| 关注：两种思路之争 中国“芯”路历程 |
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2002-10-08 11:41
作者： 李春喜
转自：
赛迪网-中国计算机报
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赛迪网独家特稿 9月28日，中科院计算所所长李国杰院士脸上阳光灿烂。计算所开发的我国第一枚通用CPU——龙芯1号正式亮相，结束了中国没有相关核心技术的历史。
CPU是计算机最关键、最核心的部件，缺乏具有自主知识产权的芯片尤其是中央处理器芯片，已成为我国计算机产业的一大“芯”病。中科院组织的鉴定结果显示，龙芯1号通用CPU芯片在总体上达到20世纪90年代中期的国际先进水平，居国内通用CPU研制领先水平。为了使这次“龙腾神州 芯系中华——中科院计算所迎接十六大创新成果展”活动能够达到既定的效果，计算所和媒体进行了几次沟通，希望能够在9月28日后统一发稿。
两种思路之争
中国该不该做CPU在业界一直有争论，主“战”派李国杰认为小米加步枪能够打败飞机大炮。但芯片设计能否真正撬动整个产业不是计算所能够左右的。
近年中国集成电路市场需求量增长率变化情况
中国自主开发的CPU芯片引发了媒体的热情，这种热情超出了中科院计算所的意料。令他们欣慰的是大多数媒体都为我国计算机核心技术上了一大步而叫好，不过，仍然有相当一部分媒体表示了质疑,只有20世纪90年代中期国际水平的龙芯能否抵御巨头竞争和芯片寒流的双重洗礼？对于外界的质疑，中科院计算所一直保持沉默。
其实，业界对于中国该不该做计算机CPU一直存在争论。以中科院计算所为代表的一方认为，CPU这种关键核心技术关系到国家安全战略，无论花多大成本都要做，不能受制于人；而另一种观点认为，并不是所有国家都在做CPU，我们不一定什么都要自己做，在CPU核心技术上，我们和国际巨头差距实在太远，需要花费的成本代价太高，费很大劲做出来一个落后很远的CPU没有任何商业价值。
9月28日，被国人寄予厚望的龙芯1号终于揭开了神秘的面纱。
“小米加步枪为什么可以打败飞机大炮，没有飞机大炮这个仗就不打了？”对于在核心技术上与国际巨头较量不啻于以卵击石的论调，9月25日，李国杰院士打破沉默给予了驳斥。
计算所是在CPU核心技术上的主“战”派，对于计算所来说，需要在计算机核心技术上有所作为，这是本身的职责所在，也直接决定它在中国科学界的地位。李国杰作为中国计算机技术的领军人物之一，担负着在国际巨头控制的计算机核心技术领域突破的使命，于是，他也为计算所选择了一条“宁可战死不愿等死”的道路；龙芯主要研发人员胡伟武博士对记者说，正是李院士身上这种不服输的精神激励着他顶住压力做成中国自己的高性能通用芯片——龙芯1号。
对于中科院计算所来说，龙芯1号仅仅是迈出的第一步；10月份开始，胡伟武和同事将挑战更高的目标——龙芯2号。
中科院计算所所长李国杰院士为龙芯的未来而沉思。
不过，应该看到,集成电路芯片背后是一个强大的产业链，而芯片设计只是其中的一个环节，这个支点能否撬动“地球”，并不是中科院计算所能够左右的。
中国“芯”路历程
一个大学毕业设计左右了他的人生，胡伟武重拾激情开始中国“芯”路历程，龙芯应该归功于好的技术路线和编译技术的突破。
9月26日，第一台基于龙芯的服务器——龙腾出世，改写了我国服务器行业无“芯”的历史。
1991年从中国科技大学计算机系毕业的胡伟武，怎么也没有想到自己本科的一个毕业设计会影响到自己未来的人生方向。
大学毕业后，胡伟武免试进了中科院计算所攻读博士，他说，如今，要找仍然搞硬件的同学已经凤毛麟角。
人生能有几回搏。正是这种拼搏精神激励着中科院计算所龙芯设计组走向成功。
