《国产芯片四大件》解读国产CPU、GPU、FPGA、DSP的现状

2020年8月，国务院印发的《新时代促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》提出，到2025年我国芯片自给率要达到70%。 、GPU、FPGA、DSP被誉为国产芯片的“四大部件”，无论是提高国产芯片的自给率还是解决高端芯片的“卡脖子”问题，都具有深远的意义筹码。

雷锋网推出的“国产芯片四块”系列文章分别解读国产CPU、GPU、FPGA、DSP的现状，从投资者的角度发现国产芯片的机会。

作者 | 包永刚

出品 | 雷锋网业集团

美国对中国芯片产业的口吃，让我们意识到，在别人的地基上盖房子，再大再漂亮，都未必经得起风吹雨打，甚至不堪一击。也让国内芯片行业为“引进吸收”还是“自主研发”争论了几十年。

作为芯片行业最重要的芯片之一，CPU实现国产自主控制对于支撑国家信息产业发展、保障信息安全至关重要。2021年4月15日，坚持自主研发20年的龙芯中科科技有限公司正式推出龙芯自主指令系统架构LoongArch。

完全独立，在国内多次“造假”后，龙拱的自主指挥系统架构能否经得起考验？在强大的Wintel（Windows+Intel）和AA（Android+Arm）格局下，龙芯有没有机会成功建立第三套全球CPU生态系统？随着中国核心技术的发展，为什么不能想象在弯道上超车？

从 MIPS 到完全自主可控的 LoongArch

龙芯中科2010年脱胎于中科院计算所。长期以来，龙芯是国内少数坚持CPU自研，走自主可控路线的少数群体之一。筹码。

公司成立的前五年，龙芯主要专注于工控市场。2015年，龙芯CPU出货数万颗，从零到一万颗用了五年时间。这并未动摇龙芯坚持自主可控的决心。“十三五”期间，龙芯一方面继续深耕工控市场，另一方面开始进军电子政务市场。花了四年时间。

2020年，龙芯自主CPU出货量又增长了一个数量级，达到百万级。龙芯中科董事长、龙芯CPU首席科学家胡伟武告诉雷锋网：“20年来，龙芯完成了技术补课，CPU不断迭代，我认为我们的CPU一定能稳定下来。” 2022年每年出货几百万件，我们也将逐步走向开放市场。”

龙芯中科董事长、龙芯CPU首席科学家胡伟武

完成技术补充课程准备上市的龙芯，在 2018 年前后发现 MIPS 并不是他们的最佳选择。“龙芯曾经基于MIPS指令系统开发CPU和软件生态系统。经过20年的努力，无论是软件生态系统还是CPU内核，龙芯的设计都超越了MIPS。大约三分之二的维护工作在MIPS社区是龙芯做的。做，像浏览器，Java，媒体播放器等，MIPS公司主要维护CPU核心和基础编译器。另外，MIPS的一些技术特性很老旧，上面的64条指令槽MIPS基本用完了，还需要加指令，加起来也比较难，延迟槽也成了设计负担。” 胡维武说。

这是龙芯放弃MIPS的内因，外因是MIPS的归属一直在变。

“当时我想明白一个道理，使用授权指挥系统可以开发产品，但不可能形成独立的产业生态，就像中国人可以用英文写文章，但不可能形成全国性的文化基于英语。所以在内部因素和外部因素的综合作用下，我们决定独立开发指令集架构。” 胡维武说。

为龙架构的长远发展，龙芯中科十分重视龙芯架构相关的知识产权，委托国内第三方知识产权机构对龙芯基础设施进行深入的知识产权评估，并将龙架构与ALPHA、ARM、MIPS、POWER、RISC-V、X86等国际主要指挥系统相关资料和数万项专利进行深入对比分析。

