它的横空出世，结束了中国信息产业的“无芯”历史 |_风闻

张福新

中国科学院计算技术研究所研究员

张福新：龙芯是怎么炼成的？来自格致论道讲坛00:0022:59

龙芯是我国自己研发的一颗CPU芯片，2018年，我国中兴通信公司——一个年产几百亿的高科技企业被美国制裁，差点就因芯片断供而直接休克。

后来美国又制裁华为，我们都在看着一轮一轮的制裁。

直到今年美国使出大招，说我们只要用了美国技术的企业，就不能给华为服务，直接切断了华为的生产渠道。

因为台积电的生产设备里有美国技术，所以它就无法给华为生产，直接就把华为最新的mate pro变成了限量版。

通过一次次的事件，大家能够看到芯片是多么重要，芯片是扎扎实实地被卡着脖子。

CPU的研制

什么是CPU呢？

**CPU应该说是芯片中的芯片，是芯片中最难做的一种芯片，**它的复杂度、性能要求是最高的，它是用在我们个人电脑、服务器等最需要性能的场合的。

这就是我们做的几颗芯片的样子，它最大也只有几平方厘米，但是里面大有玄机。

一颗芯片里可以藏几十亿个晶体管，这是一个最基础的单元，它一秒钟能够进行上百亿，甚至更多的运算。

如果我们把科研比作攀登高峰，那么做芯片可以说是在爬喜马拉雅山，做CPU就是爬珠穆朗玛峰。

国产芯片的市场情况是非常堪忧的，我们可以看到，各种领域里，国产芯片的占有率很多都是零，包括个人电脑和服务器里用的CPU。

这个零，当然不代表完全没有，只是说数量太少，可以忽略不计。

比如CPU这块，我们这两年进步很大，今年有希望把这个数字改成1%，但也就是仅此而已。

这样的占有率对我们来说，会有什么样的后果呢？

**我国每年在进口芯片上面，要花2000多亿美金，**这是第一。

第二，因为我们无法做芯片，就占不到产业的上游，真正的IT产业里最赚钱的企业，往往都是上游这些做芯片的。

**我们整个电子信息产业中，百强企业的利润加起来还不如美国一家苹果公司的利润，**这就是我们为此付出的代价。

当然这个情况不是没有人看到，比如为什么华为现在被美国制裁，仍然能够挺住它的攻击？

就是因为十年前，它就已经意识到这个风险，开始启动了备胎芯片的计划，在内部悄悄地做了很多芯片。

在科学界，我们计算所的老所长李国杰院士，也是早在2000年前后，就在国家到处呼吁，说我们必须立项做CPU了。

当时专家们有很多意见，就是大家都觉得这个太难了，现在还不到时候，所以当时从国家没要到钱。

后来李所长就下定决心，从自己计算所有限的经费里挤了100万，先在所里立了一个内部课题，鼓励年轻人来做CPU，这时才有了我们龙芯课题组。

真正做起龙芯来时，我们才发现，做CPU不是爬一座山，而是爬N座山，这些山大概可以分成两个群。

一群是来自CPU里的，要做一个好的芯片，做一个性能很高的、用起来很快的芯片，有非常多挑战。

但是，即使做出这样一颗芯片，要放到市场上去能用起来，就意味着外面要打通一个产业链。

得有很多人愿意用龙芯，愿意给它做整机，愿意给它写软件，要有一个繁荣的产业生态，在某种意义上来说难度更大。

里面CPU的设计难在哪里呢？

主要就是大、复杂，为什么呢？

现在我们的半导体工艺发展很快，最新的工艺是5纳米，5纳米是什么概念呢？

一根头发丝是80微米左右，5纳米就意味着能在头发丝里放16000根线，它能在头发丝这么小的地方走那么多。

一颗芯片里，现在典型的能够**在里面放几十亿到上百亿的晶体管，**这么多资源在里面怎么指挥，怎么组织分工协调，才能让它发出最大的效力？

还有很多其他的局限性，比如并不是堆得越多越好，它在工作时是会发热的，热到一定程度，它就无法再继续工作。

而现在的芯片真正工作起来时，里边的热的密度就差不多已经相当于电炉丝的密度了。

**在这种限制下，又不能无限制地堆，但是又要极限地去追求性能，极限地压榨工艺的潜力，**这时就要想办法去做设计挑战。

设计又可以分成前端后端，比如这张图展示的。

做前端就是要把100亿个晶体管怎样分类组织，要放几个加法器，放几个乘法器，放几个做存储，放几个做寄存器。

它们彼此之间怎样互联互通的效率最高，最后形成一个设计，变成一个线路。

这个线路要跟具体的工艺相匹配，比如是要到台积电的7纳米工艺上去做呢，还是在中兴国际的28纳米工艺上去做。

