國產(chǎn)CPU擬科創(chuàng)板IPO，回顧龍芯發(fā)展史

12月28日，北京證監(jiān)局網(wǎng)站顯示，龍芯中科技術股份有限公司（以下簡稱“龍芯中科”）與中信證券于2020年12月簽署《關于首次公開發(fā)行人民幣普通股（A股）并上市之輔導協(xié)議》。協(xié)議顯示，龍芯中科擬于上交所科創(chuàng)板上市。

中科院計算所持股21.52%

官網(wǎng)顯示，龍芯中科致力于龍芯系列CPU設計、生產(chǎn)、銷售和服務，主要產(chǎn)品包括面向行業(yè)應用的“龍芯1號”小CPU、面向工控和終端類應用的“龍芯2號”中CPU、以及面向桌面與服務器類應用的“龍芯3號”大CPU。

“龍芯”是我國最早研制的高性能通用處理器系列，于2001年在中科院計算所開始研發(fā)，得到了中科院、863、973、核高基等項目大力支持，完成了十年的核心技術積累。2010年，中國科學院和北京市政府共同牽頭出資，龍芯中科技術有限公司正式成立，開始市場化運作，旨在將龍芯處理器的研發(fā)成果產(chǎn)業(yè)化。

龍芯中科面向國家信息化建設的需求，面向國際信息技術前沿，以創(chuàng)新發(fā)展為主題，以產(chǎn)業(yè)發(fā)展為主線，以體系建設為目標，堅持自主創(chuàng)新，掌握計算機軟硬件的核心技術，為國家安全戰(zhàn)略需求提供自主、安全、可靠的處理器，為信息產(chǎn)業(yè)及工業(yè)信息化的創(chuàng)新發(fā)展提供高性能、低成本、低功耗的處理器。

目前，龍芯面向網(wǎng)絡安全、辦公與信息化、工控及物聯(lián)網(wǎng)等領域與合作伙伴展開廣泛的市場合作，并在政府、能源、金融、交通、教育等行業(yè)領域取得了廣泛應用。

在安全領域，龍芯處理器已經(jīng)通過了嚴格的可靠性實驗，作為核心元器件應用在幾十種型號和系統(tǒng)中，2015年龍芯處理器成功應用于北斗二代導航衛(wèi)星。在通用領域，龍芯處理器已經(jīng)應用在：個人電腦、服務器及高性能計算機、行業(yè)電腦終端、以及云計算終端等方面。在嵌入式領域，基于龍芯CPU的防火墻等網(wǎng)安系列產(chǎn)品已達到規(guī)模銷售；應用于國產(chǎn)高端數(shù)控機床等系列工控產(chǎn)品顯著提升了我國工控領域的自主化程度和產(chǎn)業(yè)化水平；龍芯提供的IP設計服務在國產(chǎn)數(shù)字電視領域也與國內多家知名廠家展開合作，其IP授權已達百萬片以上。

龍芯中科堅持“為人民做龍芯”的核心理念，堅持實事求是的思想方法，堅持自力更生艱苦奮斗的工作作風，掌握高性能通用CPU的核心設計能力，具備完全自主知識產(chǎn)權。龍芯中科擁有高新技術企業(yè)、國家規(guī)劃布局內集成電路設計企業(yè)、高性能CPU北京工程實驗室以及相關安全資質。目前，與龍芯開展合作的廠商達到上千家，下游開發(fā)人員達到數(shù)萬人，基于龍芯CPU的自主信息產(chǎn)業(yè)體系正在逐步形成。

天眼查顯示，龍芯中科注冊資本3.6億元，有10個股東，其中中科院計算所（國資）持股21.52%，北京天童芯源科技公司（胡偉武個人投資292萬元，占46.67%；其他股份為早期高管所有）持股21.52%。

龍芯OS成熟度接近Windows XP的水平

據(jù)中國經(jīng)濟周刊報道，10月23日，龍芯中科董事長胡偉武在中國工程院和中國中車聯(lián)合主辦的“第315場中國工程科技論壇——智能運載裝備前沿技術發(fā)展高端論壇”上稱，“2001年，開始研制龍芯，龍芯通過20年積累完成CPU性能補課，CPU通用處理性能達到AMD水平，龍芯OS在試錯中趨于成熟，架構穩(wěn)定，成熟度接近Windows XP的水平?！?/span>

