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“龙芯之父”胡伟武:为中国造“芯”,使命光荣!

张航 和冠欣 · 2020-09-11 · 来源:红色文化网
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  1946年2月14日,人类第一台通用计算机诞生。人们惊讶于它的“块头”,也被它的速度震惊——这个占地170平方米,重约30吨,使用17000多支电子管,运行一小时耗电150度的“大块头”,每秒可以进行5000次加法运算,是人工计算的千倍以上。

  当时的人们可能想象不到,70多年间,这个叫作“计算机”的东西,会越变越小,越来越快。

  变化的秘诀,在于一片几平方厘米的薄薄芯片。

  2002年8月,这个长期被国外几家大公司垄断的领域里,中国产品首次亮相——安装了“龙芯1号”CPU的计算机正常启动工作。中国人只能依靠进口CPU制造计算机的历史,在这一刻终结。

  胡伟武,被誉为“龙芯之父”。为了这片“中国芯”,他已奋斗了20余年。

  如今,“龙芯”系列CPU已经广泛应用于我国电子政务、工业控制等许多关键领域。胡伟武也在今年荣获北京市突出贡献中关村奖。

  “中国芯”的奋斗还在继续,在这位中国科学院计算技术研究所总工程师的心中,为中国造“芯”,使命光荣!

  “我要当科学家”

  1968年,美国硅谷,罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔辞去工作,投身创办一家存储芯片企业,他们给企业起名“英特尔”。当时,他们没有想到,“英特尔”未来会变成世界芯片巨头。

  正是在这一年,万里之外的浙中永康县一位叫做应一新的乡村教师迎来自己的第二个儿子。二儿子随母姓胡,起名伟武。

  上世纪六七十年代,大山里的永康农村,绝大部分人家还没有电灯。年少的胡伟武平时上学,假期跟着母亲下地挣工分,晚上回到家,就着煤油灯看书、写作业。村里飘起炊烟,这是胡伟武一天最开心的时候,不是为了吃饭,而是又到了听广播的时间——这件家里最值钱的电器,总能带来大山外的消息。

  很小的时候,胡伟武就把电影中、画报上那些身穿白衣、手拿图纸的科学家和工程师视为榜样,他觉得他们特别神气,“长大后,我也要当科学家,当工程师。”

  身为教师的父亲总跟儿子说:“学好数理化,走遍天下都不怕”。胡伟武没让父亲失望。虽然因为父亲调动工作,他总是转学,但每到一所学校,他都能成为“第一名杀手”——因为他的到来,原来的第一名很快就变成了第二名。

  中考,胡伟武是全县第一名;高考,胡伟武还是全县第一名,全省理科第29名。报志愿时,胡伟武想报数学或物理专业。已经负责招生工作的父亲变得现实了,他觉得学数学和物理毕业后不好找工作。在杭州上大学的哥哥建议:“现在计算机专业挺热的。”胡伟武一想,计算机跟数学和物理都有关系,而且毕业后也可以当科学家、工程师。就这么定了!

  最终,胡伟武被中国科学技术大学计算机专业录取,虽然当时,他还不知道计算机长什么样。

  从金华到上海,再到合肥,转车换乘时,扛着行李,赶路虽然辛苦,但胡伟武很兴奋,因为这是他第一次走出永康山区,他迫切地想要看看外面的世界。

  入学后,第一次上机。进计算机房前,老师递给胡伟武和同学们每人一副鞋套、一件白大褂,胡伟武换上“行头”,心里乐开了花——这跟电影和画报上的科学家一模一样。进了机房,老师叮嘱大家一切要听指令,严禁乱摸。胡伟武好奇地看着计算机,“这和县城商场里能看到的小电视一样啊”“那些隔着玻璃的铁柜子是干什么用的”……

  大学五年,胡伟武刻苦学习,分秒必争。他没去过巢湖,没去过黄山,偶尔周末和同学去看场电影,回来后,他又为白白失去两个小时后悔不已。他所有的兴趣,都在计算机上。一个月生活费20多元,他吃最便宜的饭菜,却毫不犹豫地买8块钱一张的5寸软盘。

  研究编程、破解难题,胡伟武乐此不疲,就连玩游戏,他也有一颗“攻关”的心。当时同学们在计算机上玩一款类似于“黄金矿工”的小游戏,每积累5000个积分就会奖励“一条命”。胡伟武破解了程序,500分就能获得一次奖励,这样就可以一直玩下去,永远不会“GAME OVER”。