根据不同的工艺，它有不同的物理参数、物理特点，我们要把这两个东西很好地匹配起来。

这里面这么多线，这么多晶体管，只要任何一个出错，就有可能导致整个芯片无法正常工作，所以芯片设计里有很多挑战。

思想晚餐

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龙芯横空出世

从最早开始，我的运气很好，在2000年进到计算所时，我的导师就是龙芯的总设计师——胡伟武老师。

那时胡老师也还年轻，刚刚开始带学生，当时他从所里揭英雄榜，把李所长立的100万做芯片的前期研究的事承担下来了，正在筹备着做龙芯。

所以我这20年，就一直在做这一件事情，从头到尾，见证了龙芯的发展过程。

这张图是我们最早做的龙芯一号，2000年课题组成立时，一共就有两个老师和十几个学生，包括老师在内，没有人做过CPU，一切从零开始。

但那时大家都非常振奋，非常激动，觉得有这么一个挑战是机会难得，所以我们就没日没夜地看资料，去做各种设计讨论，然后调试测试。

有一句话说：天道酬勤。

我的印象特别深刻，因为当时我们调试一些问题时，经常会发现，如果朝九晚五，下班到点就走，好像有些问题永远也解决不了，始终没有灵感。

但是如果下了狠心，说这个问题一定要解决，不解决就不回去睡觉。

这时熬上一天、两天、三天，经常在深更半夜，夜深人静时，一个灵感突然来了，问题就突破了。

所以那时，我们隔三差五地就会熬上一阵，碰到一根硬骨头，就把它熬出来，一年时间，我们就把一个原型性的芯片做出来了。

于是中科院的领导非常高兴，马上就给我们追加了500万的经费，使得我们能够继续往下做。

再过了一年，**2002年8月10日凌晨6点08分，这个芯片正式调试成功启动。**胡老师也很高兴，登录到系统里，输入了一段话。

大概意思就是说，**今天我们中国信息产业无芯的历史结束了，在场的人们见证了这个过程。**然后把我们在场人的名字全部都列在那里。

现在我们回过头去看，这个芯片还是一个很粗糙的设计，但是重要的是那时能有去做这件事的勇气。

而龙芯一号出来后，大家信心大涨，我们从国家那边，从863项目又得到了支持，继续做龙芯2号。

因为那时国际上已经做了几十年芯片了，我们从零开始，还有很多有差距的地方。

所以我们做了很多计划，我们把国际上先进的技术一个一个拿来研究，研究透一个做一个，就是用小步快跑的策略，做了一系列的芯片。

但是，我们一开始就碰到一个很大的挫折，就是龙芯的第一个芯片叫2A，它拿回来后是半身不遂的。

这个芯片只能在电压很小的范围内工作，高了不行，低了不行，以没达到我们的要求，就用不起来。

最后追究原因时发现，是我们对物理参数，对工艺的理解不够透彻，因为我们都是做计算机出身的，工艺更需要做微电子和做物理的人。

所以我们当时从微电子所引进了黄令仪老师和他们团队，就慢慢地把这块短板补上了。

再接下去，就把一个个先进的技术往龙芯2里面堆，努力地去追赶国际先进技术前沿。

2007年，芯片863验收时，我们做出来的芯片已经比1号快了一个数量级以上，也就是10倍以上。

这时国家非常重视，当时的科技部部长徐冠华专门来参加龙芯的验收会。

在龙芯2号做到一定程度时，我们觉得这个芯片已经差不多了，从很多参数来看，我们的确跟当时国际上最好的一些芯片相比，也没有很大差距了。

所以当时国家正好做了16个重大专项的部署，其中第一个，就是核高基重大专项。

核高基就是**核心电子元器件高端通用芯片和基础软件，**就是为解决我们缺芯少魂的问题开设的。

我们从核高基那边拿到了两亿多元，看上去是一笔巨额的经费，然后就开始做龙芯3号。

当时我们对龙芯3号雄心勃勃，我们想通过多核技术，能够一下站到世界前沿。

多核是什么意思呢？

就是我们在一个芯片里，同时摆好几个CPU的核心，让它能够同时独立地做好几个不同的程序，这样能够增加程序的吞吐力。

当时主流的个人电脑还是单核或双核，但我们上来3A1000就设计了四核，3B1500设计了八个核。

但是事实证明，**我们走了一个很大的弯路，**因为首先，多核芯片本身的技术很复杂，一下规模大增，各种测试验证的复杂度都大了很多。

我们花了三年多的时间，才好不容易把这个芯片成功地量产。

