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編者按：指令系統(tǒng)是CPU和操作系統(tǒng)的共同基礎，是信息產業(yè)的“根技術”。龍芯中科經過二十多年的努力，推出了自研的指令系統(tǒng)——LoongArch（以下簡稱“LA架構或龍架構”），并基于該指令系統(tǒng)，打造出性能達到市場主流產品的CPU。龍芯中科如何繼續(xù)縮小技術差距，豐富產業(yè)生態(tài)，走向更加開放的競爭市場。
近日，中國電子報總編輯胡春民與龍芯中科技術股份有限公司董事長胡偉武進行了深度對話。
對話人：龍芯中科技術股份有限公司董事長 胡偉武，《中國電子報》總編輯?胡春民
時? ?間：2024年7月3日
地? ?點：龍芯中科技術股份有限公司
加快構建自主可靠的信息技術體系
胡春民：當前各個領域都在加快培育新質生產力，我國電子信息產業(yè)如何發(fā)展新質生產力？作為電子信息產業(yè)的從業(yè)者，你如何理解這一話題？
胡偉武：我國信息產業(yè)發(fā)展新質生產力最重要的內容是構建自主的信息技術體系，其中包括指令集架構、CPU芯片、操作系統(tǒng)等。當前全球信息產業(yè)構建在西方主導的x86（Wintel）體系和ARM（AA）體系之上。2023年我國規(guī)上工業(yè)企業(yè)利潤率為5.8%，而電子工業(yè)利潤率為4.2%；2023年我國電子工業(yè)利潤總額為6411億元，而美國蘋果公司這一家公司的利潤總額就達到970億美元。我國信息產業(yè)發(fā)展新質生產力的根本出路在于構建獨立于x86體系和ARM體系的第三套信息技術體系和產業(yè)生態(tài)。龍芯團隊經過二十多年的努力，已經打牢了第三套信息技術體系的技術底座。我們推出了自己的指令系統(tǒng)——LoongArch。基于該指令系統(tǒng)，我們具備了自研性能達到市場主流產品的CPU和足夠成熟穩(wěn)定的操作系統(tǒng)。首先看硬件層面，龍芯于2023年推出的桌面端CPU龍芯3A6000，實測性能相當于英特爾公司2020年上市的第十代酷睿四核處理器；龍芯今年研制成功的16核及32核版龍芯3C6000服務器CPU，性能相當于英特爾公司Xeon 4314和6338；龍芯當前正在研制的3B6600八核桌面CPU使用成熟工藝預計單核/多核性能可以達到使用先進工藝的中高端酷睿12~13代水平。以上產品數據說明，經過二十多年的積累，當前龍芯CPU性能已經能夠達到主流市場產品的水平。從軟件生態(tài)來看，龍芯基于龍架構建成了與x86、ARM并列的Linux基礎軟件體系。這一成果可以分三個層次來談。
第一層是，龍芯在上游開源社區(qū)的支持程度上實現(xiàn)了質的突破。任何操作系統(tǒng)都離不開上游開源社區(qū)的支持，一個桌面/服務器操作系統(tǒng)需要數以萬計代碼包的支持，這些代碼包絕大多數來自國際開源社區(qū)，如瀏覽器、GCC編譯器等。在數以萬計的上游開源社區(qū)中，與指令系統(tǒng)相關的上游社區(qū)有上百個，全面接納了龍架構。隨著開源社區(qū)演進，這些代碼包除了有x86、ARM版本之外，也有龍架構的版本?；A軟件工程師可以在沒有龍芯公司支持的情況下，能夠完全基于國際開源社區(qū)構建完整的龍架構操作系統(tǒng)。這是中國人自主設計的指令系統(tǒng)第一次在國際上被全面認可。第二層是，國內外諸多操作系統(tǒng)社區(qū)都具備了龍芯的版本。其中包括統(tǒng)信、麒麟、歐拉、龍蜥、開源鴻蒙、Debian等。第三層是，許多基礎應用都具備了龍架構的版本。包括WPS、微信、QQ、釘釘、騰訊會議、美圖秀秀、搜狗輸入法等。
胡春民：當前中國CPU與國際領先水平差距很大，主要體現(xiàn)在哪里？龍芯最迫切解決的問題是什么？