“2000年初，李所长定下调子要做高性能通用CPU的时候我并不是很看好，觉得计算所做这个事没有多大把握；但是从那一刻我就决定要接下CPU项目，当时就给项目负责人唐志敏博士打了电话。”十年后，当胡伟武再次回到科大招生的时候，看到挂满电阻和电烙铁的大学毕业设计，心里又涌出昔日的激情和冲动。
2000年5月，胡伟武开始带领一批学生全身心投入了CPU的研发中，随之压力也接踵而来。“CPU就是一锤子买卖，成就成，不成就不成，几千万的资金不能就这么打水漂，那时夜里总是睡不着觉。”胡伟武说，最困难的时候是计算所所庆前后要拿出个东西来，但在只剩下两天的时候却遇到一个大的技术障碍，说实话，那时都想放弃了。
龙芯1号的设计成功吸引了众多的媒体关注，项目负责人唐志敏博士受到记者的围堵。
CPU芯片设计不是零分就是满分，没有中间可以选择。2001年10月份计算所终于成功研制出我国首枚与MIPS芯片完全兼容的高性能通用CPU芯片——龙芯CPU验证芯片；2002年9月28日，龙芯CPU正式发布并投入使用。
办公室成了设计人员加班的临时宿舍，从这里出世的“GODSON”了却计算所几代人的心愿。
胡伟武总结后来成功的经验就在于他们选择了比较好的技术路线。首先选择了从高性能入手，而不是从低端入手；由于主频做不过国外大公司，胡伟武选择了在结构上的创新和突破，通过结构的优化、并行编译和软硬件的协同来提升程序运行速度，弥补主频的劣势。其次，很重要的一点是采取了兼容的技术线路，无论是通用芯片还是嵌入式芯片，兼容就是生命，要它能跑起来就必须兼容，现在上面跑起来的东西仅源代码就超过1G。很多人都看中知识产权，其实知识产权问题是能够解决的，而最大的工作量在于软件，兼容就省了很多事。第三就是稳扎稳打。计算所大多数做CPU的人都没有做物理设计的经验，从不会到会是很难的；刚开始请别人做物理设计，跟在别人后面学，稳扎稳打，很快就掌握了物理设计的技术。
中科院计算所龙芯设计组全家福。
龙芯成功背后另一层没有人注意的原因在于编译技术上的重大突破。随着微处理器技术的飞速发展，芯片性能在很大程度上取决于编译器的质量，编译器成为计算机体系结构中的关键核心技术，地位变得越来越重要。我国要发展自己的CPU事业，必然要有自己的编译技术为后盾。
今年初，计算所与Intel合作的“IA-64开放源码编译系统（简称ORC）”通过了鉴定。“IA-64开放源码编译系统”是为Intel新一代64位处理器定制的优化编译器，可以提高处理器的整体性能和效率，是计算所与美国Intel公司的国际合作项目。作为下一代的64位主流处理器，IA-64将成为未来10-20年Intel 主推的产品。挟几十年编译技术的优势，经过近一年的潜心研究，计算所终于在国际前沿技术领域再有建树，ORC通过了CPU性能基准测试程序包CPU2000int的测试，性能比目前最先进的开放源码编译器Pro64 0.13版本高6%。Intel公司副总裁兼英特尔架构事业部首席技术官Patrick P. Gelsinger 曾评价说，该编译器将有利于Intel在全新的微处理器架构上快速实现飞跃。
不景气中的“好时机”
去年全球芯片销售狂泄不止刷新最高下跌记录，Intel等巨头遭遇历史最寒冷的季节纷纷进行调整，龙芯选择这样的时机追赶CPU芯片核心技术合适吗？
有关统计数据显示，2001年全球芯片工业的销售额只有1520亿美元，而上一年全球芯片销售额却是2270亿美元，下降幅度达到33%，刷新了最高下跌记录，成为芯片工业有史以来表现最差的一年。全球芯片业正在遭遇一场寒流。据统计，从去年以来，全球PC产业增长放缓，今年第一季度增长率干脆为零。
不过，CPU芯片事关国家安全和长远战略，花多大成本代价都必须攻破。的确，核心技术的突破是不容商量的，以李国杰为代表的一方观点代表了大多数关心中国计算机产业人士的心声，但目前Intel、AMD等全球芯片巨头都日子难过，龙芯的出击是否适时？