胡偉武認為，目前，我國芯片行業(yè)兩大卡脖子問題一是指令系統(tǒng)架構，二是生產(chǎn)工藝，正在進行的自主化替代是體系替代，而不是產(chǎn)品替代，產(chǎn)業(yè)模式應是硅谷模式，而不是中關村模式。龍芯20年的發(fā)展，一直在補課，在尋找差距，現(xiàn)在呈現(xiàn)出加速發(fā)展的勢頭。

不過，胡偉武清醒地指出，發(fā)展核心技術不要幻想“彎道超車”，像芯片這樣的高復雜系統(tǒng)能力建設需要以30年為周期，既要擼起袖子加油干，還要耐著性子堅持干，目標是在市場化條件下實現(xiàn)自主性。

　　

下面就來回顧龍芯CPU的重大事件，看看龍芯CPU發(fā)展的幾個不同時期。

龍芯的誕生

回溯歷史，中國也曾經(jīng)擁有過自己的CPU和全自主的半導體產(chǎn)業(yè)。但因在上世紀80年代奉行“造不如買、買不如租”、“市場換技術”等方針路線，不僅沒能拉近和國外的技術差距，反而把原本的家底敗得精光，國內市場完全被外資占領。在中國失去獨立研制高性能計算機的能力之后，美國要求中國把高價進口的高性能計算機放在透明玻璃房中，并提出了非?？量痰囊蟆ＡХ块T的鑰匙在美國人手里，使用用途需要向美國人匯報，使用前都要經(jīng)過美國人許可。

銀河號事件、臺海危機、中國駐南聯(lián)盟大使館被炸事件給中國政府敲響警鐘，“落后就要挨打”。亡羊補牢，猶為未晚。中國于2000年前后重啟了一大批軍工科研項目，中科院計算機所也開始著手芯片設計研發(fā)。于是，龍芯開始了漫漫長征路。

龍芯課題組成立之初是著眼于解決國防和信息安全領域無芯可用的困境。課題組成立于2001年，成立的時候可以說用臺詞“七八號人，兩三條槍”來形容再合適不過了。只有一間50-60平米的實驗室，人員也是東拼西湊——有已經(jīng)年近70，曾在上世紀70年代參與國產(chǎn)芯片研發(fā)的老研究院員，聽說計算機所要設計龍芯，就主動帶著幾個學生過來，其中也有剛走出校門的青年學子。

課題組成立時，龍芯團隊總計也就10來個人。到2006年，龍芯團隊逐步發(fā)展為將近100人的研發(fā)設計團隊。到2014年，龍芯中科公司有研發(fā)設計人員將近400人。

龍芯是國家的“親兒子”？

龍芯的“龍”字會給國人一種錯覺，認為龍芯是國家的“親兒子”，是用舉國體制輸送資金和人才打造的國產(chǎn)芯片。但實際上，龍芯成立之初僅僅是中科院計算機所里的一個芯片研發(fā)課題組，國家對龍芯的扶持也非常有限。

在人才方面，在課題組成立時候才10來個人， 2006年才發(fā)展到100余人，2014年才400人，可以說龍芯團隊的骨干人才都是自己培養(yǎng)的，不少設計師都是胡偉武親自帶出來的博士生。與之形成鮮明對比的是兆芯和宏芯的親兒子待遇——2013年4月成立的兆芯，到2015年已有員工已擴充至1000人；而在2014年成立的宏芯，國家則直接從計算機所抽調人才，停薪留職去支援宏芯。

在資金方面，自2001年成立以來，從國家863計劃、核高基專項中累計獲得項目經(jīng)費5億人民幣。龍芯中科公司成立后，獲得北京市政府2億人民幣的股權投資。也就是說龍芯成立至今共從國家獲得資金7億元。平均下來，每年獲得國家補助為幾千萬元。對比紫光、兆芯和宏芯獲得的補助可謂少得可憐——

2014年紫光獲得國家集成電路大基金400億元人民幣；宏芯成立時獲6億注冊資本，從2014年至今，獲得補助不少于20億元人民幣；兆芯成立時上海市政府出資12億元，從2013年成立至今，獲得補助不少于70億元人民幣。

