CCCF专访 | 龙芯二十年

转载自：中国计算机学会（ID：ccfvoice）

文章来源：中国计算机学会通讯“动态”栏目

作者：陈云霁

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本文为 龙芯CPU首席科学家胡伟武关于龙芯CPU的技术、生态、研究进展和规划的分享 。

因为在国产CPU技术发展和产业化方面的突出贡献，龙芯CPU首席科学家胡伟武获得了2018年CCF王选奖。在CCCF对他的采访中，胡伟武深入地介绍了龙芯CPU的技术、生态、研究进展和规划，并首次披露了他在近20年龙芯CPU研制中的一些感悟。

关键词：龙芯  CPU生态建设

编者按

长期以来，国产通用CPU芯片受到了我国计算机从业者的广泛关注。龙芯CPU是国产通用CPU芯片的先驱，更是社会关注的焦点。中国科学院计算技术研究所总工程师胡伟武研究员是龙芯CPU首席科学家和龙芯中科技术有限公司总裁。得益于胡伟武近20年（2001~2019年）长期不懈的努力，龙芯CPU已经成功应用于包括北斗卫星在内的十几种国家重器、党政办公和能源等关键领域的信息基础设施中。因为在国产CPU技术发展和产业化方面的突出贡献，胡伟武获得了2018年CCF王选奖。为此，CCCF“动态”栏目编委对胡伟武进行了特别采访。在采访中，胡伟武深入地介绍了龙芯CPU的技术、生态、研究进展和规划，并首次披露了他在近20年龙芯CPU研制中的一些感悟。

龙芯CPU的现状和规划

问：龙芯是国产通用CPU芯片的先驱，是大家长期关注的焦点。很多CCF会员都想了解龙芯CPU的发展现状和未来规划，尤其是和国际同行的比较。

 

胡伟武：总体上，龙芯CPU在2020年将基本完成技术补课，达到美国超威半导体公司(AMD)的产品水平，配套基础操作系统(OS)成熟度达到Windows XP水平。

 

2013年左右，龙芯3A1000和龙芯3B1500经SPEC CPU 2006 测试的分值为2~3分，而现在龙芯3A3000达到了10分，龙芯3A4000达到了20分。经过我们的实测，28纳米工艺的3A4000与AMD在28纳米工艺上最后的产品Bulldozer相比，SPEC CPU 2006定点分值相当。提高定点分值是很难的，因为它代表着通用处理性能，而不是某个专用的性能，但是以前我们只提高了浮点。现在我们正在用14纳米工艺进行升级，性能还能再提高30%~50%。若提高到这个程度，就和AMD当前的单核性能比较一致了。这样，微结构的技术能力补课才算基本完成。

 

龙芯配套的基础操作系统的成熟度应该可以达到Windows XP系统的水平。在Windows操作系统的发展中，从Windows 3.0、3.1、3.2，一直到Windows 95、98、2000，平均每两三年就迭代一轮，而XP系统则十几年不变，甚至微软想升级系统的时候，许多用户都不愿意升级。所以 XP系统在成熟度方面是很成功的。我们的目标就是让操作系统的成熟度、稳定性能达到这个水平，功能、性能要超过Windows XP。

龙芯的生态

问：您的意思是龙芯要维护基础操作系统？

 

胡伟武：龙芯做基础操作系统与上文说的成熟度问题有直接关系，我们曾经吃过很多亏。比如龙芯下游有五个整机企业，三个操作系统企业，必然会出现十五个版本的操作系统。因为每个整机显卡、网卡都不一样，操作系统都要重新适配。但是一个微软操作系统不管谁的主板都能装，这和英特尔(Intel)的生态(outside)有关。我们都听过英特尔的一句广告语“Intel inside”，但其实英特尔的生态很厉害，比如它的主板硬件和操作系统的接口UEFI标准，实际上是把主板抽象化，对操作系统来说就是将任何IO设备都抽象成存储访问；但ARM的UBOOT就不行。英特尔主导的桌面PC还有一个特性，虽然接口很多，但设备插上去就能用；而手机只有一个USB接口，接上一个U盘可能可以使用，但打印机估计就驱动不了。正是因为英特尔规范了PC的软件协议，任何企业照着规范做，很容易就能兼容。龙芯的基础版操作系统Loongnix经过统一CPU、桥片、BIOS和操作系统等的若干规范，也可以针对不同的硬件平台做到操作系统级的二进制兼容。