全球芯片工业的不景气为龙芯的产业化前景蒙上了一层阴影。很多人认为，目前，Intel与 AMD的利润都在下降，即使花费很大的代价把龙芯做得接近Intel奔腾系列CPU的性能，但等到我们做得水平很高了，这个市场也就没有了。李国杰认为，目前，芯片技术更新速度远远超过了市场的需求，市场不再盲目跟风，而是更理性地选择性价比。全球芯片业进入寒冬，市场驱动的压力会更大，技术的作用会明显减弱，应该说，现在是一个技术周期的低潮，龙芯选择这样的时机在技术上追赶Intel花费的成本会很低。
在“曙光”着陆
龙芯一出世就面临“曙光”，用龙芯的第一台服务器龙腾面市，自主研发的芯片有效降低了成本。
9月26日，尽管龙芯面市的消息还没有发布，但龙芯已经迎来了第一个用户。曙光信息产业有限公司推出了第一台基于龙芯的完全自主知识产权的服务器——龙腾服务器，彻底改写了我国服务器行业无“芯”的历史。这款中国完全自主知识产权的服务器，除采用龙芯CPU之外，还应用了曙光与国家智能计算机研究中心共同开发的龙芯专用主板，以及曙光自主研发的曙光Linux操作系统。
龙芯一出世面临曙光。“曙光是第一个吃螃蟹的人，国家安全这个市场很大，目前已经有一家单位表示要采购龙腾服务器了。”曙光信息产业有限公司总裁历军表示，龙腾服务器面对的是巨大的电子政务、金融、军队信息化等涉及国家安全的相对清晰的市场。
目前，社会需求的发展已经赶不上摩尔定律每18个月更新一次的速度，实际上最先进的处理器并没有被很好地加以应用，而成为了一种技术奢侈品，造成很大的浪费；从这个意义上说，技术水平低一些的产品可能更贴近实际应用水平，并不一定没有市场。
另一方面，有了自己量产的CPU芯片后，成本就可以降下来很大一块。”在计算所的创新成果展示现场，曙光龙腾服务器的一位工作人员这样对记者解释。
由于掌握了芯片设计内核，龙芯可以通过快速再设计变成专用芯片或者嵌入式芯片。而龙芯是自主设计的芯片，具有显著的成本优势；由于芯片采用正向设计而不是反向设计，不存在安全隐患，龙芯的竞争力将变得非常明显。
未来的路两条
中国人是否要用龙芯CPU的个人电脑？龙芯产业化的出路面临PC和行业服务两个方向，网络时代已经取代PC时代，Intel和AMD也在转型，这是否又会与龙芯不期而遇呢？
中国终于有了自己的CPU芯片，是不是龙芯将进入中国的个人电脑市场呢？走PC的道路还是走行业服务成为龙芯面临的两条出路。过去20年IT业属于PC的时代，而在这个时代有两个最核心的技术就是CPU和操作系统。
“不要走入误区，我们绝不是跟踪Intel；PC已经不是一个朝阳产业，我们没有必要去做PC，这不是明摆着碰钉子，如果我们跟着别人走，肯定会被卡脖子。”李国杰院士澄清了龙芯产业化的发展方向不是PC市场，龙芯产业化的重点是瞄准涉及国家安全的信息产品市场，主要应用在重要安全领域的行业服务器和嵌入式应用领域。
“我们不是说离开政府安全市场就无所作为了，龙芯的产业化同样要按照商业化的方向去运作。”龙芯项目负责人，中科院计算所体系结构室主任唐志敏博士表示，龙芯最终还是要走向商业化运作。
基于硬件的系统安全支持是龙芯1号的一大特点，对防御黑客与病毒攻击具有重要作用。龙芯1号主频可达266MHz,定点和浮点最高运算速度均超过每秒2亿次，可在Linux、VxWorks、Window CE等主流操作系统下运行；可用于网络计算机、网络相机、无线PDA、工业控制计算机等嵌入式设备以及与网络系统信息安全有关的产品，如防火墙、安全服务器、安全隔离卡、路由器等。龙芯另一个优势就是功耗小，龙芯1号实际运行功耗为0.4瓦，比一般的嵌入式芯片还要低。当人用手去触摸时，感觉不到电的发热感，很适合嵌入式芯片的特点。
为了避免正面竞争，龙芯在用于桌面计算时，选择了开放的Linux操作系统，充分利用网络计算做NC而不是PC，大幅度降低了成本；选择了RISC指令系统架构，而不是X86架构，绕开专利上的陷阱。龙芯NC很适合网络教育、电子政务、电子商务等行业服务领域的用户，总拥有成本更低。对于企业用户来说，PC的功能太多太强，很多功能用不上实际是一种浪费。
