L芯片的问世,龙芯中科实现了顶层架构、指令功能以及ABI标准等全方位自主设计。

最重要的是,龙芯始终采用开放合作的合作模式,从芯片IP、OS内核、主板技术等基础核心技术上提供广泛支持。 据龙芯中科副总裁张戈介绍,目前除了近百家厂商推出了数百款基于LoongArch的龙芯桌面、服务器、网安、密码等产品,龙芯还在2020年牵头成立了龙芯生态适配服务产业联盟,目前已有70余家适配中心和相关机构加入,形成了遍布全国的适配服务联动体系。后续龙芯会致力于在国际社区创立LoongArch分支,同时组建LoongArch联盟,把LoongArch指令集免费开放,联盟不光对指令集本身开放,也将对部分处理器的IP核实现代码也全部开放,以最大的开放程度来打造LoongArch生态联盟。 更为难得的是,这20年间,龙芯的核心技术人员紧紧拧成了一股绳。多数龙芯骨干放弃事业单位良好的发展前途从中科院辞职,多名在读博士退学加入龙芯公司,甚至在龙芯失去国家项目支持处于困难时,核心技术人员面对其他企业几倍甚至十几倍薪酬的诱惑依旧选择留在龙芯团队,和战友们一起奋斗,努力完成打造第三套生态体系的目标。

“支撑中华民族伟大复兴的,不是洋技术” 

一家企业的气质,往往与其创始人直接相关。代表着龙芯硬核气质的龙芯中科董事长胡伟武对自己人也对全行业说过,在龙芯发展前进的道路上,决定一件事情是不是要做主要判断标准是这件事对国家和人民有没有好处,而不是对企业自身有没有好处。只要对国家和人民有好处,即使国家项目不支持,即使少数派,龙芯也坚决去做。 “指令系统和生产工艺是信息产业的两个最重要的基石,因为我们构建新的自主信息技术体系,需要注入指令系统。基于国外的指令系统,我们的信息产业是支撑不了中华民族伟大复兴的。”胡伟武说。

在这个信念下,龙芯中科成为国内唯一坚持通过自主研发构建独立于Wintel体系和AA体系的自主信息技术体系和产业生态的CPU企业。经过长期积累,形成了自主CPU研发和软件生态建设的体系化关键核心技术积累。 与国内多数集成电路设计企业购买商业IP进行芯片设计不同,龙芯中科坚持自主研发核心IP,形成了包括系列化CPU IP核、GPU IP核、内存控制器及PHY、高速总线控制器及PHY等上百种IP核。 与国内多数CPU企业主要基于ARM或者X86指令系统融入已有的国外信息技术体系不同,龙芯中科推出了自主指令系统LoongArch,并基于LoongArch迁移或研发了操作系统的核心模块,包括内核、三大编译器(GCC、LLVM、GoLang)、三大虚拟机(Java、JavaScript、.NET)、浏览器、媒体播放器、KVM虚拟机等。形成了面向信息化应用的基础版操作系统Loongnix和面向工控类应用的基础版操作系统LoongOS。

 与国内多数CPU设计企业主要依靠先进工艺提升性能不同,龙芯中科通过设计优化和先进工艺提升性能,摆脱对最先进工艺的依赖。通过自主设计IP核,克服境内工艺IP核不足的短板。 坚持造就了“能力”,能力锻造了“不同”。正是源于龙芯的坚持,当国家需要真正自主的CPU时,我国的芯片产业做到了“有所准备”。 正如中科院计算所微处理器中心副主任、龙芯实验室主任张福新所说,中国CPU芯片产业有了自己的自主指令集,意味着掌握了信息产业主要的根技术之一,有了更大的创新自由,未来的迭代成长空间才能更大。例如在工控领域,3A5000已经实现了几十万片的应用,已经有了完全替代国外技术的能力,且性能更强,功耗更低。 包括龙芯在内,越来越多的ICT企业强烈意识到,“芯片IP、软件生态、芯片生产”是中国芯片产业的三大痛点,也是中国科技产业打通内循环的三大堵点,不可绕路而行,要迎难而上。

站在“两个一百年”奋斗目标的历史交汇点上,发展自主CPU,被赋予了把握新一轮科技革命和产业变革新机遇的全新使命。完成这一使命的,是龙芯,也是自主创新道路上的更多“同路人”。

◇ ◇ End ◇ ◇

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