龍芯中科研究報(bào)告-自主創(chuàng)新水平最高CPU

龍芯中科研究報(bào)告：自主創(chuàng)新水平最高CPU前言龍芯中科主營業(yè)務(wù)為處理器及配套芯片的研制、銷售及服務(wù)。區(qū)別于使用國外授權(quán)主流x86和ARM架構(gòu)的公司，龍芯從建立之初強(qiáng)調(diào)

“

自主創(chuàng)新”，最新產(chǎn)品3A5000/3B5000處理器是基于自研的LoongArch架構(gòu)。公司目前已經(jīng)全面掌握CPU指令系統(tǒng)、處理器IP核、操作系統(tǒng)等計(jì)算機(jī)核心技術(shù)，打造自主開放的軟硬件生態(tài)和信息產(chǎn)業(yè)體系。公司基于信息系統(tǒng)和工控系統(tǒng)兩條主線，產(chǎn)品在電子政務(wù)、能源、交通、金融、電信、教育等行業(yè)領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用。公司2021年實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入12億元，其中工控類芯片、信息化類芯片、解決方案分別占比24.61%、54.71%、20.68%。從業(yè)務(wù)占比變化看，2020年開始信息化類芯片實(shí)現(xiàn)大幅度增長，主要系3A4000系列產(chǎn)品性能成倍提升，對虛擬化、安全機(jī)制等方面的支持加強(qiáng)，更加符合目前已進(jìn)入快速增長階段的關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用需求。公司實(shí)控人系胡偉武、晉紅夫婦，中科院計(jì)算所間接持股21.52%。胡偉武、晉紅夫婦通過持股平臺(tái)合計(jì)控制公司33.61%表決權(quán)，胡偉武擔(dān)任公司董事長、總經(jīng)理。國資部分，中科院計(jì)算所通過中可算源持股21.52%，北京市政府通過北工投持股7.17%。持股平臺(tái)涉及員工共167人，綁定公司利益。公司目前有天童芯源、芯源投資、天童芯正、天童芯泰、天童芯民5個(gè)持股平臺(tái)，其中員工持股比例為30.42%。胡偉武帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制中國首款通用CPU，脫離體制艱苦創(chuàng)業(yè)。胡偉武先生獲得中科院計(jì)算所計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)專業(yè)工學(xué)博士，歷任計(jì)算所博士生導(dǎo)師、總工程師等職務(wù)。2001-2010年，實(shí)驗(yàn)室開拓積累,主要靠國家經(jīng)費(fèi)。2001年，胡偉武團(tuán)隊(duì)利用100萬元經(jīng)費(fèi)做出了龍芯的原型系統(tǒng)，在此后一年時(shí)間成功研制出中國首款通用CPU，終結(jié)了中國計(jì)算機(jī)只能進(jìn)口通用CPU的歷史。2001-2010年，課題組先后得到了中科院知識創(chuàng)新工程、863、973、核高基等項(xiàng)目支持，總共花費(fèi)約4億元國家經(jīng)費(fèi)。2010年-至今，主動(dòng)投入市場,建立正向循環(huán)。胡偉武帶領(lǐng)課題組絕大多數(shù)技術(shù)骨干主動(dòng)離開體制，轉(zhuǎn)型開始市場化運(yùn)作，從“專家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證”正式向“市場認(rèn)證”過渡。2012年，由于國家重大專項(xiàng)資助重心偏移，自主通用CPU的支持力度減弱，“專用高性能”的路線使龍芯陷入危機(jī)，龍芯真正開始深入客戶和市場，開拓小而散的工控市場，于2015年?duì)I收破億元，實(shí)現(xiàn)盈虧平衡。2015年開始，龍芯在信息系統(tǒng)和工控系統(tǒng)同步推進(jìn)產(chǎn)品迭代，不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域。從學(xué)院派到做產(chǎn)品，龍芯已經(jīng)證明完成了轉(zhuǎn)變，2021年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)268萬顆CPU成績。