它的橫空出世，結束了中國信息產業的“無芯”歷史 |_風聞

張福新

中國科學院計算技術研究所研究員

張福新：龍芯是怎麼煉成的？來自格致論道講壇00:0022:59

龍芯是我國自己研發的一顆CPU芯片，2018年，我國中興通信公司——一個年產幾百億的高科技企業被美國製裁，差點就因芯片斷供而直接休克。

後來美國又制裁華為，我們都在看着一輪一輪的制裁。

直到今年美國使出大招，説我們只要用了美國技術的企業，就不能給華為服務，直接切斷了華為的生產渠道。

因為台積電的生產設備裏有美國技術，所以它就無法給華為生產，直接就把華為最新的mate pro變成了限量版。

通過一次次的事件，大家能夠看到芯片是多麼重要，芯片是紮紮實實地被卡着脖子。

CPU的研製

什麼是CPU呢？

**CPU應該説是芯片中的芯片，是芯片中最難做的一種芯片，**它的複雜度、性能要求是最高的，它是用在我們個人電腦、服務器等最需要性能的場合的。

這就是我們做的幾顆芯片的樣子，它最大也只有幾平方釐米，但是裏面大有玄機。

一顆芯片裏可以藏幾十億個晶體管，這是一個最基礎的單元，它一秒鐘能夠進行上百億，甚至更多的運算。

如果我們把科研比作攀登高峯，那麼做芯片可以説是在爬喜馬拉雅山，做CPU就是爬珠穆朗瑪峯。

國產芯片的市場情況是非常堪憂的，我們可以看到，各種領域裏，國產芯片的佔有率很多都是零，包括個人電腦和服務器裏用的CPU。

這個零，當然不代表完全沒有，只是説數量太少，可以忽略不計。

比如CPU這塊，我們這兩年進步很大，今年有希望把這個數字改成1%，但也就是僅此而已。

這樣的佔有率對我們來説，會有什麼樣的後果呢？

**我國每年在進口芯片上面，要花2000多億美金，**這是第一。

第二，因為我們無法做芯片，就佔不到產業的上游，真正的IT產業裏最賺錢的企業，往往都是上游這些做芯片的。

**我們整個電子信息產業中，百強企業的利潤加起來還不如美國一家蘋果公司的利潤，**這就是我們為此付出的代價。

當然這個情況不是沒有人看到，比如為什麼華為現在被美國製裁，仍然能夠挺住它的攻擊？

就是因為十年前，它就已經意識到這個風險，開始啓動了備胎芯片的計劃，在內部悄悄地做了很多芯片。

在科學界，我們計算所的老所長李國傑院士，也是早在2000年前後，就在國家到處呼籲，説我們必須立項做CPU了。

當時專家們有很多意見，就是大家都覺得這個太難了，現在還不到時候，所以當時從國家沒要到錢。

後來李所長就下定決心，從自己計算所有限的經費裏擠了100萬，先在所裏立了一個內部課題，鼓勵年輕人來做CPU，這時才有了我們龍芯課題組。

真正做起龍芯來時，我們才發現，做CPU不是爬一座山，而是爬N座山，這些山大概可以分成兩個羣。

一羣是來自CPU裏的，要做一個好的芯片，做一個性能很高的、用起來很快的芯片，有非常多挑戰。

但是，即使做出這樣一顆芯片，要放到市場上去能用起來，就意味着外面要打通一個產業鏈。

得有很多人願意用龍芯，願意給它做整機，願意給它寫軟件，要有一個繁榮的產業生態，在某種意義上來説難度更大。

裏面CPU的設計難在哪裏呢？

主要就是大、複雜，為什麼呢？

現在我們的半導體工藝發展很快，最新的工藝是5納米，5納米是什麼概念呢？

一根頭髮絲是80微米左右，5納米就意味着能在頭髮絲裏放16000根線，它能在頭髮絲這麼小的地方走那麼多。

一顆芯片裏，現在典型的能夠**在裏面放幾十億到上百億的晶體管，**這麼多資源在裏面怎麼指揮，怎麼組織分工協調，才能讓它發出最大的效力？

還有很多其他的侷限性，比如並不是堆得越多越好，它在工作時是會發熱的，熱到一定程度，它就無法再繼續工作。

而現在的芯片真正工作起來時，裏邊的熱的密度就差不多已經相當於電爐絲的密度了。

**在這種限制下，又不能無限制地堆，但是又要極限地去追求性能，極限地壓榨工藝的潛力，**這時就要想辦法去做設計挑戰。

設計又可以分成前端後端，比如這張圖展示的。

做前端就是要把100億個晶體管怎樣分類組織，要放幾個加法器，放幾個乘法器，放幾個做存儲，放幾個做寄存器。

它們彼此之間怎樣互聯互通的效率最高，最後形成一個設計，變成一個線路。

這個線路要跟具體的工藝相匹配，比如是要到台積電的7納米工藝上去做呢，還是在中興國際的28納米工藝上去做。