  做毕业设计时,胡伟武和另外一位同学用几百个芯片搭起一套电路系统,能运行8086指令系统中除了十进制和除法以外的所有指令。这套电路系统有旅行箱那么大。现在来看,那可能是胡伟武制作的第一个CPU。“当时我就想参加一台实用计算机的设计。哪怕是参与一个小部件的设计也行。”胡伟武说,他觉得只要参与了设计,距离科学家就又近了一步。

  给佳佳的生日礼物

  1991年,成绩优异的胡伟武被保送到中科院计算所直接攻读博士学位,师从我国计算机事业的奠基人、中科院院士夏培肃。读博五年,导师淡泊名利、严谨求实的学风,对胡伟武影响极大。

  1995年4月,胡伟武把自己的博士论文提交给夏培肃。他很有信心,计划着参加7月的毕业答辩,他想把博士毕业证书作为生日礼物送给即将在下半年出生的孩子。

  胡伟武没想到,论文很快被导师打了回来,每一章都密密麻麻标注了修改意见。他不敢大意,认真修改,再提交,再打回,再修改……最终,26易其稿,直到次年2月才提交答辩。此时,他的女儿佳佳已经出生好几个月了。

  答辩当天,参加评审的都是国内计算机领域的顶级专家:有后来获得国家最高科学技术奖的金怡濂院士,有后来担任北京航空航天大学校长的李未院士,有后来担任中科院计算所所长的李国杰院士……答辩很顺利,胡伟武这篇以“CPU共享内存的相互关系”为主题的博士论文获得专家们的一致好评,入选当年的全国百篇优秀博士论文。

  计算机数据存储设备包括内存和硬盘,硬盘适用于长期存储数据,内存则是暂存数据供CPU随时调用。因此,内存空间大小直接影响到CPU运算的效率。胡伟武的论文揭示了多个CPU共享内存时如何保证正确的访存次序。

  依据这一成果,胡伟武研发了一套虚拟共享存储系统,在国际同类系统中首次实现把多台计算机的内存空间组织成更大的共享空间,各计算机CPU可以互相访问对方机器内存的数据,大大提升了计算机内网系统的运行速度和效率。

  胡伟武给这套系统取名“JIAJIA(佳佳)”,这也是他女儿的小名。如今,“JIAJIA”已被二十多个国家和地区的100多个科研单位使用。

  这份迟到的生日礼物,也在女儿的心中种下了科学的种子。

  佳佳小时候没人照看,胡伟武经常带她到实验室,甚至带她出差。佳佳有时候会好奇地问爸爸都在忙些什么,胡伟武总是说,在“做CPU”。耳濡目染下,女儿对CPU的设计竟然也有了“心得”,“CPU就是在一张纸上画些方块,然后用线和箭头把这些方块连起来,再涂上点颜色,写上一些字,最后一烧,烧出一个亮晶晶的小方块。”女儿的话,总是逗得胡伟武哈哈大笑。

  如今,佳佳正在中科院攻读博士学位,也走上了科研之路。

  “龙芯”出世

  2002年8月10日凌晨6时08分,中科院计算所北楼105房间。一台计算机屏幕上如约出现“login:”字样。顿时,欢声雷动。

  安装了“龙芯1号”CPU的计算机正常启动工作。“龙芯”出世,中国人只能依靠进口CPU制造计算机的历史,在此刻终结。作为项目首席科学家,胡伟武流下热泪。

  将时针拨回到上世纪90年代末,小巧、便捷的通用计算机(如家用电脑)大规模涌入中国市场,迅速受到家庭、企业和单位的青睐。当时国内已经诞生一批通用计算机生产企业,但最关键的CPU芯片,全部依赖进口。没有谁愿意在芯片这个难题上下功夫,“既然国外产品更先进,为什么不用它们的”,这样的观点在当时很流行。

  有识之士已经意识到了“造不如买”的隐患。以夏培肃、金怡濂、李国杰为代表的一批科学家认为,通用CPU是核心技术,不可受制于人;中国市场这么大,利润不应该全部留给国外。1999年起,时任中科院计算所所长的李国杰院士奔走呼吁:“十五”期间要启动自主CPU的研发,要不然就没机会了。

  2000年10月,胡伟武回到了阔别9年的母校中科大。他是来做招生宣传的。忙完招生,胡伟武走进上学时的实验室,当年他做的那个电路系统,依旧静静地躺在角落里,桌面上放满了芯片、电容、电阻、电烙铁……一瞬间,胡伟武仿佛回到了十年前,那些没日没夜和逻辑门、触发器、译码器相伴的时光,依次浮现在眼前,探索未知的诱惑扑面而来。