胡偉武：在完成通用CPU和操作系統(tǒng)基礎軟硬件“補課”后，龍芯面臨的最大問題在應用軟件層面。就像Windows的應用不能直接在Android上運行一樣，Windows和Android的應用也不能在龍架構的CPU和操作系統(tǒng)平臺上運行。這個問題的解決，我們有兩條道路。一是在政策性市場的帶動下，大量的應用軟件開展了與龍架構的適配。另一條道路是“主動兼容”國際主流，采用二進制翻譯的技術，將原生于x86和ARM的應用軟件在龍芯CPU上運行起來。包括在龍芯的Linux平臺上兼容x86/Linux應用、x86/Windows應用以及ARM/Android應用。目前，在龍芯的Linux平臺上運行x86/Linux應用已經比較成熟，包括EDA工具、Oracle等大型x86/Linux軟件都可以在龍芯的Linux平臺上運行。當然，采用二進制翻譯的方式運行軟件會存在一定的效率損失。為彌補效率的損失，龍芯基于自研指令集架構的優(yōu)勢，采用了增加指令的方式，可以將翻譯軟件的效率提升至原軟件運行效率的80%以上，甚至更高。對于應用軟件的庫函數調用，則直接通過庫直通技術達到100%的翻譯效率，如大量游戲軟件會調用OpenGL圖形庫，這部分不用翻譯，直接調用龍架構的OpenGL即可。
胡偉武和技術人員一起查看測試情況在兼容x86/WIndows方面，龍芯主要實現(xiàn)了兩重突破。一是與外接設備的適配，比如許多打印機沒有適配Linux的驅動，只支持Windows系統(tǒng)，龍芯通過在Linux操作系統(tǒng)上實現(xiàn)Windows打印機框架，實現(xiàn)了龍芯與95%以上的打印機設備適配。二是龍芯的Linux瀏覽器實現(xiàn)了對Windows瀏覽器的兼容。由于Windows是一個相當復雜的系統(tǒng)，在不運行Windows的情況下直接運行Windows應用需要模擬整個Windows接口環(huán)境，所以將所有應用向龍芯遷移很難，我們現(xiàn)在能在不啟動Windows的情況下，運行Windows的常見應用。兼容x86/Windows應用的另外一個思路是直接在龍芯的Linux平臺上運行Windows操作系統(tǒng)，這件事容易得多。預計到2024年年底，在龍芯的Linux平臺上可以較流暢地運行Windows操作系統(tǒng)及其應用。從實現(xiàn)難度來看，在龍芯上運行安卓應用比較容易，且運行效率也很高，以后將根據需要展開。
二十余年從科研項目到企業(yè)成功上市胡春民：在龍芯發(fā)展的二十余年歷程中，有哪些標志性的成績？
胡偉武：我覺得龍芯的發(fā)展歷程可以按照每五年一個節(jié)點，分成四個階段。第一個階段是2001年到2005年。當時我國對于是否要自研CPU還沒有形成共識。2001年，時任中國科學院計算技術研究所所長的李國杰院士支持我們成立龍芯課題組，研制了“龍芯1號”CPU的FPGA原型系統(tǒng)，把操作系統(tǒng)跑起來。2002年，龍芯得到中國科學院知識創(chuàng)新工程的支持，研制成功“龍芯1號”CPU。在此基礎上，推動國家“863”項目支持自主CPU的研制，并研制成功“龍芯2B”“龍芯2C”“龍芯2E”系列CPU，每一款CPU性能都是上一款的3倍左右，實現(xiàn)了“三級跳”的跨越。2006年年初研制成功的“龍芯2E”性能達到高端Pentium III或低端Pentium IV的水平。第一個五年，我們在工程實踐中得到了第一個答案：中國能做自己的CPU。
胡偉武在進行CPU主板信號測試第二個階段是2006年到2010年。從2006年起，我們試圖將研究成果推廣到產業(yè)界應用，但四處碰壁，得到的反饋是：“我們連反向設計的都不敢用，更別說正向設計的了?！彼^反向設計，就是將別人設計的芯片剖開，對照版圖做一版相同的。但我們堅持自研，并持續(xù)在一些小型設備中嘗試應用。2008年開始，個別國家在戰(zhàn)略裝備和設備上開始選用我們的產品。2010年，在特定領域開始龍芯CPU的應用推廣。
第二個五年，我們在工程實踐中得到了第二個答案：中國能用自己的CPU。第三個階段是2011年到2015年。2010年左右，我們意識到當前的組織形式已經不足以支撐龍芯的發(fā)展，于是決定進行市場化運作。但這個階段，我們走了很多彎路，甚至對CPU性能的認識都走了彎路。最初，我們認為決定性能高低的是CPU核心數量，于是我們在英特爾生產的主流產品為4核的情況下生產了一款8核CPU。但使用時發(fā)現(xiàn)性能不佳。打個比方，如果將英特爾的處理器比作4個大學本科生的話，那么我們當時做的產品就相當于8個小學生。此后我們將關注點放在了單核性能上。