但是这时拿到市场上一看，特别是桌面上的用户会说，感觉好像跟你三年前的龙芯2号也差不多。

然后我们一看，坏了，是我们的指标体系出了很大的问题，这就是我们做科研的一个毛病。

当时那些峰值指标确实已经是世界的领先水平了，但是，能表现出来的，在应用软件能享受到的，还是其中的一个核。

那时很多软件是为单核写的，它用不起那么多核，就像有一堆小学生，也并不能做一个大人能做的事情。

所以我们当时就**没有全面地做好评估，忽略了单核这方面的提升，**然后我们痛定思痛，回过头来再去提升我们的单核。

所以从3A1000到2000，我们用完全一样的工艺，只靠设计，就把它的性能提高了三四倍，到今天最新的产品，已经足足提高了15倍以上。

我们也注意到，从用户能体验到的性能，就是打开一个很复杂WORD文档，在原来3A1000的时候要33秒，到2000的时候就只要6秒了，到现在鼠标一点就可以瞬开。

这就是我们面向市场、面向用户去不断地优化后获得的一些成绩。

当然今天我们离最新的国际最先进的技术还有点距离，但是很多距离是来自于我们用的工艺。

国际上最新的已经是5纳米了，我们的3A5000用的还只是12纳米。

这是因为我国在工艺这块仍然是一个短板，我们不敢用国际上最先进的工艺，担心随时被掐。

但在这一块，应该说我们已经具备了一个很好的国际主流水平，进入了一个新的创新空间。

思想晚餐

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龙芯生态体系建设

当时很多专家认为我们做不了芯片，不是说我们做不出那么一颗东西来，而是觉得这个东西无法把外面的产业生态做起来。

什么叫做产业生态呢？

简单地说分为两个部分，一个是得有人愿意来做你的芯片，就是他用你的芯片去做机器，然后去卖给用户。

另外一方面是电脑和别的东西不同，电脑上要跑软件，上面得有丰富的软件，用户觉得东西好用，他才会买。

这两个东西都很麻烦，首先怎么解决做机器的问题。

所里2004年在江苏省建了一个龙芯产业化基地，2005年把我派过去，因为那个基地就在红色景区沙家浜旁边，所以我们叫南下沙家浜。

我们到那边去做产业基地，这对我来说是一个很大的挑战。

因为我原来是天天坐在实验室里的研发人员，到那边去要负责产业化，就是脱离了自己的舒适区。

我要想办法学习，跟产业化的伙伴打交道。

我要去说服别人，展示龙芯有很多优点，让大家用，然后从别人那边收集反馈，有哪些方面不行，想办法去补。

我作为芯片设计人员，要想办法把我看到的问题反馈给芯片的改进团队，然后我们要想办法帮助下游的企业，想办法解决它的问题。

还有就是我要去招人，要去管团队，这些东西对我来说都是勉为其难，赶鸭子上架，但是既然做了，我们就一定要把它做成。

所以我咬着牙也就做下来了，具体做什么事情呢？

我们首先要在那里把要做的事情分为两步，一个就是我们把实验室的龙芯样品，变成一个可以稳定地批量生产的产品。

这一点并不容易，最早的芯片是研究所做的，很多时候研究所没有产业化的经验，想不到很多东西。

比如我们最开始拿芯片去找别人生产，别人说你给我一个手册，不好意思，手册还没写好。

或者是要相关参数，要不然没法做，那个参数还没有测出来。

当时作为自己做设计的人，我们就起到了集中的作用。

**我们把产业的信息收集起来再反馈回去，要帮他们解决这个问题，**从一步步把这个样品做到可以量产的产品，这里我们学习到很多东西。

但是要能够稳定可靠地做产品，还是不够，还得想办法要让人愿意买。

虽然这个东西稳定归稳定，但是慢得像蜗牛一样，或者乏善可陈，那也没有人买。

所以我们要想办法去找一个市场，可以体现出这个芯片的优点，能够让用户心甘情愿地买单。

在这个过程中，要想办法更多地了解我们的芯片和实际需求的吻合程度。

我们走过一个很大的弯路，如果当时我们对产品生态的理解能够更好一点，也许就不会走那么大的弯路，不至于在单核明明还有很大提升空间的情况下，就先放着了。

**从产品到商品，是产业化基地做的一个很重要的工作，**想单单在产业化基地里零敲碎打地找一些人来做合作，找到几个零碎的市场站住脚是不够的。

我们经过一段时间的摸爬滚打，总结了一些经验，就是我们要与业界优秀的企业合作。

