國産芯片行業一直備受業内外人士的關注,但随着近些年西方國家的一些政策,中國芯的發展也遭受多方位打壓,禁止授權、斷供等操作屢屢發生,也是我們俗稱的 " 卡脖子 " 現象。
在這種環境下,因為缺少關鍵核心技術,沒辦法進行替代,為了企業能夠活下去,大部門國産芯片企業隻能選擇與虎謀皮,選擇在别人的框架規則下發展自己的芯片産業。但一旦被限制,就無力抵抗,就像被人扼住咽喉卡住脖子一樣難受。造不如買或許短期好用,卻終歸不是長久之計。
1 這家企業帶來了國産自主芯片
芯片作為電子硬件中最為精密的元件,制造絕非易事。除了廣為人知的光刻機制造外,芯片設計更是重中之重,框架規則限制就來自芯片設計中的底層芯片架構。所以想要突破制約,中國需要一套自主芯片架構。
在突破底層制約方面,其實有國内一家國産芯片企業已經邁出了第一步,它就是龍芯中科。
提起龍芯中科,大部分用戶應該都有一些印象,作為一家國産自研芯片企業,龍芯中科從中科院旗下課題組脫胎而生,已經有了 20 年曆史,積累了大量技術研發經驗。
在 2020 年龍芯中科推出了完全自主指令集龍架構(LoongArch),從此國内算正式擁有了自己的指令集架構生态。
2 為何要建立完全自主指令集架構?
指令集架構是 CPU 用來控制和計算指令的一種系統規範,也是芯片設計中最底層的一環,如果把芯片制造流程比作蓋房子,那指令集架構就相當于地基,重要性不言而喻。
目前桌面計算機是 X86 指令集架構體系的天下,移動端是 ARM 指令集架構的王朝。桌面端 X86 體系下有 Windows 系統和 Intel 構建的 Wntel 生态。移動端 ARM 下的安卓體系,一直是擋在芯片國産化前的幾座大山,依托于底層架構帶來的龐大生态體系難以撼動。
芯片目前國内企業發展芯片主要依靠購買國外授權為主,區别隻是誰用 X86,用 ARM 授權的問題,而有授權了就可以兼容 Windows 和開源的安卓,也是最容易讓芯片企業實現商業化的方法。
但最近幾年各種芯片斷供問題屢見不鮮,而 X86 和 ARM 又是最底層的指令,國内廠商根本無力抵抗斷供問題。
所以要真正的做出國産自主芯片,就要突破底層指令系統的封鎖,打造完全自己的指令集架構,建立自己的芯片生态環境,這也是龍芯推出龍架構的原因。
3 龍芯與 MIPS
龍架構的誕生并不是一帆風順。因為龍芯中科在 2019 年之前,旗下産品一直使用 MIPS 指令授權,龍架構也是龍芯與 MIPS 合作破裂後誕生的。
MIPS 是 X86 和 ARM 之外的另一大指令集,擁有開源特性同時可以自由更改增加指令,龍芯十分看重這一點,因此龍芯中科在 2010 年開始産業化時,選擇與 MIPS 合作,購買了終身授權,希望能在 MIPS 上構建自治生态。
但是很遺憾,從 2018 國内芯片行業受到打壓後,MIPS 在合作上也跟龍芯産生分歧,2019 年 MIPS 更是直接宣布關閉開源計劃。
MIPS 的閉源讓龍芯意識到,依靠國外授權發展自主芯片産業隻是在溫水煮青蛙,不掌握芯片核心架構設計根本無法打造國内自己的芯片産業,依舊受制于人。
龍芯中科董事長胡偉武先生也曾表示," 我過去有過幻想,我過去覺得基于 X86 和 ARM 不可能做自己的生态,但基于比較開放的指令系統,授權比較開放,比如說可以自己加指令,是可以做自己的生态的。但是這個幻想破滅了。"
所以在 2020 年,龍芯推出了完全自主指令集架構:龍架構(LoongArch),龍架構不是 MIPS,也不是其他指令系統授權,而是完完全全脫離授權的自主研發指令集。
4 20 年磨一劍
龍架構誕生是偶然也是必然,偶然的是 MIPS 突然閉源,讓龍芯有些措手不及,隻能在可能企業無法維持下去的情況下開啟了自主之路。
而必然在于龍芯已經有了 20 年的技術積累,MIPS 指令已經随着龍芯中科技術積累和發展不能滿足指令集拓展需求了,就算不閉源龍芯遲早也會走出自主指令這一步。
龍芯目前掌握兩大核心軟件:BIOS、操作系統内核(含驅動和虛拟化),三大編譯器:GCC、LLVM、GOLANG 以及三大虛拟機:Java、JavaScript、.NET 和兩大二進制翻譯系統:X86、ARM。
