龙芯建立自主指令集架构，打破国外封锁和制约
被称为龙芯之父的龙芯中科董事长胡伟武日前接受了采访，谈到了龙芯的发展。胡伟武表示，自己没有任何兴趣爱好，这一辈子刚好就一件事，就是要为国家打造一套新的信息产业生态体系，能实现自己的任务就完成了。胡伟武表示，他个人除了龙芯的目标没有其他目标，这个事情即使不给钱，不赚钱，他也很愿意干。根据胡伟武所说，龙芯建设生态就三项措施，第一夯实基础，推动操作系统跟硬件和应用兼容，升级后也不影响使用。第二广泛兼容，在Windows和安卓上能跑的软件应用也要在龙芯上跑，这需要磨合和工程投入，龙芯做了两三年已掌握底层能力，实现难度不大，但工程量不小。第三自主应用，要有自己的编程语言和编程框架，把浏览器等基础应用做扎实，形成自己的APP群。未来全球信息产业生态体系会有两大阵营，我希望到2025年龙芯的生态体系初步建成，2030年更加完善，2035年争取做到和Wintel、AA（安卓、ARM）三足鼎立。国产芯片行业一直备受业内外人士的关注，但随着近些年西方国家的一些政策，中国芯的发展也遭受多方位打压，禁止授权、断供等操作屡屡发生，也是我们俗称的“卡脖子”现象。在这种环境下，因为缺少关键核心技术，没办法进行替代，为了企业能够活下去，大部门国产芯片企业只能选择与虎谋皮，选择在别人的框架规则下发展自己的芯片产业。但一旦被限制，就无力抵抗，就像被人扼住咽喉卡住脖子一样难受。造不如买或许短期好用，却终归不是长久之计。1 这家企业带来了国产自主芯片芯片作为电子硬件中最为精密的元件，制造绝非易事。除了广为人知的光刻机制造外，芯片设计更是重中之重，框架规则限制就来自芯片设计中的底层芯片架构。所以想要突破制约，中国需要一套自主芯片架构。在突破底层制约方面，其实有国内一家国产芯片企业已经迈出了第一步，它就是龙芯中科。提起龙芯中科，大部分用户应该都有一些印象，作为一家国产自研芯片企业，龙芯中科从中科院旗下课题组脱胎而生，已经有了20年历史，积累了大量技术研发经验。在2020年龙芯中科推出了完全自主指令集龙架构（LoongArch），从此国内算正式拥有了自己的指令集架构生态。2 为何要建立完全自主指令集架构？指令集架构是CPU用来控制和计算指令的一种系统规范，也是芯片设计中最底层的一环，如果把芯片制造流程比作盖房子，那指令集架构就相当于地基，重要性不言而喻。目前桌面计算机是X86指令集架构体系的天下，移动端是ARM指令集架构的王朝。桌面端X86体系下有Windows系统和Intel构建的Wntel生态。移动端ARM下的安卓体系，一直是挡在芯片国产化前的几座大山，依托于底层架构带来的庞大生态体系难以撼动。芯片目前国内企业发展芯片主要依靠购买国外授权为主，区别只是谁用X86，用ARM授权的问题，而有授权了就可以兼容Windows和开源的安卓，也是最容易让芯片企业实现商业化的方法。但最近几年各种芯片断供问题屡见不鲜，而X86和ARM又是最底层的指令，国内厂商根本无力抵抗断供问题。所以要真正的做出国产自主芯片，就要突破底层指令系统的封锁，打造完全自己的指令集架构，建立自己的芯片生态环境，这也是龙芯推出龙架构的原因。3 龙芯与MIPS龙架构的诞生并不是一帆风顺。因为龙芯中科在2019年之前，旗下产品一直使用MIPS指令授权，龙架构也是龙芯与MIPS合作破裂后诞生的。MIPS是X86和ARM之外的另一大指令集，拥有开源特性同时可以自由更改增加指令，龙芯十分看重这一点，因此龙芯中科在2010年开始产业化时，选择与MIPS合作，购买了终身授权，希望能在MIPS上构建自治生态。但是很遗憾，从2018国内芯片行业受到打压后，MIPS在合作上也跟龙芯产生分歧，2019年MIPS更是直接宣布关闭开源计划。MIPS的闭源让龙芯意识到，依靠国外授权发展自主芯片产业只是在温水煮青蛙，不掌握芯片核心架构设计根本无法打造国内自己的芯片产业，依旧受制于人。龙芯中科董事长胡伟武先生也曾表示，“我过去有过幻想，我过去觉得基于X86和ARM不可能做自己的生态，但基于比较开放的指令系统，授权比较开放，比如说可以自己加指令，是可以做自己的生态的。但是这个幻想破灭了。”所以在2020年，龙芯推出了完全自主指令集架构：龙架构（LoongArch），龙架构不是MIPS，也不是其他指令系统授权，而是完完全全脱离授权的自主研发指令集。4 20年磨一剑龙架构诞生是偶然也是必然，偶然的是MIPS突然闭源，让龙芯有些措手不及，只能在可能企业无法维持下去的情况下开启了自主之路。而必然在于龙芯已经有了20年的技术积累，MIPS指令已经随着龙芯中科技术积累和发展不能满足指令集拓展需求了，就算不闭源龙芯迟早也会走出自主指令这一步。龙芯目前掌握两大核心软件：BIOS、操作系统内核（含驱动和虚拟化），三大编译器：GCC、LLVM、GOLANG以及三大虚拟机：Java、JavaScript、.NET和两大二进制翻译系统：X86、ARM。在这10个基础能力下，龙芯才能打造出了自主又兼容的龙架构指令系统。5 龙架构的挑战与机遇龙芯虽然突破了指令系统的制约，实现了真正意义上的独立自主。