9月28日，中科院计算所和综艺股份合资的北京神州龙芯集成电路设计有限公司宣告成立，公司董事长由中科院计算所所长李国杰院士担任。开始设计龙芯的产业化。而计算所和江苏丹阳市合资成立的北京神州金鑫科技有限公司将负责NC项目的生产；丹阳市副市长陈步容在接受记者采访时表示，丹阳将成为龙芯试点的首个城市，丹阳的城市信息化、数字化都将采用龙芯。
背景
·中外资本中国夺“芯”
近日，Intel公司宣布其奔腾4将首次登陆中国生产。而近一段时期来，国际芯片巨头纷纷逐鹿中国绿洲，中外资本正在着争夺中国“印钞机”。
尽管全球芯片业依旧在低谷徘徊，但是国内芯片市场仍然有相当的潜力。据有关部门估计，到2005年前，中国半导体市场将以35％的年复合成长率增长，规模将高达400亿美元，芯片需求量更达170亿片；至2010年，中国将会成为世界第二大半导体市场。根据两院院士咨询组的预测，到2010年我国集成电路产值将达到2950亿元人民币，占全球的6％。如果按照大约60％产值来自封装、测试和设计，那么芯片制造销售额约为1200亿元人民币。
芯片有“现代印钞机”之称，吸引着各个城市一掷千金。2001年，中国内地半导体市场规模高达130亿美元，其中，由本地生产的不到10％；从去年下半年开始，北京、上海、深圳、广州、青岛、天津、成都、浙江等地均纷纷上马芯片工厂。而在全球芯片业陷入低潮之后，国际芯片巨头纷纷凭借资金和量产规模的强势竞争力杀入中国市场，中外资本开始“火拼”芯片业。
我国台湾省芯片双雄台联电和台积电都先后抢滩上海；威盛电子董事长王雪红以个人名义在上海投资封测厂威宇科技，计划与上海宏力合作封装测试代工。
两厢联系，中科院计算所和综艺股份合资投入5000万元开发的通用CPU芯片——龙芯1号，只是中外资本在中国争夺“芯”市场的一部分。
据《日本经济新闻》报道，索尼将于明年来华投资大概数十至一百亿日元，建设一家芯片封装厂，地点可能位于北京的索尼笔记本电脑制造厂附近。包括东芝、富士通、日立、三洋和NEC 在内的日商都扩大了在华芯片设计业务的投资。
Intel公司CEO贝瑞特9月9日也宣布，将在上海投资1亿美元对英特尔工厂进行扩建，以准备奔腾4芯片的封装和测试工序在中国进行；这是Intel的CPU芯片生产环节首次登陆中国，第一批“中国制造”的芯片可望在2003年上半年出厂。
美国摩托罗拉公司最近也决定斥巨资在天津上马它在全球的第17个芯片制造工厂。美国AppliedMaterials执行副总裁表示，将加大投资中国芯片业的力度，计划在华寻求伙伴，为美国等地工厂生产部分材料。预计到2005年，来自中国的订货额将翻番后达到10亿美元。
·部分主流CPU芯片一览
IBM POWER4
POWER4芯片拥有2个板上处理器。在被IBM称为处理器的单元内是不同的执行单元以及独立的一级指令和数据高速缓存。2个处理器通过内核接口单元CIU共享一个统一的二级高速缓存。CIU是L2其实现形式为3个独立的自主高速缓存控制器和2个处理器之间的一个交叉开关。每一高速缓存控制器可以并发方式运行，每处理器周期提供32字节的数据。
IBM已经声明将利用在0．13nm光刻处理中使用的IBM low－k技术。将积极将处理器的频率增加到2GHz以上。
当前的设计在整个系统中引入了并行性，以克服由于高频率运行而导致的相对而言增加的内存延迟。这种并行性允许在出现高速缓存未命中的情况下继续运行。未来的POWER4系统将继续这种设计，增加并行性，并提供更大的高速缓存。
Intel安腾2
安腾2比第一代Intel安腾处理器增加了2个整数单元和输出端口；拥有3MB三级集成高速缓存、256KB二级高速缓存和单周期延迟一级高速缓存；具有6．4GB/s系统总线带宽；浮点运算体系结构可加快复杂计算速度；先进的机器检查结构可广泛管理硬件、软件和操作系统中的错误；支持大型对称多处理器（SMP）系统和高度集群的配置。
