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龙芯3A5000测试片交付流片 星星之火可以燎原

铁流 · 2019-10-03 · 来源:铁君
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  也许是龙芯名称中的“龙”字,承载着太多国人的希望,自诞生之初就处于社会舆论的风口浪尖。有人说龙芯是骗经费的项目,也有人说龙芯的科研人员是为理想而奋斗的志士,还有人说龙芯的科研人员“太天真”,是土八路斗美械师,自寻死路。龙芯究竟怎么样?无数篇横看成岭侧成峰的报道给龙芯包裹上了层层迷雾。那么今天,就让我们一起揭开迷雾下的真相,洞察志士的艰辛与心血。

  

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  1、龙芯的诞生

  回溯历史,中国也曾经拥有过自己的CPU和全自主的半导体产业。但因在上世纪80年代奉行“造不如买、买不如租”、“市场换技术”等方针路线,不仅没能拉近和国外的技术差距,反而把原本的家底败得精光,国内市场完全被外资占领。在中国失去独立研制高性能计算机的能力之后,美国要求中国把高价进口的高性能计算机放在透明玻璃房中,并提出了非常苛刻的要求——玻璃房门的钥匙在美国人手里,使用用途需要向美国人汇报,使用前都要经过美国人许可。

  龙芯课题组成立之初是着眼于解决国防和信息安全领域无芯可用的困境。课题组成立于2001年,成立的时候可以说用台词“七八号人,两三条枪”来形容再合适不过了。只有一间50-60平米的实验室,人员也是东拼西凑——有已经年近70,曾在上世纪70年代参与国产芯片研发的老研究院员,听说计算机所要设计龙芯,就主动带着几个学生过来,其中也有刚走出校门的青年学子。

  课题组成立时,龙芯团队总计也就10来个人。到2006年,龙芯团队逐步发展为将近100人的研发设计团队。时至今日,龙芯中科公司员工也不过几百人的规模。

  2、龙芯是国家的“亲儿子”?

  龙芯的“龙”字会给国人一种错觉,认为龙芯是国家的“亲儿子”,是用举国体制输送资金和人才打造的国产芯片。但实际上,龙芯成立之初仅仅是中科院计算机所里的一个芯片研发课题组,国家对龙芯的扶持也非常有限。

  在人才方面,在课题组成立时候才10来个人,龙芯团队的骨干人才都是自己培养的,不少设计师都是胡伟武亲自带出来的博士生。在资金方面,自2001年成立以来,从国家863计划、核高基专项中累计获得项目经费5亿人民币。龙芯中科公司成立后,获得北京市政府2亿人民币的股权投资。

  与之形成鲜明对比的是华芯通、宏芯和上海一家CPU公司。华芯通成立之初地方政府投资近20亿元。宏芯成立后也获得地方政府和国资输血。上海某家公司则获得核高基01专线扶持。即便是以民营企业自居的华为,也获得了核高基支持,而且还斩获了海量政府采购,这些采购项目都以亿计算,其中仅东莞一个政府采购项目,金额就高达27亿元

  若以国外巨头作参照,则差距更大,最近几年,Intel每年研发经费在100亿美元左右,员工达10万余人。

  

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  (胡伟武)

  3、龙芯经营现状

  自2010年龙芯市场化运营以后,龙芯选择了走主动挖掘民用市场、提升造血能力的道路,将过去的向国家要经费转变为从市场赚收入。2014年,龙芯在纯商业行为的收入占总收入的比重从0上升到1/3,国家安全市场的比重占2/3,实现了自主经营、自负盈亏、收支平衡。近几年,龙芯的收入稳步增长。

  4、微结构主频和性能

  龙芯自2001年以来,共研发GS132、GS232、GS264、GS464、GS464E、GS464V共6个微结构,以龙芯及其有限的人力和财力,实现了微结构的技术迭代,相较于国家非常有限的扶持,龙芯拿出了远远超过投入的产出。

  据悉,龙芯3A4000主频为1.8G至2G,SPEC2006定点浮点均为20+。这个成绩已经基本追平AMD老一代推土机、挖掘机架构3G主频的CPU,同主频性能接近AMD的Zen。就日常党政办公来说已经是性能过剩了。

  近些年,龙芯专注于微结构的提升,在制造工艺上普遍落后于同时期其他国产CPU,比如2015年前后问世的龙芯3A2000,工艺为40nm,而在此时,国内同行CPU的工艺大多为28nm。2019年问世的龙芯3A4000,制造工艺为28nm,国内同行的工艺普遍为7/16nm。

  在制造工艺落后国内同行1至2代的情况下,龙芯能够把CPU性能做到同一档次水平,实属不易。从龙芯3B1500至龙芯3A4000,龙芯在制造工艺处于同一水平的情况下,通过自身设计能力,把CPU的性能翻了6倍,SPEC20006测试每G主频性能达到10分,在微结构设计水平上是国内数一数二的存在。