今年1月，第三方机构获得了三项评估结果：

下一步，龙芯中科将与第三方知识产权评估机构进行海外专利分析和进一步的知识产权评估，并根据评估情况逐步发布完整的LoongArch指令系统手册。

2030年全球第三套CPU生态基本建成

龙芯可推出自有CPU指令集系统9大能力

CPU指令系统是计算机的软硬件接口，是CPU执行的软件指令的二进制编码格式规范。胡伟武说：“以前指令系统更多是和CPU芯片相关，其实指令系统更多是和软件生态相关，比如X86支持Windows生态，ARM支持Android生态。只要你把软件想清楚，CPU就可以改变指令系统。不难。”

推出指令系统不难，难的是生态建设，这是芯片行业的共识。胡伟武说8位复杂指令集cpu设计，“我们敢于构建新的指挥系统生态，是因为过去20年的积累，让我们掌握了9项能力。”

这 9 种能力分为三类。第一类是三个基础编译器，包括GCC、LLVM、GOLANG；第二类是三个虚拟机，包括Java虚拟机、JavaScript虚拟机和.NET虚拟机。第三类是二进制翻译系统，包括X86、ARM和MIPS指令系统的翻译。

编译器是对 C 等高级语言进行编码的机器代码。由于开源，许多有经验的团队可以开发编译器。

“下一个层次是虚拟机。世界上超过一半的服务器运行在Java上。和Java一样，.NET属于微软系统，另一个属于Linux系统。JavaScript是浏览器的核心引擎。所以虚拟机也很重要，胡伟武解释说，“目前很多应用软件都是建立在以上三个虚拟机之上的。只要龙芯自主指挥系统支持以上三种虚拟机，现有应用软件中一半以上无需迁移即可直接运行。掌握生态 虚拟机一统天下的关键在于虚拟机的能力。”

二进制翻译能力是考虑自主性和兼容性的生态发展的基本能力。“LoongArch 有 300 多条基本指令。对于二进制翻译，兼容 x86、ARM 和 MIPS，我们增加了近 200 条指令。” 胡伟武进一步表示，“通过软硬件结合，龙拱提升了与其他平台的兼容性，我们在指令系统应用的二进制翻译效率方面已经积累了十多年的经验。我们希望在2025年左右，在龙芯龙拱平台上，我们可以在不运行Windows的情况下运行Windows应用程序，在不运行Android的情况下运行Android应用程序。”

不仅如此，LoongArch 还摒弃了 MIPS 的诸多历史包袱，结合新的应用特性加入了一些新功能，让仅指令系统就能带来 10%-20% 的性能提升。两代。

雷锋网了解到8位复杂指令集cpu设计，隶属于RISC（精简指令集）的LoongArch共有近2000条指令，包括基本架构和向量指令、虚拟化、二进制翻译等扩展。它拥有三个完全独立的、先进的技术和兼容的生态。特征。

有组织的开放建设生态

“兼容其他指令系统只是构建生态系统的辅助手段，我们的目标是打造全球第三个CPU生态系统，成为龙芯为民服务。” 胡伟武说：“全球IT行业受制于Wintel体系和AA体系，只要硅谷中国企业的产品升级，中国和其他国家的企业都得升级，而我们没有产业发展的主导地位。”

回顾英特尔和ARM的成功，在1990年代，小公司英特尔制造芯片并向生态合作伙伴开放基础软件平台，击败了封闭的大公司IBM。进入新世纪以来，比英特尔更开放的ARM只提供IP，取得了巨大的成功。

胡伟武表示，龙拱的生态要组织、开放，建立生态。“构建生态，首先要开放，结盟，吸引生态伙伴。其次，要兼容，无组织的开放会造成严重的碎片化，生态无法发展。要在开放和兼容之间找到平衡。最后，我们需要系统优化才能实现数量级的体验提升。”

谁将加入龙芯CPU生态？胡伟武认为，至少有两种类型的公司。一种是为特定应用制造 SoC 的公司。这些企业只要加入龙芯生态联盟就可以使用龙芯指令系统，并且可以免费使用ARM Cortex A53、A57等龙芯性能等级。各种SoC设计的CPU IP核，也是龙芯的现有客户。