人員方面，伴隨業(yè)務(wù)規(guī)?？焖僭鲩L，用工人數(shù)增長較快，截至2021年末，公司研發(fā)技術(shù)人員占比超過65%。1.龍芯CPU自主創(chuàng)新程度最高，布局最可持續(xù)1.1CPU自主創(chuàng)新認(rèn)知是進(jìn)階過程在信息技術(shù)體系的主要依賴鏈中，我國目前在應(yīng)用和整機(jī)的部分“上層建筑”中已經(jīng)具備較強(qiáng)的實(shí)力，應(yīng)用層面有騰訊、金山辦公等全球知名廠商，整機(jī)層面包括聯(lián)想、浪潮信息等全球領(lǐng)先企業(yè)。然而從操作系統(tǒng)、CPU層級向下的“地基”部分卻長期依賴進(jìn)口。若想實(shí)現(xiàn)完全自主創(chuàng)新，長期看還是需要深入到“根技術(shù)”——指令系統(tǒng)，否則依然會(huì)被在其他階段“卡脖子”。2000年以前，對CPU國產(chǎn)化討論和探索一直存在，但是基本局限于“專用高性能”

方向發(fā)展，對通用性探索較少。Intel從20世紀(jì)80年代開始與IBM及微軟合作，占領(lǐng)了PC和服務(wù)器端通用CPU全球的絕大多數(shù)市場，高利潤率使Intel有持續(xù)的大量的科研經(jīng)費(fèi)投入，不斷甩開競爭對手。就國內(nèi)基礎(chǔ)來看，CPU的復(fù)雜程度極高，前期需要的投入巨大，且產(chǎn)品可能難以望其項(xiàng)背，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界多數(shù)人認(rèn)為自研顯然不如外購劃算。2000年之后，我國逐步開始對通用CPU的探索。Windows的漏洞可能導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性問題，2013年的“棱鏡門事件”推動(dòng)去“IOE”，2018年以來的美國“實(shí)體清單”影響，2022年的俄烏沖突中，OpenBLAS等開源社區(qū)提議終端俄羅斯境內(nèi)部分產(chǎn)品的適配，即使是開源社區(qū)都是有國界的。國產(chǎn)化的意義不僅是應(yīng)對“斷供”風(fēng)險(xiǎn)，還出于對安全的考慮，防范CPU中的“后門”。“后門”是指能夠繞過正常的安全機(jī)制的方法，通常是設(shè)計(jì)者有意安排，被認(rèn)為是“有意設(shè)下的秘密通道”。“后門”的方式是通過CPU的設(shè)計(jì)者未公開的接口收集用戶信息甚至實(shí)現(xiàn)惡意控制。2018年，安全領(lǐng)域BlackHat會(huì)議上《HardwareBackdoorsinX86CPU》披露了威盛公司C3處理器的一個(gè)后門，存在一條未公開的指令，可以使程序突破正常的安全限制，獲得最高權(quán)限，威盛公司并未正面回應(yīng)是否為有意為之。國產(chǎn)CPU的“后發(fā)劣勢”明顯，在“十五”期間啟動(dòng)發(fā)展國產(chǎn)CPU的泰山計(jì)劃，2006年正式啟動(dòng)的“核高基專項(xiàng)”才讓國產(chǎn)CPU快速發(fā)展。在國家支持下，孵化出鯤鵬、飛騰、龍芯、兆芯、海光、申威等一批優(yōu)質(zhì)國產(chǎn)CPU公司。1.2國產(chǎn)CPU的三條道路，龍芯自主創(chuàng)新水平最高當(dāng)前，國產(chǎn)CPU公司走出三條不同的道路，核心區(qū)別在于選擇何種架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化需求：1）X86架構(gòu)：兆芯、海光。此種模式屬于IP內(nèi)核授權(quán)的模式，目前是僅內(nèi)核層級的授權(quán)，優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)門檻低、性能起點(diǎn)高、沒有生態(tài)壁壘，缺點(diǎn)是自主創(chuàng)新的程度低，且購買授權(quán)的成本較高。以這條路線發(fā)展，不存在生態(tài)壁壘，在技術(shù)上通過不斷迭代逐步縮小差距。AMD是采用這種方式獲得市場，但是這種購買授權(quán)的方式，沒有從根本上解決自主創(chuàng)新的需求，市場上一些激進(jìn)的聲音甚至認(rèn)為使用X86的不能稱為“自主芯片”。2）ARM架構(gòu)：飛騰、鯤鵬。