另外，芯片研發(fā)對資金需求極大，國家對龍芯的補助無異于杯水車薪。

舉個列子，俄羅斯貝爾加電子的Baikal-T1處理器研發(fā)成本折算為人民幣是1.85億元，該芯片是購買MIPS Warrior P5600微結構集成雙核CPU，主頻1.2G，用于路由器、打印機、復印機等產(chǎn)品。如果貝爾加電子自主研發(fā)微結構的話，成本會更高。換言之，貝爾加電子研發(fā)一枚路由器芯片的研發(fā)成本（而且還不是自己研發(fā)微結構）相當于國家對龍芯的總投入的四分之一。若以國外巨頭作參照，則差距更大，2014年Intel研發(fā)經(jīng)費超過100億美元，員工達10萬余人。

龍芯的指令集

龍芯走兼容MIPS指令集發(fā)展路線，在2008年金融危機后，以比較低的價格購買了MIPS指令的永久授權，在十幾年的發(fā)展中對指令集進行了相當大的擴展，逐漸發(fā)展出了自己的指令集loongISA 。

loongISA指令集共1907條指令。

源自mips：

216條mips基礎指令，獲得永久授權。

311條DSP指令，獲得永久授權。

自主指令：

mips基礎指令擴展——148條loongEXT，

虛擬機擴展——5條loongVM指令，

二進制翻譯擴展——213條loongBT，

向量指令擴展——1014條loongSIMD

龍芯在MIPS的指令系統(tǒng)的創(chuàng)新方面已經(jīng)遠遠超過了MIPS公司，之所以購買Mips指令永久授權主要是減少市場化過程中的麻煩。

舉例來說，Transmeta公司曾經(jīng)市場前景良好，但Intel起訴它，打了兩年官司。雖然最終Intel輸了，但兩年過程中沒有人敢跟Transmeta做生意， Transmeta被官司拖垮了。

MIPS公司破產(chǎn)后，所擁有的技術專利分的比較散。雖然MIPS被英國Imagination公司收購，但Imagination的主營業(yè)務是GPU，在CPU設計方面技術底蘊不足，它既沒有能力，也沒有意志扛起MIPS陣營的大旗，指令集擴展和微結構研發(fā)都不如龍芯。

而龍芯只要保持現(xiàn)有的發(fā)展勢頭，使應用軟件跟著龍芯走，構建并壯大自己的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，那么龍芯對Mips的擴展就是行之有效的，而且有機會奪取Mips陣營的主導權。

編譯器

程序員在編程的時候寫的是編程語言，但是計算機運行的時候是機器語言，編譯器就是將程序員的編程語言翻譯成機器語言的工具，而編譯器的好壞也非常影響一款計算機的整機性能，比如SUN就曾經(jīng)依靠對編譯器的優(yōu)化使CPU的spec跑分提升了50%，大幅提升了整機性能和用戶體驗。

國際上使用最為廣泛的編譯器是GCC，該編譯器對X86、ARM、MIPS、Alpha等指令集的CPU優(yōu)化各不相同，對市場占有率高的X86和ARM優(yōu)化得較好，版本也比較新（GCC部分代碼就是Intel提供的），但對龍芯、申威的優(yōu)化比較差，版本也比較老舊。

因此，龍芯自主研發(fā)了LCC以提高編譯器的效率，雖然LCC誕生的時間還很短，對自家CPU的優(yōu)化能力無法與Intel公司的ICC編譯器相比較，以GS464E的spec2000跑分為例，使用LCC比使用GCC4.8整數(shù)提升7%，浮點提升36.8%。畢竟萬丈高樓平地起，期待龍芯能不斷提升LCC編譯效率。

微結構和主頻

CPU性能（單核）=主頻*IPC（這個公式必須是同指令集才能成立，不同指令集不可比較）

主頻就是CPU工作的時鐘頻率，同一款CPU在一個時鐘周期內完成的指令數(shù)量是固定的，因此主頻越高，完成一個時鐘周期所消耗的時間越短，CPU的運行速度就越快。