根據不同的工藝，它有不同的物理參數、物理特點，我們要把這兩個東西很好地匹配起來。

這裏面這麼多線，這麼多晶體管，只要任何一個出錯，就有可能導致整個芯片無法正常工作，所以芯片設計裏有很多挑戰。

思想晚餐

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龍芯橫空出世

從最早開始，我的運氣很好，在2000年進到計算所時，我的導師就是龍芯的總設計師——胡偉武老師。

那時胡老師也還年輕，剛剛開始帶學生，當時他從所裏揭英雄榜，把李所長立的100萬做芯片的前期研究的事承擔下來了，正在籌備着做龍芯。

所以我這20年，就一直在做這一件事情，從頭到尾，見證了龍芯的發展過程。

這張圖是我們最早做的龍芯一號，2000年課題組成立時，一共就有兩個老師和十幾個學生，包括老師在內，沒有人做過CPU，一切從零開始。

但那時大家都非常振奮，非常激動，覺得有這麼一個挑戰是機會難得，所以我們就沒日沒夜地看資料，去做各種設計討論，然後調試測試。

有一句話説：天道酬勤。

我的印象特別深刻，因為當時我們調試一些問題時，經常會發現，如果朝九晚五，下班到點就走，好像有些問題永遠也解決不了，始終沒有靈感。

但是如果下了狠心，説這個問題一定要解決，不解決就不回去睡覺。

這時熬上一天、兩天、三天，經常在深更半夜，夜深人靜時，一個靈感突然來了，問題就突破了。

所以那時，我們隔三差五地就會熬上一陣，碰到一根硬骨頭，就把它熬出來，一年時間，我們就把一個原型性的芯片做出來了。

於是中科院的領導非常高興，馬上就給我們追加了500萬的經費，使得我們能夠繼續往下做。

再過了一年，**2002年8月10日凌晨6點08分，這個芯片正式調試成功啓動。**胡老師也很高興，登錄到系統裏，輸入了一段話。

大概意思就是説，**今天我們中國信息產業無芯的歷史結束了，在場的人們見證了這個過程。**然後把我們在場人的名字全部都列在那裏。

現在我們回過頭去看，這個芯片還是一個很粗糙的設計，但是重要的是那時能有去做這件事的勇氣。

而龍芯一號出來後，大家信心大漲，我們從國家那邊，從863項目又得到了支持，繼續做龍芯2號。

因為那時國際上已經做了幾十年芯片了，我們從零開始，還有很多有差距的地方。

所以我們做了很多計劃，我們把國際上先進的技術一個一個拿來研究，研究透一個做一個，就是用小步快跑的策略，做了一系列的芯片。

但是，我們一開始就碰到一個很大的挫折，就是龍芯的第一個芯片叫2A，它拿回來後是半身不遂的。

這個芯片只能在電壓很小的範圍內工作，高了不行，低了不行，以沒達到我們的要求，就用不起來。

最後追究原因時發現，是我們對物理參數，對工藝的理解不夠透徹，因為我們都是做計算機出身的，工藝更需要做微電子和做物理的人。

所以我們當時從微電子所引進了黃令儀老師和他們團隊，就慢慢地把這塊短板補上了。

再接下去，就把一個個先進的技術往龍芯2裏面堆，努力地去追趕國際先進技術前沿。

2007年，芯片863驗收時，我們做出來的芯片已經比1號快了一個數量級以上，也就是10倍以上。

這時國家非常重視，當時的科技部部長徐冠華專門來參加龍芯的驗收會。

在龍芯2號做到一定程度時，我們覺得這個芯片已經差不多了，從很多參數來看，我們的確跟當時國際上最好的一些芯片相比，也沒有很大差距了。

所以當時國家正好做了16個重大專項的部署，其中第一個，就是核高基重大專項。

核高基就是**核心電子元器件高端通用芯片和基礎軟件，**就是為解決我們缺芯少魂的問題開設的。

我們從核高基那邊拿到了兩億多元，看上去是一筆鉅額的經費，然後就開始做龍芯3號。

當時我們對龍芯3號雄心勃勃，我們想通過多核技術，能夠一下站到世界前沿。

多核是什麼意思呢？

就是我們在一個芯片裏，同時擺好幾個CPU的核心，讓它能夠同時獨立地做好幾個不同的程序，這樣能夠增加程序的吞吐力。

當時主流的個人電腦還是單核或雙核，但我們上來3A1000就設計了四核，3B1500設計了八個核。

但是事實證明，**我們走了一個很大的彎路，**因為首先，多核芯片本身的技術很複雜，一下規模大增，各種測試驗證的複雜度都大了很多。

我們花了三年多的時間，才好不容易把這個芯片成功地量產。