此種模式為指令集架構(gòu)授權(quán)，自主化程度相對較高，ARM主要有三種授權(quán)等級：其中指令集層級授權(quán)等級最高，企業(yè)可以對ARM指令集進(jìn)行改造以實(shí)現(xiàn)自行設(shè)計(jì)處理器，此前海思、飛騰已經(jīng)獲得ARMV8永久授權(quán)，ARM此前確認(rèn)ARMv9架構(gòu)不受約束,華為海思依然可獲授權(quán)。以這條路線發(fā)展，存在較高的技術(shù)門檻，ARM架構(gòu)目前在桌面和服務(wù)器端的生態(tài)遠(yuǎn)不如X86，在前期的國產(chǎn)化替代中，應(yīng)用到核心系統(tǒng)的案例較少。指令集架構(gòu)的永久授權(quán)，一定程度上滿足了自主創(chuàng)新的需求，依然存在未來更新版本被斷供的風(fēng)險(xiǎn)。3）MIPS、LoongArch等自主架構(gòu)：龍芯、申威。此種模式是自主研制的指令集，高度自主創(chuàng)新，但是技術(shù)門檻最高，生態(tài)構(gòu)建極其困難。龍芯在前期使用買斷MIPS的架構(gòu)，現(xiàn)階段已經(jīng)切換到純自主的LoongArch；申威目前在專用高性能方面比較突出，通用CPU探索較少。從自主創(chuàng)新程度而言，龍芯是自主創(chuàng)新程度最高的國產(chǎn)CPU。指令集“斷供”風(fēng)險(xiǎn)并不是“杞人憂天”，日本CPU曾因Intel“斷供”而一蹶不振。日本在歷史上的CPU水平僅次于美國，犯下的致命問題就是只重視CPU產(chǎn)品而忽視了生態(tài)的主導(dǎo)權(quán)。生產(chǎn)兼容CPU僅是美國公司的追隨者，無法繞開授權(quán)障礙。在日本公司貢獻(xiàn)力量將x86推廣成“世界通用標(biāo)準(zhǔn)”后，1986年在80386處理器即將上市之際，Intel斷供日本的32位CPU授權(quán)，從此日本的CPU產(chǎn)業(yè)便失去發(fā)展。指令集就是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，成果形式就是一份文檔。相比于CPU設(shè)計(jì)需要多年積累，指令集可能幾個(gè)月就能完成。但是世界上主流的指令集不超過10個(gè)，主要就是生態(tài)問題。軟件開發(fā)是高成本的工作，高質(zhì)量的軟件銷售價(jià)格很容易超過計(jì)算機(jī)硬件，軟件廠商面對新的指令集時(shí)，很難有動(dòng)力為其投入成本。高端CPU的指令集已經(jīng)比較復(fù)雜，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過簡單CPU，往往需要上百條甚至更多指令。其中像電源管理、安全機(jī)制、虛擬化、調(diào)試接口這次額技術(shù)，設(shè)計(jì)指令集時(shí)必須和CPU內(nèi)部架構(gòu)、操作系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。設(shè)置需要把CPU、操作系統(tǒng)原型都開發(fā)出來，經(jīng)過長期測試驗(yàn)證才能保證指令集的設(shè)計(jì)達(dá)到完善程度。沒有強(qiáng)大的技術(shù)和資源積累，是沒有辦法支撐的。LoongArch與2021年4月15日正式發(fā)布，從頂層規(guī)劃到各指令部分的功能定義，再到細(xì)節(jié)上每條指令和每個(gè)寄存器的編碼、名稱、含義，全部自行設(shè)計(jì)。LoongArch指令系統(tǒng)已經(jīng)通過中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院的知識產(chǎn)權(quán)評估，認(rèn)定其與ARM、MIPS、X86等為不同的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)。LoongArch充分考慮兼容現(xiàn)有生態(tài)，融合了國際主流指令系統(tǒng)的主要功能。依托龍芯團(tuán)隊(duì)在二進(jìn)制翻譯技術(shù)方面的十余年研究，能夠把現(xiàn)有龍芯計(jì)算機(jī)上應(yīng)用程序的二進(jìn)制無損自動(dòng)翻譯到LoongArch，并支持多種國際主流指令系統(tǒng)（x86、ARM等）的高效二進(jìn)制翻譯。作為過渡，二進(jìn)制翻譯可以直接將x86和ARM上的軟件在LoongArch