 

龙芯采取的是“英特尔+谷歌”的模式，我们通过龙芯基础版操作系统，管住两个“面”。英特尔管住的是操作系统级的二进制兼容；谷歌管住的是操作系统和应用的界面，如通过谷歌的规范和管理，小米、华为的APP是兼容的。我们通过Loongnix这个平台，一方面要管住与硬件的二进制兼容，另一方面要管住与应用的二进制兼容。

问：龙芯做CPU的工作量已经很大了，做操作系统也需要很大的工作量。龙芯作为一个中等规模的企业，在人力成本上能扛住这么大的压力吗？

 

胡伟武：龙芯现在业务上形势很好。我们今年前上半年的销售收入是去年同期的3倍，已经超过去年全年，今年翻番已经是定局了，明年可能还会翻两番、三番。龙芯经过近20年的积累，2019年拉开了爆发增长的序幕，2020年、2021年将会迎来爆发增长期。

 

我在去年“中兴事件”发生时见过一张表，表上显示手机的国产芯片自主化率为22%，PC的国产自主化率为0%。我觉得今年PC国产自主化率会有1%，明年将有5%~10%。在这个情况下，龙芯的主要矛盾从“inside”转到了“outside”。过去，我们总是觉得CPU性能太低，操作系统不够稳定。未来主要矛盾体现为应用不够丰富和产业链不够完善。所以今年我们更加重视产业链建设和应用迁移工作，包括开始让专人负责高校合作计划。

问：龙芯在高校合作方面具体有什么计划？

 

胡伟武：现在龙芯可以说是解决了“温饱问题”，正在走向“小康”。我们2001~2010年在中科院计算所的技术积累、人才积累基本用完了。因此从明年开始，我们可能以龙芯实验室的名义，从预算里拿出千万量级的经费，与高校进行合作，建立一些联合实验室，培养龙芯生态的人才。目前我们已经在教育部计算机体系结构教学指导委员会的指导下，开展了两轮“龙芯杯”体系结构能力大赛。

 

在研究方面，我们准备与高校合作进行能力建设，比如编译人才的培养。目前我国缺少编译人才，而编译又非常重要，可以让系统性能提高30%~50%。我们还准备进行一些前瞻研究的建设，比如研究一些专用的处理器，研究云计算环境下的访存行为，研究如何为此改造缓存结构等。

 

通过高校合作也可以推广我们的自主平台、自主的教学模式，否则我们整个教育系统会成为微软、安卓的培训班。所以我们要以龙芯实验室的名义与高校和科研院所进行合作。

问：一些国内的企业，比如华为，是否会和龙芯形成产品和生态的竞争？

 

胡伟武：华为与我们不同。我觉得未来中国的CPU产业会有两支队伍，一支是华为，走IBM的模式；一支是龙芯，走英特尔的模式。

 

华为归根到底走的是IBM模式，手机垂直整合模式是它的强项，如果它销售芯片就不能做整机，销售收入会大幅下降。例如，中国的政策性市场桌面和服务器CPU销售额每年只有几十亿元，如果销售整机，销售额则是其5~10倍。

 

龙芯是以开放的性质做生态，走英特尔的模式。我们的下游客户有很多，在整机领域，有同方、方正、联想、浪潮、曙光这些企业的支持；在工控领域，有研祥、利时、浙江中控等企业的支持。这些都是相关领域最顶级的自主设备企业，是他们用龙芯芯片做成的设备在市场中与华为展开竞争，而不是龙芯直接与华为展开竞争。这就是生态的力量，英特尔就是这么做的，发动并且组织好“群众”。如果英特尔发动了很多“群众”，但没有形成合力，那也会输。就像我前面说的，当操作系统有两个“面”管住了，就能组织好、发动好“群众”，让他们形成合力。

 

华为的员工现在有18万人，我不知道它的研发人员有多少，至少有几万人吧，但这几万研发人员中进行CPU研发的会有多少？而在龙芯的下游客户中，基于龙芯CPU做软硬件研发的工程师也有几万人，估计到2020年会有十几万人。那时候整个龙芯体系的研发人员会多于华为的研发人员。很多人一说起华为就很害怕，还有人拿龙芯与华为比较，这说明龙芯一直在进步。我觉得龙芯现在是有资格的与华为比较的，但五年前，谁会拿龙芯与华为比较呢？华为走IBM的模式，龙芯走英特尔的模式，大家在市场上展开友好竞争，这对国家来说是有利的。