第三個五年，我們推動研制并使用自主CPU成為國家戰(zhàn)略，引進國外x86和ARM技術的國產桌面/服務器CPU也開始發(fā)展起來。第四個階段是2016年至2020年，龍芯實現(xiàn)性能和營收的“雙十倍”跨越。在研發(fā)關注點調整為單核性能后，五年時間里，我們的處理器單核性能提高了10倍，大致相當于達到了英特爾第三、第四代酷睿水平，達到了基本可用，甚至可用的水平。同時，企業(yè)營收增加了10倍，2020年實現(xiàn)營收達10億元，且實現(xiàn)了數以億計的凈利潤。
胡春民：龍芯2022年在科創(chuàng)板上市。從科研院所到自創(chuàng)企業(yè)再到成功上市，這一過程中有哪些力量發(fā)揮了關鍵作用？
胡偉武：我認為龍芯就是我國市場經濟條件下新型舉國體制的產物。龍芯的發(fā)展過程可以用一句話來概括：研發(fā)支持扶上馬，市場帶動送三程，各類資本全程保駕護航。從2001年開始做龍芯CPU到2010年，我們課題組一共花掉了各類科研項目經費達4億多元，這就是“研發(fā)支持扶上馬”。在我們的產品基本成形后，又獲得了市場應用方面的扶持，這就是“市場帶動送三程”。
其中，第一程是“十二五”期間，在特定領域的嵌入式系統(tǒng)中應用，這一階段我們的產品只要支持比較單一的應用即可，例如控制類系統(tǒng)、通信類系統(tǒng)，這類場景的可靠性、安全性要求較高，但應用場景相對單一，甚至一個設備能支持單一軟件就可以了。這一程給了我們軟硬件相磨合的機會。第二程是“十三五”期間，在以電子政務為代表的信息化系統(tǒng)中應用。Office、瀏覽器、微信、視頻會議等應用都需要在龍芯上運行。這一程支持龍芯桌面、服務器產業(yè)鏈的初步集聚。
第三程是“十四五”期間，從電子政務向金融、教育、能源、交通等其他應用場景中拓展。但這些場景的特點是，雖然其需要支撐的應用更加復雜，但是有邊界的。我相信，經過三程的市場帶動，龍芯CPU的性價比和軟件生態(tài)得到不斷迭代發(fā)展，到“十五五”期間，龍芯CPU可以走向開放的市場競爭。龍芯在發(fā)展過程中得到了包括國家科研經費、地方政府資本、社會資本以及公眾資本的全程“保駕護航”。
其中，從2001年至2010年，有各類國家科研經費的支持，相當于我們的天使投資；在我們創(chuàng)辦企業(yè)后，A輪融資得到了北京市政府協(xié)調北京工業(yè)投資公司的1億元投資，帶動了一家民營企業(yè)跟投了1億元；2015年，B輪融資中，私募基金鼎輝資本進入；后來還有國新資本、國家集成電路基金、互聯(lián)網基金等其他資本投資龍芯；2022年，龍芯上市，得到了公眾資本的支持。所以我們是在諸多類資本的幫助下，一路走到今天，這也體現(xiàn)了我國體制的優(yōu)勢。
2025年基本建成基于龍架構的自主生態(tài)胡春民：這個五年發(fā)展期，龍芯有哪些預期完成的目標？
胡偉武：在“十四五”（2021年至2025年）期間，我們要完成三個轉變：第一，從技術“補課”到生態(tài)建設的轉變。龍芯過去20年算是完成了技術“補課”，這個五年，我們的重點放在完善生態(tài)建設上。第二，從政策性市場向開放市場的轉變。過去我們主要圍繞政策性市場，而現(xiàn)在我們更多地面向開放市場。第三，從跟隨性發(fā)展的必然王國到自主發(fā)展的自由王國的轉變。我們力圖構建x86和ARM架構之外的第三套信息技術體系，走到今天，很多方面已經沒有了參照物，需要走出自己的道路。我們希望在2025年，基于龍架構的自主生態(tài)基本建成。在2030年，基于龍架構的自主生態(tài)更加完善。到2035年，形成與x86和ARM三足鼎立的態(tài)勢。
所謂的三足鼎立，是不能有數量級的差異。就像如果競爭對手占據整個市場份額的99%，而我們只占1%，這不算形成三足鼎立；但如果對手的份額占據90%，而我們能夠占到10%，那么三足鼎立的局面就算實現(xiàn)了。