IPC是單位時間內調用的指令集數(shù)量，微結構設計得越好，單位時間內能調用的指令集數(shù)量越多，CPU的性能就越好。

微結構好壞取決于前端設計水平，主頻的高低一方面受微結構流水線級數(shù)的影響，但更多的是取決于后端的設計水平。

再往細的方面說，前端設計主要指芯片的執(zhí)行結構、數(shù)字邏輯層設計、執(zhí)行狀態(tài)仿真等方面，后端設計主要指物理層電路的具體優(yōu)化，包括單元布局、時序優(yōu)化等方面。

微結構研發(fā)不僅技術門檻高，而且費時費錢，一個微結構從研發(fā)到產(chǎn)品一般需要3年，而所需資金更是難以計數(shù)。

龍芯自2001年以來，共研發(fā)GS132、GS232、GS264、GS464、GS464V、GS464E共6個微結構，以龍芯及其有限的人力和財力，實現(xiàn)了以平均2.33年更新一個微結構的發(fā)展速度，相較于國家非常有限的扶持，龍芯拿出了遠遠超過投入的產(chǎn)出。

龍芯在2015年8月發(fā)布的GS464E微結構測試參數(shù)非常亮眼。根據(jù)中電集團的測試報告，GS464E的SPEC2000使用GCC4.8編譯器跑分為：整數(shù)768/G、浮點1153/G，使用LCC編譯器跑分為：整數(shù)828/G、浮點1578/G，微結構的效率在整數(shù)性能方面基本追平了AMD目前最好的微結構，在浮點性能方面接近Intel在2013年發(fā)布的Ivy，分支預測和訪存帶寬更是能直接與Ivy比肩（Intel公司2013年的Ivy和2015年的Skylake差距很?。?/span>

現(xiàn)在，龍芯和國外巨頭在微結構方面的差距已經(jīng)比較小了，差距主要在主頻方面和制程工藝方面。

在主頻方面，2015年發(fā)布的龍芯3A2000的主頻只有1G，而代碼已凍結，即將流片的龍芯3A3000的也只有1.6-1.8G的主頻。相比之下，Intel的CPU主頻大多在3G以上，部分CPU主頻接近4G；在制程工藝方面，受限于中芯國際的代工水平，龍芯能使用的最好的制程為28nm，而市面上出售的Intel芯片制程大多為22nm，Intel最新的產(chǎn)品普遍采用14nm制程工藝。

龍芯產(chǎn)品

目前，龍芯有龍芯1、龍芯2、龍芯3三個系列。

第一代，基本可用。3A1000、3B1500單核性能較低，SPEC CPU2006測試分值僅2-3分，打開20M文檔需要33秒，用戶體驗一般。

第二代，可用。3A/B3000四核處理器采用28nm工藝，主頻1.35-1.5GHz，單核性能達到10-11分，超過凌動系列，打開20M文檔僅需6秒。具有安全自主程度高、整機廠商品類多、國產(chǎn)化橋片方案等特點。目前，累計出貨超過30萬顆，是此前信創(chuàng)工程上份額最大的通用CPU。

第三代，好用。2019年12月發(fā)布的3A/B4000四核處理器實現(xiàn)相同工藝下性能提升一倍，主頻1.8-2.0GHz，單核性能達到20-30分，達到AMD 28nm工藝最后產(chǎn)品“挖掘機”的水平，可秒開20M文檔。

未來，提高主頻和核數(shù)。3A5000四核桌面CPU將采用12nm工藝，單核性能爭取達25-30分，與3A4000兼容，可原位替換，預計2020年二季度流片；3C5000十六核服務器CPU同樣采用12nm工藝，支持4-16路服務器，預計2020年三季度流片。

從龍芯國產(chǎn)生態(tài)體系分析，支持龍芯的整機相對較少，目前只有5家左右。而由于其芯片虛擬化能力相對不足，導致支持的云平臺廠家較少。

此外，2020年12月，龍芯云體驗中心正式上線，旨在積極開放云服務能力，展示各個云廠商基于龍芯CPU的云解決方案，目前已有浪潮云、阿里云（建設中）、騰訊云（建設中）、希云、曙光云、云宏、金華龍芯云等多個入駐示范。

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來源：eeworld

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