从中国体制内走向国际开放竞争

问：未来龙芯是否考虑参与到比较主流的国际开放竞争中？

 

胡伟武：我们要做x86、ARM之后的第三大生态，未来不会只有中国用，我们希望其他国家也用。2020年，我们将完成技术补课。2022年，龙芯的重心将开始慢慢转到开放市场。

 

在国外市场，我考虑先向西发展，也符合国家“一带一路”倡议。现在我们已经和包括巴基斯坦在内的“一带一路”沿线国家协商好，他们将从局部开始逐渐换成我们的体系。然后我们要发展到欧洲，最终走进美国、进入硅谷。这个时间段我觉得应该是以10年为周期的。到2030年前后，我们应该形成一个生态，第三世界 国家用的比较多，欧洲、美国也会用。你中有我、我中有你，我们的目标一直是“三分天下有其一”：Windows+Intel一分，ARM+Android一分，我们中国人一分。这样才是和谐的未来信息化格局。

龙芯的发展历程

问：龙芯已经走过了快20年，您能总结一下这20年的历程吗？

 

胡伟武：中国有几个谚语很好地体现了人民的智慧：事不过三，十年磨一剑，三十年河东三十年河西。这三个谚语正好可以用来总结龙芯的发展历程。

 

事不过三。我们在市场上经过三轮试错，从基本上可用发展到可用，再发展到好用。第一轮试错是2010~2014年，我们主要面向工控系统，面向简单应用与单一应用，做了很多工控类、装备类设备；第二轮试错是2014~2018年，我们主要面向电子政务系统、10万台规模的信息系统，终端、数据库服务器、应用服务器连在一起形成一个大型的信息平台，这轮试错之后，龙芯真正达到了可用的水平，目前在装有龙芯的电脑上运行电子政务、办公系统，与x86的体验几乎没有差别；第三轮试错将是在2019~2022年，这轮试错结束之后，龙芯就能做到好用，明年基本上会达到这个水平，到时用户体验将与使用英特尔差不多，龙芯就可以走向国际开放市场了。

 

十年磨一剑。从2001年起第一个十年，我们在中科院计算所做了积累；从2010年起第二个十年，我们完成了市场磨合的补课，完成了技术补课，成为了行业型的CPU龙头企业；从2020年起第三个十年，我们将面向开放市场与海外市场，完善生态。现在看来，达到第二个十年的目标没什么问题，但真正完成生态建设，我觉得还要10年。

三十年河东三十年河西。3×10=30，我们建立一个完备的新生态体系需要30年。古人的智慧多高啊，龙芯就是三个十年的迭代，三级楼梯向上发展。

问：现在龙芯的发展是不是遇到了历史机遇？

 

胡伟武：现在是有机遇。但对龙芯来说，大环境下的机遇是外因，龙芯的能力是内因，外因永远是通过内因起作用的。为什么很多引进CPU技术的企业都赔钱？他们的外因都比龙芯好，关键是内因不行。中国现在发展自主的信息产业体系，自己的能力和积累就是内因。

关于基础研究

问：您过去在基础研究方向做得非常好，获得过全国优博和国家杰青，但是最终走向了产业化的道路。作为一名基础研究者，我很想了解您现在对基础研究的看法。

 

胡伟武：为什么中国基础研究水平还不高，答案很简单，就是因为中国的经济还没发展到那个阶段。一个国家，当它的经济发展到圈地盖房就能成倍赚钱的时候，这个国家就不需要高科技，也不需要搞基础研究。现在圈地盖房已经开始不赚钱了，高科技产业发展的机会就来了。我觉得这是我们这一代人的使命。20世纪80年代，中科院计算所当时的状况是做不好研究的人去办企业，而现在，计算所最厉害的研究员都孵化了企业，这是个好现象。但是我们这代人，做以好奇心驱动的基础研究的条件还不成熟，中国的经济还没发展到这个阶段，未来十几、二十年，国家需要我们这代人把高科技产业做好。这样才允许未来有一些人做一些好奇心驱动的、前瞻的、基础的研究。