在未来，Intel将采用更快的时钟频率。新一代代号为Madison和Deerfield的处理器将采用0．13微米工艺制造，以便带来更高的时钟频率和更快的速度。在其他方面，Madison将采用6MB上3级高速缓存。第五代Intel安腾处理器（代号为Montecito）将采用90纳米工艺制造。
Sun UltraSPARC Ⅲ
Sun 在9月23日推出UltraSPARC Ⅲ Cu 1200处理器，采用新的130毫微米生产工艺，其时钟频率为1．2GHz，比现有的Sun UltraSPARC Ⅲ Cu 1050处理器的速度提高14％；处理器的功耗从75瓦降到53瓦。Sun还特别改善了系统的RAS特性。
此外，Sun日前还公布了UltraSPARC Ⅴ处理器的一些技术特点：UltraSPARC Ⅴ拥有两种不同的工作模式，芯片会自动识别当前的处理任务并自动切换到相应的工作模式，以提高处理器的执行效能。
UltraSPARC Ⅴ处理器使用的0．09微米生产工艺，将大幅度提高芯片的集成度、速度，并降低芯片的生产成本。从某种意义上说，UltraSPARC Ⅴ结合了Itanium与PowerG4的特点。
·人物
胡伟武1968年11月出生于浙江永康1991年7月毕业于中国科技大学计算机系随后免试进入中科院计算所直接攻读博士学位师从著名计算机专家夏培肃院士。现任中科院计算所研究员、博士生导师。
胡伟武主要从事的科研任务包括两个方面：一是并行处理系统结构，主要是共享存储系统结构；二是高性能处理器系统结构及处理器设计。
2001年起，胡伟武开始主要从事处理器系统结构的研究和高性能处理器的设计，是龙芯处理器的主要设计人员。目前已经完成龙芯1号处理器设计以及联调，正在进行龙芯2号的设计工作。龙芯1号处理器2002年9月通过中科院组织的鉴定。
胡伟武至今还保存着大学毕业设计，龙芯的许多设计灵感源自这里。
昔日学计算机硬件的同学都纷纷转行去做软件，只有胡伟武依然坚守在计算机硬件领域。胡伟武说，他最喜欢计算所这个宽容自由的团队，没有他，计算所的龙芯照样可以获得成功，但是他离开了计算所就不可能获得成功。龙芯测试运行成功的那一天，已经七八年不喝酒的胡伟武破例与同事出去大喝了一场。
“大不了回家种田”胡伟武挂在嘴边的口头禅总是透露出一种冲动，正是这种决绝的精神培养了他不服输的毅力。
·链接：龙芯与龙腾
龙芯1号CPU是神州龙芯公司推出的兼顾通用及嵌入式CPU特点的32位CPU，是以中科院计算所研制的通用CPU为核心，基于0．18微米CMOS工艺，平均功耗0．5瓦，最大功耗不超过1瓦。支持最新版本的Linux、Vxwork、Windows CE等操作系统。其他性能指标为：一级指令CACHE为8KB；一级数据CACHE为8KB；浮点标准IEEE754；具有支持寄存器换名、动态调度、乱序执行等体系结构技术特性；总线频率为75MHz～133MHz。
在“龙腾”的整体设计中，作为第一款由中国自己正向设计的通用CPU——龙芯，不仅拥有动态流水结构、动态中断、高速缓存、浮点运算等多项重点专利，而且在能耗、系统安全支持等方面都表现出不俗的实力。
为配合龙芯的产业化，曙光还与计算所共同研发了专用主板和曙光Linux操作系统。龙腾服务器的主板拥有50－133兆外频，1－4个多选倍频，支持50兆－532兆主频的mipsCPU；商用南桥和北桥芯片，可以批量生产；支持PCI2．1总线标准提供4个PCI扩展槽；支持PC－100兼容的SDRAM；并提供了两个IDE接口，两个USB接口，一个并口，两个串口，一个PS2鼠标接口，一个标准键盘接口；BIOS为1MB闪存，可以进行软件升级。而曙光Linux则全面支持Linux和VxWorks两种主流操作系统，适应多种应用场合。
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