但是這時拿到市場上一看，特別是桌面上的用户會説，感覺好像跟你三年前的龍芯2號也差不多。

然後我們一看，壞了，是我們的指標體系出了很大的問題，這就是我們做科研的一個毛病。

當時那些峯值指標確實已經是世界的領先水平了，但是，能表現出來的，在應用軟件能享受到的，還是其中的一個核。

那時很多軟件是為單核寫的，它用不起那麼多核，就像有一堆小學生，也並不能做一個大人能做的事情。

所以我們當時就**沒有全面地做好評估，忽略了單核這方面的提升，**然後我們痛定思痛，回過頭來再去提升我們的單核。

所以從3A1000到2000，我們用完全一樣的工藝，只靠設計，就把它的性能提高了三四倍，到今天最新的產品，已經足足提高了15倍以上。

我們也注意到，從用户能體驗到的性能，就是打開一個很複雜WORD文檔，在原來3A1000的時候要33秒，到2000的時候就只要6秒了，到現在鼠標一點就可以瞬開。

這就是我們面向市場、面向用户去不斷地優化後獲得的一些成績。

當然今天我們離最新的國際最先進的技術還有點距離，但是很多距離是來自於我們用的工藝。

國際上最新的已經是5納米了，我們的3A5000用的還只是12納米。

這是因為我國在工藝這塊仍然是一個短板，我們不敢用國際上最先進的工藝，擔心隨時被掐。

但在這一塊，應該説我們已經具備了一個很好的國際主流水平，進入了一個新的創新空間。

思想晚餐

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龍芯生態體系建設

當時很多專家認為我們做不了芯片，不是説我們做不出那麼一顆東西來，而是覺得這個東西無法把外面的產業生態做起來。

什麼叫做產業生態呢？

簡單地説分為兩個部分，一個是得有人願意來做你的芯片，就是他用你的芯片去做機器，然後去賣給用户。

另外一方面是電腦和別的東西不同，電腦上要跑軟件，上面得有豐富的軟件，用户覺得東西好用，他才會買。

這兩個東西都很麻煩，首先怎麼解決做機器的問題。

所裏2004年在江蘇省建了一個龍芯產業化基地，2005年把我派過去，因為那個基地就在紅色景區沙家浜旁邊，所以我們叫南下沙家浜。

我們到那邊去做產業基地，這對我來説是一個很大的挑戰。

因為我原來是天天坐在實驗室裏的研發人員，到那邊去要負責產業化，就是脱離了自己的舒適區。

我要想辦法學習，跟產業化的夥伴打交道。

我要去説服別人，展示龍芯有很多優點，讓大家用，然後從別人那邊收集反饋，有哪些方面不行，想辦法去補。

我作為芯片設計人員，要想辦法把我看到的問題反饋給芯片的改進團隊，然後我們要想辦法幫助下游的企業，想辦法解決它的問題。

還有就是我要去招人，要去管團隊，這些東西對我來説都是勉為其難，趕鴨子上架，但是既然做了，我們就一定要把它做成。

所以我咬着牙也就做下來了，具體做什麼事情呢？

我們首先要在那裏把要做的事情分為兩步，一個就是我們把實驗室的龍芯樣品，變成一個可以穩定地批量生產的產品。

這一點並不容易，最早的芯片是研究所做的，很多時候研究所沒有產業化的經驗，想不到很多東西。

比如我們最開始拿芯片去找別人生產，別人説你給我一個手冊，不好意思，手冊還沒寫好。

或者是要相關參數，要不然沒法做，那個參數還沒有測出來。

當時作為自己做設計的人，我們就起到了集中的作用。

**我們把產業的信息收集起來再反饋回去，要幫他們解決這個問題，**從一步步把這個樣品做到可以量產的產品，這裏我們學習到很多東西。

但是要能夠穩定可靠地做產品，還是不夠，還得想辦法要讓人願意買。

雖然這個東西穩定歸穩定，但是慢得像蝸牛一樣，或者乏善可陳，那也沒有人買。

所以我們要想辦法去找一個市場，可以體現出這個芯片的優點，能夠讓用户心甘情願地買單。

在這個過程中，要想辦法更多地瞭解我們的芯片和實際需求的吻合程度。

我們走過一個很大的彎路，如果當時我們對產品生態的理解能夠更好一點，也許就不會走那麼大的彎路，不至於在單核明明還有很大提升空間的情況下，就先放着了。

**從產品到商品，是產業化基地做的一個很重要的工作，**想單單在產業化基地裏零敲碎打地找一些人來做合作，找到幾個零碎的市場站住腳是不夠的。

我們經過一段時間的摸爬滾打，總結了一些經驗，就是我們要與業界優秀的企業合作。