  这充分体现了龙芯的CPU设计能力,折射出能力建设和培养比引进国外技术更重要,与一些高度依赖台积电先进工艺的厂商形成鲜明对比。

  必须指出的是,龙芯3A4000的制造工艺为28nm,后续升级制造工艺的潜力巨大,在小改CPU核,采用14/16nm工艺升级之后,SPEC2006定点浮点成绩有望达到25至27。

  

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  5、 龙芯产品。

  目前,龙芯有龙芯1、龙芯2、龙芯3三个系列。

  龙芯1系列芯片的微结构为GS232(部分型号是GS132),龙芯1A、1B、1C是龙芯根据市场需求研发的低功耗嵌入式芯片。

  龙芯2系列芯片的微结构为GS264,龙芯2H被用于工控市场。

  龙芯3号系列被用于个人电脑和服务器,目前主要市场是党政国产化替代,在这方面市场份额龙芯相对于国产X86和ARM有明显优势。

  6、坚持“从开源中来,到开源中去”

  诚然,龙芯走自主路线,但这并不意味着龙芯是“封闭”的。相反,龙芯坚持“从开源中来,到开源中去”,而且在产业链上下游拥有大量合作伙伴。

  就软件来说,龙芯就选择拥抱开源。目前国际上的四大浏览器平台Firefox、Chrome、Edge、safari,其中Firefox由mozilla完全开源、Chrome的开源版本有Chromium、Edge部分开源、safari基于开源webkit而来。龙芯同时支持Firefox浏览器和Chromium浏览器。

  浏览器的用户体验有产品皮肤功能特点的因素,更多的则在于内部技术通路的打通。JS引擎作为浏览器的三大核心组件之一,对产品功能和用户体验有着重要影响,浏览器团队经过长时间打磨,完成了JIT技术的研发,累计4万多行代码,并协助开源社区人员,完成了MIPS分支在Mozilla和Chromium国际开源社区的代码提交。

  为了支持党政信息化业务,JS引擎技术是浏览器的核心技术之一,目前国内从事该技术的团队估计不会超过20人。为了提升浏览器HTML5、WebRTC等音视频应用用户体验,龙芯完成FFmpeg、libvpx、openH264等基础视频编解码库的优化,独立累计向开源社区提交数万行代码。为了提升图形图像用户体验,龙芯完成了skia、jpeg、libyuv、pixman等基础图形图像库的优化并开源,部分已经提交到国际开源社区,累计1万多行代码。

  另外,龙芯还在2019年4月正式发布了基于龙芯3B3000 CPU的KVM虚拟机产品解决方案,可以支持全功能的虚拟化云主机系统,支持以Spice协议和QXL虚拟图形为基础的云桌面应用,支持Openstack等主流云计算环境。这是中国IT企业首次完成”从CPU到系统”全链条虚拟机产品的自主研制,也使得龙芯CPU生态系统具备了支撑完整云计算环境的应用能力。

  

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  7、关于自主可控

  自主,顾名思义,是自主知识产权,不需要给国外缴纳专利费,可以自由选择发展方向和技术路线。以龙芯为例,龙芯可以自由扩展指令集,比如龙芯扩展了上千条指令,形成了自己的LoongISA,使龙芯微结构的浮点性能大幅提升,以至于都能客串DSP。在龙芯最新的白皮书中,指令集已经变成了LoongISA2.0。

  从国外购买指令集授权的话,比如购买ARM授权不仅要支付颇为不菲的授权费,而且授权到期要再购买一次,外商每一次更新指令集还要再购买。每生产一片ARM芯片,都要向ARM支付“ARM税”。另外,还会受到很多限制,比如不具备发展权,不能扩展指令集,只能按照国外巨头的划定路线图走,跟在身后亦步亦趋。最要命的是,买ARM授权还有政治风险,会遭遇制裁。

  自主可控还有一点是CPU核必须是自己写的。纵观Intel、AMD、IBM、ARM、苹果、Risc-V的发展史,CPU核都是迭代演进的。不存在横空出世,一空气吃成胖子的情况。苹果半路插队,也是拿ARM A8 A9 A15改了3代5款处理器后,才推出了自己的CPU核。伯利克这么牛,Risc-V也是迭代演进。就国内来说,龙芯和申威每一代CPU核的升级进步都有迹可循,是循序渐进,迭代演进的,其中更是不乏血泪教训。

