龍芯中科研究報告-自主創(chuàng)新水平最高CPU

龍芯中科研究報告：自主創(chuàng)新水平最高CPU前言龍芯中科主營業(yè)務為處理器及配套芯片的研制、銷售及服務。區(qū)別于使用國外授權主流x86和ARM架構的公司，龍芯從建立之初強調

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自主創(chuàng)新”，最新產(chǎn)品3A5000/3B5000處理器是基于自研的LoongArch架構。公司目前已經(jīng)全面掌握CPU指令系統(tǒng)、處理器IP核、操作系統(tǒng)等計算機核心技術，打造自主開放的軟硬件生態(tài)和信息產(chǎn)業(yè)體系。公司基于信息系統(tǒng)和工控系統(tǒng)兩條主線，產(chǎn)品在電子政務、能源、交通、金融、電信、教育等行業(yè)領域已獲得廣泛應用。公司2021年實現(xiàn)營業(yè)收入12億元，其中工控類芯片、信息化類芯片、解決方案分別占比24.61%、54.71%、20.68%。從業(yè)務占比變化看，2020年開始信息化類芯片實現(xiàn)大幅度增長，主要系3A4000系列產(chǎn)品性能成倍提升，對虛擬化、安全機制等方面的支持加強，更加符合目前已進入快速增長階段的關鍵信息基礎設施領域的應用需求。公司實控人系胡偉武、晉紅夫婦，中科院計算所間接持股21.52%。胡偉武、晉紅夫婦通過持股平臺合計控制公司33.61%表決權，胡偉武擔任公司董事長、總經(jīng)理。國資部分，中科院計算所通過中可算源持股21.52%，北京市政府通過北工投持股7.17%。持股平臺涉及員工共167人，綁定公司利益。公司目前有天童芯源、芯源投資、天童芯正、天童芯泰、天童芯民5個持股平臺，其中員工持股比例為30.42%。胡偉武帶領團隊研制中國首款通用CPU，脫離體制艱苦創(chuàng)業(yè)。胡偉武先生獲得中科院計算所計算機系統(tǒng)結構專業(yè)工學博士，歷任計算所博士生導師、總工程師等職務。2001-2010年，實驗室開拓積累,主要靠國家經(jīng)費。2001年，胡偉武團隊利用100萬元經(jīng)費做出了龍芯的原型系統(tǒng)，在此后一年時間成功研制出中國首款通用CPU，終結了中國計算機只能進口通用CPU的歷史。2001-2010年，課題組先后得到了中科院知識創(chuàng)新工程、863、973、核高基等項目支持，總共花費約4億元國家經(jīng)費。2010年-至今，主動投入市場,建立正向循環(huán)。胡偉武帶領課題組絕大多數(shù)技術骨干主動離開體制，轉型開始市場化運作，從“專家實驗室認證”正式向“市場認證”過渡。2012年，由于國家重大專項資助重心偏移，自主通用CPU的支持力度減弱，“專用高性能”的路線使龍芯陷入危機，龍芯真正開始深入客戶和市場，開拓小而散的工控市場，于2015年營收破億元，實現(xiàn)盈虧平衡。2015年開始，龍芯在信息系統(tǒng)和工控系統(tǒng)同步推進產(chǎn)品迭代，不斷拓展應用領域。從學院派到做產(chǎn)品，龍芯已經(jīng)證明完成了轉變，2021年實現(xiàn)年產(chǎn)268萬顆CPU成績。人員方面，伴隨業(yè)務規(guī)模快速增長，用工人數(shù)增長較快，截至2021年末，公司研發(fā)技術人員占比超過65%。1.龍芯CPU自主創(chuàng)新程度最高，布局最可持續(xù)1.1CPU自主創(chuàng)新認知是進階過程在信息技術體系的主要依賴鏈中，我國目前在應用和整機的部分“上層建筑”中已經(jīng)具備較強的實力，應用層面有騰訊、金山辦公等全球知名廠商，整機層面包括聯(lián)想、浪潮信息等全球領先企業(yè)。然而從操作系統(tǒng)、CPU層級向下的“地基”部分卻長期依賴進口。若想實現(xiàn)完全自主創(chuàng)新，長期看還是需要深入到“根技術”——指令系統(tǒng)，否則依然會被在其他階段“卡脖子”。2000年以前，對CPU國產(chǎn)化討論和探索一直存在，但是基本局限于“專用高性能”