現在電腦裏面基本上都是美國英特爾公司的天下，所有的人都圍着它轉。

但是就在這個情況下，也有像蘋果等公司，仍然有它的一席之地，它的MAC電腦很多人都愛用。

谷歌也在短短的幾年內，做出一個自己的很大的移動生態，所有手機都用它的操作系統，它們是怎麼做到的呢？

我們總結了六個字，就是要開放、兼容、優化。

什麼叫開放？

就像谷歌，它的很多軟件都是開源的，源代碼直接可以下過來，大家都可以用，包括它的移動操作系統。

當時移動的老大是諾基亞，但谷歌的東西又好用、又不要錢，直接就能用。

所以所有廠家就蜂擁而上，大家都去用它的系統，一下就把諾基亞打成了過去時。

英特爾也有很多值得學習的地方，它十年前的電腦拿到現在，來也還能跑今天的軟件，今天的電腦拿到十年前的軟件，裝起來也還能用。

這些東西很大地減少了整個產業鏈的損耗，這樣產業鏈的人就會願意用，因為這個東西不會總是改，不會浪費很多時間。

還有更重要的蘋果，它的iPad很好用，但iPad在最早開始出來時，它的芯片論運算能力，其實和英特爾當時的好芯片差距還是很大的。

但是大家感覺不到，大家的體驗很好，因為它的硬件和軟件高度匹配。

因為我們早期性能不太夠時，也不得不去做很多各種軟硬件協同的優化，然後發現這裏面的空間非常大。

比如最早的龍芯上網，在網頁裏上下拖動時，能感覺到有一點遲鈍。

但是我們**後來經過對軟件對硬件，兩個合起來做了優化後，速度提升了幾十倍，用起來時，有時感覺比PC還快，**這就是一個典型的例子。

圍繞着這六字方針，我們足足花了20年的時間，一點點地把自己的生態從無到有建立起來，從有到越來越優化、越來越好。

前段時間，我聽到一個同事在説，領了一台3A4000的筆記本拿來日常辦公，都沒想到有那麼好用。

他説這個用起來就沒覺得和原來的筆記本有什麼區別，這就是我們的生態。

現在具體是什麼樣的狀態呢？

應該説我們**從0%到1%，就是這兩年發生的事情，**這兩年整個國產的鏈條都發展得非常快，龍芯從端到雲，有一個產業生態體系。

**目前大概有超過2000家各種各樣的合作伙伴，**有做電腦的，有做軟件的，有做各種集成服務的。

有幾萬個龍芯的開發人員，現在在天天做龍芯相關的開發。

**我們今年已經賣了超過100萬顆龍芯的芯片，這些芯片很多都用在非常重要的領域，**2019年還是50萬，2020年就超過100萬了。

所以我們已經走上了一條發展的快車道，我們耳熟能詳的整機廠，像**聯想、同方、方正、浪潮、曙光，**這些我國最大的廠商，現在都在賣它們牌子的龍芯電腦。

所以應該説我們的產業鏈已經初具規模了，這也是我們努力20年的結果。

龍芯選擇的是一個HARD模式，即非常難的一種模式，走的是高度自主的路線。

因為CPU有很多種做法，我們可以去買一個別人現有的設計過來，只要花錢足夠，也有人能賣給你一些CPU設計。

也可以買別人CPU的指令集授權，然後自己做芯片，買別人指令集的用處就是借用別人軟件的生態，即別人已經做好的軟件。

指令集相當於CPU的語言，如果用這個語言，就不用再重新做一套軟件了。

而我們選擇了自己打造一個生態，選擇自己做一個指令集。

**因為我們把培育能力當做最優先的考慮，**因為我們國家要做自主可控，最終還是要掌握這些東西。

藉助別人的東西，可以快速地達到一定的發展效果，但是最終要想實現自由，還是要掌握自己的能力。

在這一方面，我們付出了很大的代價，過了20年，才擁有一點點規模，相對於現在成熟的幾千萬一年的生態還是很小的。

但是應該説，我們現在已經具備了一個很好的發展條件，我們的銷量每年在成倍地增長。

有一個這樣的起步，相信我們會走得越來越快，越來越能展示出我們的後發優勢。

因為我們自己做下來了，優勢很明顯。

我們在什麼地方都沒有黑盒子，可以非常容易地解決問題，問題在哪個地方，都可以把它抓出來解決掉，我們還可以做各種創新。

最後，分享我們計算所牆上的一句話，叫做**“科研為國分憂，創新與民造福”。**

我的導師的導師夏培肅院士，是整個國家計算機的創始人之一，她是做兩彈一星的計算機的專家。

到我們這一代做龍芯，包括我們計算所做的其他的項目，比如曙光機等，都是這樣。

我們整個所都奉行這樣的價值觀，我們也希望通過我們的努力，能夠真正地讓我們龍的傳人，都很快地用上龍芯。