在這 10 個基礎能力下,龍芯才能打造出了自主又兼容的龍架構指令系統。
5 龍架構的挑戰與機遇
龍芯雖然突破了指令系統的制約,實現了真正意義上的獨立自主。但意味着龍芯雖中科從 10 年到現在發展的 MIPS 體系需要重新建立。
芯片本就是極其燒錢的行業,這讓從 2015 年開始好不容易轉虧為盈的龍芯無疑十分痛苦。由儉入奢易 , 由奢入儉難的道理誰都懂。
中國工程院院士倪光南先生曾說過國産軟硬件的發展過程一般要經曆 " 不可用 "-" 可用 "-" 好用 " 三個階段。龍芯在 MIPS 時代推出的 3A/3B4000 已經做到了好用。但更換為龍架構後,就要重新進行軟硬件的兼容優化,相當于房子推到重新打地基。
因此基于龍架構打造的 3A/3C5000 在剛開始發布時,能夠兼容的軟件極少,甚至還不如 3A/3B4000 可用的軟件多。而除了軟件方面,在 19 年到 21 時期,龍芯最大的問題是處理器和系統之間的兼容問題,雖然 MIPS 和龍架構使用的都是 Linux 生态,但在 19 年之前,國内 Linux 系統有上百家,做兼容十分費時費力。
而恰好也是 19 年,在系統兼容方面,龍芯迎來了轉機,也為龍架構的誕生創造條件
2019 年,工信部對國産系統進行了整合統一,給龍架構發展帶來了契機。從以前幾百個操作系統百花齊放,到統信和麒麟雙雄并立,龍架構需要解決的兼容少了很多,這也是讓龍架構在兩年内就基本解決了系統和處理器磨合問題的關鍵原因。
解決完系統問題,龍架構依舊不能成為一帆風順,軟件應用的兼容優化才是真正的大頭,這是龍架構形成生态的關鍵。想要滿足各種應用需求的龐大軟件生态,需要國内軟件廠商的群策群力。
6 2022 年龍架構生态發展
在 2022 年全球經濟高壓環境下,龍芯中科繼續研發龍芯第四代産品 3A6000 以及 3A7000。3A6000 與 3A5000 使用相同的工藝,但通過架構優化設計,定點和浮點分數大幅提升。根據 IPC 性能與 AMDRyzen 5 5600G 以及 i7-1165G7 相差不大,趕上了國際主流水準,而根據路線圖 3A6000 預計會在 2023 年正式推出。
穩紮穩打推陳出新的同時,龍芯中科也在 2022 年開始生态建設擴大自己的生态體系,與合作夥伴一起來完善自己的産品。
2022 年 1 月 13 日龍芯中科首屆龍架構生态創新大會召開,并發布龍芯生态白皮書,龍架構平台生态初步建立。就在同月,龍架構平台宣布與百度網盤适配成功,同時 FFmpeg5.0 也實現對龍架構平台的支持和優化。
而到了 6 月份,龍芯中科技術股份有限公司首次公開發行股票并在科創闆上市,這讓龍芯有更多的社會資本去進行研發和發展,從而建立自己的龍架構體系。
11 月,龍芯在 2022 年信息技術自主創新高峰論壇上,龍芯中科宣布和 ICISC 合作,開源龍架構,可以在龍芯上進行 EDA 工具的芯片設計。同時龍芯百芯計劃基地正式啟動,讓高校學生可以參與完成處理器芯片全流程設計,為國家培養更多高芯人才。
在這次論壇上,龍芯董事長胡偉武先生也明确指出,龍架構平台已經解決了 CPU 性能以及操作系統和處理器的兼容問題,而新的問題就是應用生态的問題。并确定未來兩年的目标是将龍芯中科自主研發優勢轉化為性價比和軟件生态優勢。這将是未來龍芯能否在民用消費級市場商業化的關鍵。
7 國産自主好用的 CPU 不遠了
目前基于龍芯龍架構打造的桌面、服務器、網安、密碼等産品已經廣泛應用于黨政、能源、交通、教育等多個行業。這無疑是芯片國産化的重要裡程,也讓龍芯中科距離讓中國人用上完全自主的 CPU 處理器的目标更進一步。
芯片行業不存在彎道超車,國産芯片落後是事實,所以龍芯中科 20 年來加倍努力,才成功實現最難的 0 到 1 突破,打破了指令集架構制約。龍架構平台還在逐漸壯大,努力與合作夥伴共建自主生态,曙光已現,相信未來幾年内每個人有機會使用到便宜好用的龍芯處理器産品。