另一种是整机和解决方案公司。龙芯有信心LoongArch芯片的性能不会弱于其他指令系统的CPU。随着性能的提升，整体性价比会更高。

“基于LoongArch，除了开发桌面和服务器应用的通用信息系统平台外，我们还可以创建新的平台。例如，我们可以构建一个面向制造的平台，可以将各种设备和设备APP化，例如高铁APP、飞机APP等。” 胡维武说。

也就是说，无论是收复失地，还是扩大版图，龙芯的开放生态都能吸引参与者。

目前，第一颗支持LoongArch的LoongArch CPU 3A5000处理器芯片已经成功流片。14nm LoongArch CPU的性能比ARM 7nm CPU更强，接近市场主流产品的水平。

“龙架构的技术和工程路径已经清晰，今年下半年我们的工作重心将转向生态建设。我预计2025年龙芯的CPU出货量将达到千万级，生态建设也将迎来胡伟武说：“没有人能与我竞争，在中国建立一个新的 CPU 生态系统。这取决于我。保守估计，到2030年，我们应该能够初步建立起基于龙拱的生态系统。”

坚定走独立路线，坚持构建独立生态30年

“核心技术不要想‘弯道超车’，芯片等高度复杂系统的能力建设需要30年一个周期，不能经常‘炒芝麻’，别人自己研发自己的。” “挡了它，别人放了我们就放弃了独立。龙芯已经工作了20年，我相信再过10年，我们可以初步建立第三个系统。” 胡伟武强调。

中共中央五中全会首次明确指出，科技自力更生是国家发展的战略支撑，可以说是国家发展的一个转折点。芯片行业。在中美摩擦越来越大的背景下，越来越多的人支持芯片自主研发。

但是，要实现完全的自主可控，三个方面都必须做好。第一个环节是IP核和EDA工具的芯片研发。龙芯CPU芯片的IP核以自主研发为主。近二十年来，我们积累了自主研发的CPU、GPU、内存控制器、高速接口控制器、工业接口控制器。等待数百个IP核，但解决EDA工具卡脖子的问题仍然需要时间。

第二个环节是基于自主指令系统的软件生态系统。龙芯的 LoongArch 可以构建 CPU 的第三生态系统。

第三个环节是基于独立材料设备的生产过程。“总的趋势是，7nm之后的工艺是小众工艺，工控CPU 28nm就够了，台式机CPU 14nm就够了，服务器CPU 7nm就够了。我们国家集成电路产业的发展不应该总是把重点放在7nm、5nm或者甚至是3nm。先实现28nm和14nm的完全自主，打好基础迭代不会慢。” 胡伟武认为，“材料的自主控制会更容易，设备会稍微困难一些。总的来说，十四五期间，我们可以初步缓解集成电路材料和设备受制于人为问题。” ，而要实现根本性的缓解，还需要两个五年的时间。”

龙芯目前的成绩证明，坚定的自主研发不仅是一条可行的路线，更是一条正确的路线。我们一直在谈论超车，但到目前为止，我们似乎从未取得过一次成功。IT行业的核心技术就像盖楼一样，每层有两个核心技术。一楼是CPU和操作系统，二楼是网络技术和图形技术，三楼是虚拟化技术和智能技术。我们不可能不覆盖前两层就直接覆盖第三层。

因为一旦后来者有超越现有生态控制者的趋势，就会受到各种方式的阻碍。而且使用别人的授权也可能会受到非常严格的审核，这是很多公司都没有意识到的风险。

走自主研发的道路，在技术发展初期会有巨大的技术和生态挑战，但我们的优势在于广阔的市场和优秀的体系。龙芯在工控和电子政务方面的成功就是最好的例证，这也是龙芯能够在2015年实现盈亏平衡，CPU单核通用处理性能提升十倍的原因。 “十三五”期间销售收入增长十倍。“双十倍”飞跃，2021年自主指挥系统架构推出，在于信心。

有了坚定的目标和耐心，相信在所有参与者的共同努力下，中国的CPU生态系统能够实现安全、自主、可控的发展。它与世界上的 X86 和 ARM 生态系统是三方的。你有我，我有你一起前行。

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