龍芯的生態(tài)建設分為四個部分。第一是硬件生態(tài)，我們要為CPU配置相應的接口橋片、GPGPU芯片、服務器的BMC芯片及RAID控制芯片等配套芯片，從而實現(xiàn)整機的成本最低。第二是軟件生態(tài)，分夯實基礎、廣泛兼容和自主應用“三步走”來建設。所謂“夯實基礎”，就是龍架構Linux平臺的成熟穩(wěn)定。所謂“廣泛兼容”，就是在龍架構的Linux類操作系統(tǒng)上兼容x86/Linux應用、x86/Windows應用以及ARM/Android應用。所謂“自主應用”就是形成自主應用生態(tài)，就像手機的APP有iOS版和安卓版，希望未來電腦的APP有Windows版和龍芯版。
目前，我們已經完成了“夯實基礎”的第一個步驟，建成了與x86、ARM并列的Linux基礎軟件體系，正處在“廣泛兼容”的第二個步驟，同時通過大量應用適配開始了第三個步驟的工作。第三是人才生態(tài)，我們要推動大學課程采用龍架構作為教學用的指令系統(tǒng)，推動中小學信息化教育擺脫“微軟培訓班”的狀況，教授自主計算機平臺的使用。第四是產業(yè)生態(tài)，通過政策性市場應用帶動更多整機及系統(tǒng)企業(yè)采用龍芯芯片，通過不斷提高龍芯CPU的性價比并完善軟件生態(tài)吸引廣大產業(yè)鏈伙伴主動選用龍芯芯片。龍芯還設立了龍芯基金投資龍芯產業(yè)鏈“上下游、左右岸、干支流”生態(tài)伙伴。
未來以“性價比創(chuàng)新”挖掘紅海市場胡春民：當前的半導體行業(yè)競爭十分激烈，幾乎都是紅海市場，龍芯走向開放市場的機會何在？
胡偉武：2022年到2024年，龍芯開展了以面向開放市場為主要目的，以提高龍芯CPU性價比為主要手段的三年研發(fā)轉型，轉型的主要內容總結下來是四個字——“兩點一面”?！耙幻妗笔侵冈谡咝允袌鰩酉?，不斷提高龍芯CPU的系統(tǒng)性價比并完善軟件生態(tài)?，F(xiàn)在我國自主CPU主要包括x86、ARM、龍架構三條技術路線。一般認為，龍芯CPU最自主，但性能和軟件生態(tài)不如引進x86和ARM技術的其他CPU。
我們要把自主優(yōu)勢轉化為性價比和軟件生態(tài)的優(yōu)勢，做到“因為龍芯最自主，所以性能最高而且軟件生態(tài)最好”。例如，已經量產的龍芯3A6000桌面CPU，不論其性能和整機成本都比引進國外技術的國產CPU展現(xiàn)出優(yōu)勢；已經研制成功的龍芯3C6000系列16核、32核、60/64核服務器CPU性價比優(yōu)勢很大。相信隨著時間的推移，龍芯自主研發(fā)所展現(xiàn)出來的技術優(yōu)勢會更加明顯。
“兩點”的第一個點，就是基于通用CPU做專用解決方案。例如存儲服務器只需要運行一個軟件，可以避免生態(tài)壁壘的問題，只要能把該存儲服務器軟件遷移過來就可以了，龍芯CPU性價比高的優(yōu)勢就可以發(fā)揮出來。
“兩點”的第二個點是專用芯片。這類芯片應用比較固定，如嵌入式芯片、打印機專用芯片等，此類芯片需要運行的功能同樣相對簡單，龍芯可以通過自主研發(fā)做到成本最低。而不論做哪類產品，我們的市場策略是一致的——性價比創(chuàng)新。
龍芯要想在當前的半導體行業(yè)中找到自己的市場空間，其發(fā)展思路與上世紀90年代以服裝、鞋帽制造為主營業(yè)務的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)是一樣的，都要靠降低成本。當前龍芯的成本控制得非常好，這就使得在售價很低的情況下，我們還能做到比較高的毛利率。我們之所以能夠將成本壓縮到最低，離不開龍芯長期堅持自主研發(fā)芯片中用到的各種IP，包括系列化的CPU核、系列化的GPGPU核、高速內存接口、高速片間互連接口、高速IO接口、各類工業(yè)總線接口等上百種IP。
自研指令系統(tǒng)和IP核不僅可以節(jié)省數以億計的授權費和版稅，而且具備了針對不同應用場景靈活調整芯片架構、調整硅面積的能力。龍芯現(xiàn)在選擇市場目標的標準很簡單，我們就對標芯片的硅面積：在相同工藝下，如果能實現(xiàn)硅面積縮小20%以上，就開發(fā)這款芯片，否則不做。