  走出实验室,胡伟武就拨通了正在筹备CPU设计项目的中科院计算所系统结构室主任唐志敏的电话:“一两年之内不把通用操作系统boot(安装运行)起来,我提头来见”。

  2001年初,李国杰院士从计算所科研经费里挤出100万元,启动通用CPU研发。任务落在了胡伟武身上,那年他32岁。

  胡伟武又开始了没日没夜的奋斗。他带着学生们从头开始,一步步补课,最多时几天没有合过眼。

  2001年8月19日,胡伟武带领团队设计的Godson CPU成功地把LINUX操作系统boot起来。他没有食言。

  这只是刚刚开始。

  2002年,研发进入攻坚阶段,胡伟武迎来了一位战友——已经66岁的中科院微电子所研究员黄令仪。听说胡伟武团队要研制CPU,她主动带领学生加入,跟着大家一起加班熬夜,“每天早上7点我到所里,黄老师已经在了;晚上10点我准备离开,她还握着鼠标,紧盯屏幕上的设计方案,没有半点要下班的意思。”胡伟武回忆着,眼中满是钦佩。

  一次,黄令仪和一名学生围绕一个技术细节争论起来。“这样的技术细节犯不着这么较真啊!”学生说,“我不能留遗憾!”黄令仪吼道。原来,她心里始终扎着一根刺。1989年,黄令仪在国外参加一个芯片博览会,结果寻遍所有摊位,找不到一家中国企业,“1963年我做计算机研究,当时我们的集成电路研究水平和国外是同步的,为何现在有如此大的差距!”黄令仪说,“龙芯”给了她希望,她一定要做好。

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  2004年,胡伟武(右三)、黄令仪(右一)与龙芯课题组成员,在龙芯2C芯片设计运行成功后到天安门广场看升旗 龙芯中科供图

  虽然在胡伟武、黄令仪等人手中诞生的“龙芯1号”CPU,整体性能只相当于奔腾Ⅱ处理器的一半。但它完成了我国通用处理器从无到有的飞跃,更重要的是给了龙芯研发团队巨大的信心。2004年,胡伟武带领团队研制的“龙芯2号”处理器性能达到奔腾Ⅲ处理器的水平。如今,最新的“龙芯”处理器性能已经是“龙芯1号”的100多倍。

  期待“龙芯”出海

  “一直到现在,我们的CPU芯片性能距离国外顶级通用CPU,依然是有差距的。”胡伟武很清醒。这些年来,他带领团队一直在“补课”。他也深知,有的“课”可以在实验室里补,有的“课”则必须到市场中去补,“比如试错迭代”。

  2010年4月,中国科学院和北京市共同牵头出资入股,成立龙芯中科技术有限公司,胡伟武担任董事长,“龙芯”从研发走向产业化。

  2011年到2015年,“龙芯”用五年时间完成在市场中的第一轮试错迭代。2015年销售上万片CPU芯片,销售收入达到盈亏平衡。

  2016年到2019年,“龙芯”用四年时间完成在市场中的第二轮试错迭代,并在电子政务、工业控制等领域打开市场局面。同时,第三代处理器产品3A4000/3B4000成功推出,办公信息化应用全面展开。2019年各类CPU出货量达到几十万片。

  今年起,第三轮迭代已经开始,又是每年百万片的检验迭代……

  每一轮试错迭代,都暴露了数以万计的问题,解决了数以万计的“bug”(漏洞)。实验室研发芯片,通常以论文和评审答辩作为水平衡量标准,“我们从100片芯片中抽取10片完成答辩就行,有1%或者3%的瑕疵率,完全没问题。但作为市场化产品,这就完蛋了!客户的要求是1万片芯片瑕疵不能超过3片。”胡伟武说。

  第一轮迭代时,龙芯中科交付客户1万片芯片,结果因为装机后运行质量达不到要求而被全部退货,价值上千万元。胡伟武咬着牙接受了退货!“这是必须要吸取的教训!”此后,类似的情况再没有出现。

  今年,胡伟武他们最新研发的5000系列CPU,将采用12纳米工艺,预计单核通用CPU的性能较前一代产品提高50%,达到市场主流CPU产品的水平。胡伟武期待,2023年起,龙芯CPU可以参与开放市场和海外市场的竞争。胡伟武还有一个“初心”——打造全球第三大“芯片+操作系统”生态体系。但有一个前提,必须自力更生!

  不管多难,胡伟武都会坚持走下去。就像他的父亲当年穿山走梁,点着油灯给孩子们上课一样,是父亲的油灯,照亮了他和同龄人的科学梦。胡伟武坚信,中国“芯”也一定能吸引更多年轻人投身科研,为中国造“芯”。

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