现在电脑里面基本上都是美国英特尔公司的天下，所有的人都围着它转。

但是就在这个情况下，也有像苹果等公司，仍然有它的一席之地，它的MAC电脑很多人都爱用。

谷歌也在短短的几年内，做出一个自己的很大的移动生态，所有手机都用它的操作系统，它们是怎么做到的呢？

我们总结了六个字，就是要开放、兼容、优化。

什么叫开放？

就像谷歌，它的很多软件都是开源的，源代码直接可以下过来，大家都可以用，包括它的移动操作系统。

当时移动的老大是诺基亚，但谷歌的东西又好用、又不要钱，直接就能用。

所以所有厂家就蜂拥而上，大家都去用它的系统，一下就把诺基亚打成了过去时。

英特尔也有很多值得学习的地方，它十年前的电脑拿到现在，来也还能跑今天的软件，今天的电脑拿到十年前的软件，装起来也还能用。

这些东西很大地减少了整个产业链的损耗，这样产业链的人就会愿意用，因为这个东西不会总是改，不会浪费很多时间。

还有更重要的苹果，它的iPad很好用，但iPad在最早开始出来时，它的芯片论运算能力，其实和英特尔当时的好芯片差距还是很大的。

但是大家感觉不到，大家的体验很好，因为它的硬件和软件高度匹配。

因为我们早期性能不太够时，也不得不去做很多各种软硬件协同的优化，然后发现这里面的空间非常大。

比如最早的龙芯上网，在网页里上下拖动时，能感觉到有一点迟钝。

但是我们**后来经过对软件对硬件，两个合起来做了优化后，速度提升了几十倍，用起来时，有时感觉比PC还快，**这就是一个典型的例子。

围绕着这六字方针，我们足足花了20年的时间，一点点地把自己的生态从无到有建立起来，从有到越来越优化、越来越好。

前段时间，我听到一个同事在说，领了一台3A4000的笔记本拿来日常办公，都没想到有那么好用。

他说这个用起来就没觉得和原来的笔记本有什么区别，这就是我们的生态。

现在具体是什么样的状态呢？

应该说我们**从0%到1%，就是这两年发生的事情，**这两年整个国产的链条都发展得非常快，龙芯从端到云，有一个产业生态体系。

**目前大概有超过2000家各种各样的合作伙伴，**有做电脑的，有做软件的，有做各种集成服务的。

有几万个龙芯的开发人员，现在在天天做龙芯相关的开发。

**我们今年已经卖了超过100万颗龙芯的芯片，这些芯片很多都用在非常重要的领域，**2019年还是50万，2020年就超过100万了。

所以我们已经走上了一条发展的快车道，我们耳熟能详的整机厂，像**联想、同方、方正、浪潮、曙光，**这些我国最大的厂商，现在都在卖它们牌子的龙芯电脑。

所以应该说我们的产业链已经初具规模了，这也是我们努力20年的结果。

龙芯选择的是一个HARD模式，即非常难的一种模式，走的是高度自主的路线。

因为CPU有很多种做法，我们可以去买一个别人现有的设计过来，只要花钱足够，也有人能卖给你一些CPU设计。

也可以买别人CPU的指令集授权，然后自己做芯片，买别人指令集的用处就是借用别人软件的生态，即别人已经做好的软件。

指令集相当于CPU的语言，如果用这个语言，就不用再重新做一套软件了。

而我们选择了自己打造一个生态，选择自己做一个指令集。

**因为我们把培育能力当做最优先的考虑，**因为我们国家要做自主可控，最终还是要掌握这些东西。

借助别人的东西，可以快速地达到一定的发展效果，但是最终要想实现自由，还是要掌握自己的能力。

在这一方面，我们付出了很大的代价，过了20年，才拥有一点点规模，相对于现在成熟的几千万一年的生态还是很小的。

但是应该说，我们现在已经具备了一个很好的发展条件，我们的销量每年在成倍地增长。

有一个这样的起步，相信我们会走得越来越快，越来越能展示出我们的后发优势。

因为我们自己做下来了，优势很明显。

我们在什么地方都没有黑盒子，可以非常容易地解决问题，问题在哪个地方，都可以把它抓出来解决掉，我们还可以做各种创新。

最后，分享我们计算所墙上的一句话，叫做**“科研为国分忧，创新与民造福”。**

我的导师的导师夏培肃院士，是整个国家计算机的创始人之一，她是做两弹一星的计算机的专家。

到我们这一代做龙芯，包括我们计算所做的其他的项目，比如曙光机等，都是这样。

我们整个所都奉行这样的价值观，我们也希望通过我们的努力，能够真正地让我们龙的传人，都很快地用上龙芯。