龍芯3C6000例如，龍芯3A6000桌面四核CPU的單核和多核性能分別比上一代產品3A5000提高60%和100%，但硅面積降低了20%。龍芯3C6000 16核服務器CPU的多核性能比上一代產品3C5000提高100%，硅面積降低了20%。3A6000和3C6000的性價比是上一代產品3A5000和3C5000的3倍。又如，近期龍芯在做一款激光打印機主控芯片。對標芯片的硅面積約有二十幾平方毫米。如果我們沒有自研IP，那么就只能購買第三方設計的IP，其大小尺寸都固定了。但是我們自研IP，就可以按需改造和配置不同的接口、模塊等。例如，為了降低成本，我們把該芯片的內存控制器硅面積從5平方毫米壓縮到1平方毫米左右，整個芯片的硅面積不超過10平方毫米。比亞迪的新能源汽車為什么能與特斯拉競爭，也是靠性價比優(yōu)勢。龍芯也得這么做。
胡春民：現(xiàn)在許多芯片公司都在瞄準AI設計芯片，龍芯如何應對AI帶來的市場需求？
胡偉武：在去年公司內部的年終總結報告會上，我在2024年規(guī)劃部分提了一句口號：向AI進軍。我們正在培育、發(fā)展適合AI市場需求的技術。如果把信息產業(yè)比作蓋樓，那么到現(xiàn)在為止的信息產業(yè)共蓋了“三層樓”，每層樓有兩大核心技術。第一層樓的兩大核心技術是CPU技術和操作系統(tǒng)技術，第二層樓的兩大核心技術是網絡技術和圖形（含多媒體）技術，第三層樓的兩大核心技術是虛擬化技術（云平臺的核心技術）和智能化技術。龍芯耐著性子一層層地蓋，掌握了上述“三層樓”的六大關鍵核心技術，現(xiàn)在蓋到第三層了。
龍芯自研的圖形處理器（GPU）已經量產，自研的包括圖形加速和AI加速功能的GPGPU已經嵌入在龍芯2K3000 SOC中交付流片，并正在自研GPGPU專門芯片龍芯9A1000，它既是顯卡芯片又是AI加速卡芯片。龍芯自研了一種叫龍鏈（Loongson Coherent Link）的算力芯片間互連的技術。相較于PCIE，采用該技術可減少約一半的訪問延遲。隨著技術精進，我們還可以將延遲降得更低，大約降至PCIE的1/3左右。由于龍鏈具有后發(fā)優(yōu)勢，我們的協(xié)議比英偉達的NVLink更加簡潔高效。智能不是算出來的，而是連出來的。就像大腦中的單個神經元不具有智能性，連接之后才產生了智能。
2024年起，龍芯中科開始結合龍架構及自研的GPGPU芯片，發(fā)布支持OpenCL、SYCL等編程模型的算力基礎軟件，圍繞TensorFlow、PyTorch、PaddlePaddle等訓練框架，ONNX Runtime、OpenVINO、NCNN等推理框架開展算力芯片和AI框架的生態(tài)建設工作。龍芯目前的AI生態(tài)建設主要面向具有推理功能的“具身智能”，主要應用在各類無人終端上。在條件具備后再發(fā)展訓練類AI生態(tài)。
胡春民：龍芯對市場前景持怎樣的發(fā)展預期？
胡偉武：我自己還是非常樂觀的。因為，我國的信息產業(yè)不可能依靠x86和ARM，而龍芯是目前基于自主指令系統(tǒng)構建自主信息技術體系和產業(yè)生態(tài)的唯一選手。當前我國半導體產業(yè)正在脫虛向實。單純依靠資本支撐的創(chuàng)業(yè)企業(yè)，將面臨經營挑戰(zhàn)。而像龍芯這樣的企業(yè)在立穩(wěn)腳跟之后，會進入良性增長期。
通過2001年以來的二十多年積累，龍芯已經系統(tǒng)掌握了指令系統(tǒng)、CPU、操作系統(tǒng)的關鍵核心技術，龍芯CPU的性能已經達到世界先進水平，并開始顯現(xiàn)出性價比的優(yōu)勢，龍架構的軟件生態(tài)建設正在穩(wěn)步前進。目標已經明確，道路已經找到，我們只要保持定力，咬緊牙關，長期堅持，一定能建成獨立于x86和ARM的新型信息技術體系和產業(yè)生態(tài)。
作者丨許子皓編輯丨張心怡美編丨馬利亞監(jiān)制丨趙晨
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