问：美国开国元勋托马斯·杰弗逊(Thomas Jefferson)说过：“我们这辈人骑在马背上征战，为的是让我们的儿女能慢下来，能够从事科学和哲学。”您怎么看？

 

胡伟武：本来就是这样。过去国家和国家间的竞争主要靠军队，现在还要靠企业。过去，仅仅靠几亿的农民工在一线“战斗”，流尽了血汗。有人在后方嘲笑他们：“你们的水平太低了，八亿件衬衫才能换一架飞机。”那时的科研人员没有起到太大的作用。经济发展到今天，我们确实看到很多农民工在一线撑不住了，裹着伤口、扶老携幼地退下来了。现在轮到科研人员上前线的时候了。

 

所以我觉得所谓的钱学森之问“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？”问得不是时候。科研水平是上层建筑，不能脱离生产力发展阶段而存在。美国工科的基础研究有自己的工业体系、企业来支撑。如果美国没有英特尔、IBM、谷歌、微软这些企业，你让斯坦福大学和麻省理工学院做什么？我国现在的高科技产业虽然有风险，但赚钱了，再过10年和美国比就没什么差距了，尤其是不受制于人了，那时候我们才有条件静下心来做好奇心驱动的研究了。科研人员有自己的使命。对我国“两弹一星”事业做出贡献的那些人，比如王淦昌，曾是国际上有名的物理学家，为做“两弹一星”而隐姓埋名，写不了论文。我们这代人也一样，写论文固然重要，但我们的使命就是再花10年的时间，把中国的高科技产业建起来，把生态建设起来，创造条件让下一代人做一些很好的基础研究。

问：20多年前您还在做基础研究时，有没有想象过自己会成为对我们国家CPU发展这么重要的一位领军人物？

 

胡伟武：没有，我读博士期间，经常到国外参加学术会议，会场上经常只有我一个人是中国大陆的，偶尔也会碰到国内某些研究所的，但是宣讲论文的一般只有我一个来自大陆。当时我就在想，如果在顶级国际会议上，有10%的论文是我国大陆发表的，就说明我们国家发展起来了。我当时的愿望就是，希望我们有一个体系结构实验室，一说起来某件事，全世界都知道这个实验室做得最好。我根本没有想过要做龙芯，做了龙芯之后，也根本没有想过要办企业。到现在也是，依然觉得能够在机房里面写代码很幸福，但是没办法，写不了了。

二十年的坚持

问：很多人都很好奇，您为何能在龙芯20年的发展历程中始终保持信心？您心里有没有打过退堂鼓？

 

胡伟武：信心的来源是坚持使命，坚持为人民做龙芯。其实国内专门做CPU的企业有五六家，只有龙芯能盈利。从2001年开始到现在，我们花费了国家5~6亿科研经费，而其他CPU企业拿到的经费至少是十亿量级的。但龙芯在中国经济不景气的情况下爆发增长。龙芯能在科研经费相对少的情况下盈利，内在因素是什么？就是坚持为人民做龙芯，而不是为上市挣钱。

 

我把中国的计算机产业分为三代。第一代完全自主但没有市场化，这是前30年。1991年我在中科院计算所读研究生的时候，计算所有自己的工厂，有CAD室专门做EDA工具。当时中科院软件所研发操作系统，中科院微电子所做芯片。那时中国什么都能做，但是没有市场化。第二代完全市场化但丧失了自主性，比如联想将PC市场占有量做到世界第一，但CPU和操作系统都受制于人。第三代是龙芯，使命就是在市场化条件下实现自主性，在开放的情况下打破垄断。第三代计算机人的精神传承来自第一代计算机人，市场化方法是向第二代计算机人学习的。我们的使命在这里，传承在这里。有时候确实觉得很辛苦，就好像背负着十字架过沼泽地。但是现在只剩下1/3的路，我们不能停下，停下就陷下去了。

 

我的观点是，每一代人有每一代人的使命。我现在的心愿就是要坚持完成我们第三代计算机人的使命，在市场化条件下，坚持自主，打破垄断。要做成一件事情，有三个条件缺一不可：一是耐得住寂寞，二是挡得住诱惑，三是受得了委屈。

作者介绍

陈云霁

CCF杰出会员，CCCF动态栏目编委。中国科学院计算技术研究所研究员。主要研究方向为智能芯片。cyj@ict.ac.cn

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