  而现在国内一些ARM CPU,一下子横空出世,而且不止一次性能与同时期ARM公版CPU核性能相当,或者推出一个CPU核之后,后续升级趋于停滞,IPC在 5年时间里增长仅20%,挤牙膏程度足以让英特尔自惭形秽。这就很让人对其的自主性的含金量产生怀疑。

  申威之所以被认为是自主,主要是因为从指令集、CPU核等开始自主研发。申威有别于引进的CPU指令集,是完全自主的,知识产权和自主研发能力不受限制。不会被断供、制裁,或停止收取的风险,可以威关键领域提供长远的、可控的供应链和技术支撑。能同时解决“下绊子”、“卡脖子”、“捅刀子”等问题。此外,申威CPU的结构设计、逻辑设计、正确性验证、物理设计、及测试封状等由我方独立完成。申威CPU不存在人为安全隐患,现行木马、病毒无法攻击,开展了高等级安全的特色设计。

  

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  龙芯被符合自主可控,原因也是类似,初步形成了自己的LoongISA,CPU核迭代演进技术路线清晰。而且IP高度自主,龙芯3号所有CPU中,没有一款CPU需要到厂家merge第三方IP。尤其是龙芯3A2000和3A3000,除了厂家提供的标准单元库、单/双端口RAM以及低速IO单元,每一行代码(包括CPU核、内存控制器、HT控制器、互连网络等)以及每一个定制模块(包括多端口寄存器堆、锁相环、HT PHY、DDR2/3 PHY等)都自主设计。

  

  8、龙芯3A5000完成测试片流片

  日前,网上流传了一则消息:

  8月18日,在龙芯中科成立18周年前夕,芯片研发部定制组赴小汤山,开始了定制组期盼已久的且有着特殊意义的团建活动。

  从2018年11月16nm预研、2019年2月3A5000测试片正式立项开始,定制组全体员工面对新工艺,新流程,克服前期资料不完备和人员不足等各种困难与阻力,全身心扑入到测试片的工作中,全体成员加班加点,任劳任怨,在规定的时间内准时交付芯片。这次活动不仅缓解了半年以来的工作压力,大家在各种热闹的小游戏和愉悦的聚餐中畅所欲言,增进了解,消除隔阂。在活动中大家积极参与,在感受到团队游戏的趣味性的同时,也培养了我们的恒心,增强了团队的凝聚力和战斗力。

  这是一次有着特殊意义的活动, 3A5000测试片顺利交付流片的同时也是向龙芯中科成立18周年的献礼。希望定制组砥砺前行,勇攀高峰,也祝福龙芯中科越来越好。乘风破浪会有时,直挂云帆济沧海!

  据铁流了解,这次流片的是测试片,并非龙芯3A5000量产,由于得等测试片完全正确后才能流片,量产估计要6至9个月后。参考龙芯3A2000至龙芯3A3000的升级,龙芯3A5000进度会很快,因为最关键的CPU核已经在4000上验证过了,龙芯只要对3A4000内核进行小改,然后换新工艺即可。估计明年的这个时候会有龙芯3A5000的SPEC2006成绩了。

  9、独立根生、自立自强

  龙芯课题组成立18年来,忍受着社会上的冷嘲热讽,用少得可怜的人力和财力研发了自己的loongISA,设计了6个微结构,研发了自己的LCC编译器,开发了自己的社区操作系统loongnix。推出了几十款产品,涵盖装备芯片(十月一日有上千片龙芯经过帝都广场)、宇航级芯片、服务器芯片,桌面芯片,嵌入式芯片以及这些芯片配套的软件生态。构建了一个涵盖两三百家企业,上万名技术人员的产业联盟。而这一切都是一支只有几百人的研发团队完成的。

  实践证明,联想作整机利润偏低,英特尔做芯片利润很高。展锐做芯片利润不高,但苹果做芯片和整机利润高。华为同样做芯片和整机,但主要利润来自通信设备,手机利润非常有限,任正非就批评余承东手机利润低。

  归根结底,CPU的价值在于其所承载的生态。IT产业的本质是“解决方案为王”,就PC行业而言,Wintel说了算,联想说了不算。就手机行业来说,ARM、谷歌、苹果说了算,华为、展锐、小米说了不算。

  目前,在别人的生态体系里,联想、华为已经做到极致,跟在洋人身后吃土的道路已经走到了头了。中国IT产业的根本出路在于抛开英特尔、ARM、微软、谷歌,建立自己的技术体系。只有这样才能实现产业发展不受制于人,信息安全不受制于人。

  建立自主技术体系,虽然难度极大,但中国有市场、有人才、有资金,具备另起炉灶的条件,是有机会把事情做起来的。目前,我们缺的是“精神之钙”,缺的是愚公移山的精神,诸多大公司倾向于跟着英特尔、ARM身后吃土赚快钱。

  铁流坚信,星星之火,可以燎原。

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