但意味着龙芯虽中科从10年到现在发展的MIPS体系需要重新建立。芯片本就是极其烧钱的行业，这让从2015年开始好不容易转亏为盈的龙芯无疑十分痛苦。由俭入奢易,由奢入俭难的道理谁都懂。中国工程院院士倪光南先生曾说过国产软硬件的发展过程一般要经历“不可用”-“可用”-“好用”三个阶段。龙芯在MIPS时代推出的3A/3B4000已经做到了好用。但更换为龙架构后，就要重新进行软硬件的兼容优化，相当于房子推到重新打地基。因此基于龙架构打造的3A/3C5000在刚开始发布时，能够兼容的软件极少，甚至还不如3A/3B4000可用的软件多。而除了软件方面，在19年到21时期，龙芯最大的问题是处理器和系统之间的兼容问题，虽然MIPS和龙架构使用的都是Linux生态，但在19年之前，国内Linux系统有上百家，做兼容十分费时费力。而恰好也是19年，在系统兼容方面，龙芯迎来了转机，也为龙架构的诞生创造条件2019年，工信部对国产系统进行了整合统一，给龙架构发展带来了契机。从以前几百个操作系统百花齐放，到统信和麒麟双雄并立，龙架构需要解决的兼容少了很多，这也是让龙架构在两年内就基本解决了系统和处理器磨合问题的关键原因。解决完系统问题，龙架构依旧不能成为一帆风顺，软件应用的兼容优化才是真正的大头，这是龙架构形成生态的关键。想要满足各种应用需求的庞大软件生态，需要国内软件厂商的群策群力。6 2022年龙架构生态发展在2022年全球经济高压环境下，龙芯中科继续研发龙芯第四代产品3A6000以及3A7000。3A6000与3A5000使用相同的工艺，但通过架构优化设计，定点和浮点分数大幅提升。根据IPC性能与AMDRyzen 5 5600G以及i7-1165G7相差不大，赶上了国际主流水准，而根据路线图3A6000预计会在2023年正式推出。稳扎稳打推陈出新的同时，龙芯中科也在2022年开始生态建设扩大自己的生态体系，与合作伙伴一起来完善自己的产品。2022年1月13日龙芯中科首届龙架构生态创新大会召开，并发布龙芯生态白皮书，龙架构平台生态初步建立。就在同月，龙架构平台宣布与百度网盘适配成功，同时FFmpeg5.0也实现对龙架构平台的支持和优化。而到了6月份，龙芯中科技术股份有限公司首次公开发行股票并在科创板上市，这让龙芯有更多的社会资本去进行研发和发展，从而建立自己的龙架构体系。11月，龙芯在2022年信息技术自主创新高峰论坛上，龙芯中科宣布和ICISC合作，开源龙架构，可以在龙芯上进行EDA工具的芯片设计。同时龙芯百芯计划基地正式启动，让高校学生可以参与完成处理器芯片全流程设计，为国家培养更多高芯人才。在这次论坛上，龙芯董事长胡伟武先生也明确指出，龙架构平台已经解决了CPU性能以及操作系统和处理器的兼容问题，而新的问题就是应用生态的问题。并确定未来两年的目标是将龙芯中科自主研发优势转化为性价比和软件生态优势。这将是未来龙芯能否在民用消费级市场商业化的关键。7 国产自主好用的CPU不远了目前基于龙芯龙架构打造的桌面、服务器、网安、密码等产品已经广泛应用于党政、能源、交通、教育等多个行业。这无疑是芯片国产化的重要里程，也让龙芯中科距离让中国人用上完全自主的CPU处理器的目标更进一步。芯片行业不存在弯道超车，国产芯片落后是事实，所以龙芯中科20年来加倍努力，才成功实现最难的0到1突破，打破了指令集架构制约。龙架构平台还在逐渐壮大，努力与合作伙伴共建自主生态，曙光已现，相信未来几年内每个人有机会使用到便宜好用的龙芯处理器产品。作为国产自研CPU的代表之一，龙芯目前已经全面切换到了自研的LoongArch指令集架构，做到了100%自主，因此市场拓展方面也更加灵活，除了消费级桌面、笔记本及服务器之外，现在龙芯也开始推工控系统。据龙芯中科公众号消息，日前中国工业互联网研究院（简称工联院）、深圳华龙讯达信息技术股份有限公司（简称华龙讯达）与龙芯中科技术股份有限公司（简称龙芯中科），在龙芯产业园举行“新型工业控制系统联合实验室”签约仪式。2020年龙芯中科自主指令系统LoongArch问世，基于龙芯二十年的CPU研制和生态建设积累，从顶层架构，到指令功能和ABI标准等，全部自主设计，不需国外授权。2021年7月，龙芯3A5000处理器发布，首次落地LoongArch指令集，性能逼近国际主流水平，标志着自主研发CPU的性能完全可以超过引进技术。在龙芯的产品中，龙芯3A系列主要面向消费级市场，龙芯3C系列则是针对服务器市场，2020年底中科院官网就预告了龙芯3C5000的信息。2021年11月，龙芯中科技术股份有限公司完成了基于自主LoongArch指令系统的龙芯3C5000服务器CPU的研制。龙芯中科拥有自主指令系统架构、CPU核心IP核和操作系统内核、编译工具链等核心技术。华龙讯达有经过多年实践检验的工控产品与系统解决方案和工程经验，而工联院在标准、检测认证、数字化转型示范推广方面有独特优势，这次三方是强强联合，可以促进从芯片、产品到系统的自主可控工业控制体系研究、推广和生态建设。