方向發(fā)展，對通用性探索較少。Intel從20世紀80年代開始與IBM及微軟合作，占領了PC和服務器端通用CPU全球的絕大多數(shù)市場，高利潤率使Intel有持續(xù)的大量的科研經(jīng)費投入，不斷甩開競爭對手。就國內基礎來看，CPU的復雜程度極高，前期需要的投入巨大，且產(chǎn)品可能難以望其項背，學術界和產(chǎn)業(yè)界多數(shù)人認為自研顯然不如外購劃算。2000年之后，我國逐步開始對通用CPU的探索。Windows的漏洞可能導致系統(tǒng)可靠性問題，2013年的“棱鏡門事件”推動去“IOE”，2018年以來的美國“實體清單”影響，2022年的俄烏沖突中，OpenBLAS等開源社區(qū)提議終端俄羅斯境內部分產(chǎn)品的適配，即使是開源社區(qū)都是有國界的。國產(chǎn)化的意義不僅是應對“斷供”風險，還出于對安全的考慮，防范CPU中的“后門”。“后門”是指能夠繞過正常的安全機制的方法，通常是設計者有意安排，被認為是“有意設下的秘密通道”。“后門”的方式是通過CPU的設計者未公開的接口收集用戶信息甚至實現(xiàn)惡意控制。2018年，安全領域BlackHat會議上《HardwareBackdoorsinX86CPU》披露了威盛公司C3處理器的一個后門，存在一條未公開的指令，可以使程序突破正常的安全限制，獲得最高權限，威盛公司并未正面回應是否為有意為之。國產(chǎn)CPU的“后發(fā)劣勢”明顯，在“十五”期間啟動發(fā)展國產(chǎn)CPU的泰山計劃，2006年正式啟動的“核高基專項”才讓國產(chǎn)CPU快速發(fā)展。在國家支持下，孵化出鯤鵬、飛騰、龍芯、兆芯、海光、申威等一批優(yōu)質國產(chǎn)CPU公司。1.2國產(chǎn)CPU的三條道路，龍芯自主創(chuàng)新水平最高當前，國產(chǎn)CPU公司走出三條不同的道路，核心區(qū)別在于選擇何種架構以實現(xiàn)國產(chǎn)化需求：1）X86架構：兆芯、海光。此種模式屬于IP內核授權的模式，目前是僅內核層級的授權，優(yōu)點是技術門檻低、性能起點高、沒有生態(tài)壁壘，缺點是自主創(chuàng)新的程度低，且購買授權的成本較高。以這條路線發(fā)展，不存在生態(tài)壁壘，在技術上通過不斷迭代逐步縮小差距。AMD是采用這種方式獲得市場，但是這種購買授權的方式，沒有從根本上解決自主創(chuàng)新的需求，市場上一些激進的聲音甚至認為使用X86的不能稱為“自主芯片”。2）ARM架構：飛騰、鯤鵬。此種模式為指令集架構授權，自主化程度相對較高，ARM主要有三種授權等級：其中指令集層級授權等級最高，企業(yè)可以對ARM指令集進行改造以實現(xiàn)自行設計處理器，此前海思、飛騰已經(jīng)獲得ARMV8永久授權，ARM此前確認ARMv9架構不受約束,華為海思依然可獲授權。以這條路線發(fā)展，存在較高的技術門檻，ARM架構目前在桌面和服務器端的生態(tài)遠不如X86，在前期的國產(chǎn)化替代中，應用到核心系統(tǒng)的案例較少。指令集架構的永久授權，一定程度上滿足了自主創(chuàng)新的需求，依然存在未來更新版本被斷供的風險。3）MIPS、LoongArch等自主架構：龍芯、申威。此種模式是自主研制的指令集，高度自主創(chuàng)新，但是技術門檻最高，生態(tài)構建極其困難。龍芯在前期使用買斷MIPS的架構，現(xiàn)階段已經(jīng)切換到純自主的LoongArch；申威目前在專用高性能方面比較突出，通用CPU探索較少。從自主創(chuàng)新程度而言，龍芯是自主創(chuàng)新程度最高的國產(chǎn)CPU。指令集“斷供”風險并不是“杞人憂天”，日本CPU曾因Intel“斷供”而一蹶不振。日本在歷史上的CPU水平僅次于美國，犯下的致命問題就是只重視CPU產(chǎn)品而忽視了生態(tài)的主導權。生產(chǎn)兼容CPU僅是美國公司的追隨者，無法繞開授權障礙。在日本公司貢獻力量將x86推廣成“世界通用標準”后，1986年在80386處理器即將上市之際，Intel斷供日本的32位CPU授權，從此日本的CPU產(chǎn)業(yè)便失去發(fā)展。指令集就是個標準規(guī)范，成果形式就是一份文檔。相比于CPU設計需要多年積累，指令集可能幾個月就能完成。但是世界上主流的指令集不超過10個，主要就是生態(tài)問題。軟件開發(fā)是高成本的工作，高質量的軟件銷售價格很容易超過計算機硬件，軟件廠商面對新的指令集時，很難有動力為其投入成本。高端CPU的指令集已經(jīng)比較復雜，遠遠超過簡單CPU，往往需要上百條甚至更多指令。其中像電源管理、安全機制、虛擬化、調試接口這次額技術，設計指令集時必須和CPU內部架構、操作系統(tǒng)進行統(tǒng)籌考慮。設置需要把CPU、操作系統(tǒng)原型都開發(fā)出來，經(jīng)過長期測試驗證才能保證指令集的設計達到完善程度。沒有強大的技術和資源積累，是沒有辦法支撐的。LoongArch與2021年4月15日正式發(fā)布，從頂層規(guī)劃到各指令部分的功能定義，再到細節(jié)上每條指令和每個寄存器的編碼、名稱、含義，全部自行設計。LoongArch指令系統(tǒng)已經(jīng)通過中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院的知識產(chǎn)權評估，認定其與ARM、MIPS、X86等為不同的指令系統(tǒng)設計。LoongArch充分考慮兼容現(xiàn)有生態(tài)，融合了國際主流指令系統(tǒng)的主要功能。依托龍芯團隊在二進制翻譯技術方面的十余年研究，能夠把現(xiàn)有龍芯計算機上應用程序的二進制無損自動翻譯到LoongArch，并支持多種國際主流指令系統(tǒng)（x86、ARM等）的高效二進制翻譯。作為過渡，二進制翻譯可以直接將x86和ARM上的軟件在LoongArch