本文选自《交易技术前沿》总第四十四期文章
（上交所技术大会专刊）
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胡伟武 / 龙芯中科技术股份有限公司
一、什么是CPU
现在很多人认为CPU就是芯片，应该说CPU是芯片的一种，但CPU是最重要的一种芯片，没有之一，也是最难的一种，它是集成电路里面的珠穆朗玛峰。现代计算机采用冯«诺依曼结构，冯«诺依曼在上世纪四十年代总结出来一个结构——计算机由五部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，键盘鼠标是输入输出设备，内存条是存储器，运算器、加控制器合称中央处理器，英文简称CPU。
CPU在不同时代有不同体现，比如说IBM时代CPU体现为若干柜子，有一个房子大小。Intel时代,CPU体现为一个芯片，里边包含运算器和控制器。ARM时代或者互联时代，CPU体现为IP（知识产权模块）。ARM是一个CPU企业，但ARM不卖芯片只卖IP，有软IP有硬IP。有了这些IP可以很容易地做出芯片，把IP买来，买ARM的CPU、GPU、各种接口模块，再花钱找个公司做设计服务，然后把安卓装上，甚至可以不用技术人员就可以做芯片。所以说做芯片容易，做IP难。
什么是自主CPU，根据学术定义，自主研制运算器和控制器的芯片叫自主CPU。2018年中兴通信事件的时候，网络上有张图说国产手机芯片自给率为百分之二十，电脑芯片自给率百分之零。如果从2020年来看，中国手机芯片自给率约20%多，比如展锐、海思都在做手机芯片，计算机芯片自给率约4%，2020年基于自主CPU（包括信创）的电脑出货量为二百万台左右。但从CPU角度来说中国手机CPU自给率是0%，所有CPU是从ARM买的，计算机CPU自给率至少2%，比如自主研发的龙芯出货量在100万左右。
之所以提这个概念，不提自主可控，从商务角度也有其必要性。我们可以看到一个很奇怪的现象：在电脑领域，芯片企业比整机企业赚钱，英特尔2018年的净利润是210亿美元，联想整机的净利润才6亿美元。但手机领域是反过来的，在手机领域，整机企业比芯片企业赚钱，苹果公司2018年的净利润是595亿美元。中国IT产业前一百强的利润总和不如苹果公司，国内做手机芯片的展锐，手机芯片出货量是两三亿片，与Intel的电脑芯片出货量差不多，但它是亏损的。之所以电脑是芯片赚钱，手机是整机赚钱，其实奥秘就是IT产业是解决方案的产业，解决方案决定用户习惯和产业什么时候升级。在电脑领域，什么时候升级，是英特尔和微软说了算，联想说了不怎么算;手机什么时候升级，主要是ARM和谷歌说了算，手机怎么用，是谷歌和苹果说了算，这就是产业主导权的问题，这就我们投资人所谓的门槛或者护城河，所以我们中国信息产业的根本出路是要建自己的大生态。现代中国的信息产业，主要是两个国外的平台来支撑，一个是Wintel体系：Intel加微软，一个是AA体系：ARM加安卓，我们的根本出路是要建一个自己的体系，构建独立于Wintel体系和AA体系的安全可控的信息技术体系和产业生态，也就是说CPU和集成电路不是目的而是手段，我们的目标是打造第三个生态，要做到三足鼎立。
二、发展核心技术的两条路线
CPU的发展是一个非常复杂的系统工程，要打通产业链和供应链的堵点和痛点，构建一个新的生态体系有三个环节：
一是基于自主IP核的芯片研发或者芯片设计。一个芯片的性能、成本、功耗、安全性由它里边的IP决定，比如买了IP，用7nm、12nm或14nm的工艺来做，可以在一两年内做出来，但是要做出像ARM这样水平的IP，从头做起，没有十年肯定做不出来。同时，CPU设计也不能完全依赖EDA工具。对这个行业来说，芯片不是核心技术，其中的IP才是核心技术。
二是基于自主指令系统的软件生态。指令系统是承载生态的基础，像X86承载了计算机生态，ARM承载了手机生态。软件生态包括操作系统（Windows、Android）、数据库（Oracle）及应用软件。
三是基于自主材料设备的生产工艺。目前国内的工艺，14nm已经很稳定了，7nm也已经研制成功，受制于人的是生产设备和材料，比如光刻机、光刻胶和晶圆。十四五期间我们能够初步缓解对外依赖，要达到根本性缓解，需要两个五年，需要通过攻关解决，并通过优化设计提高性能。
发展核心技术有两条路线，一条是市场换技术，汽车产业是典型代表，一条叫市场带技术，航天产业是典型代表。目前CPU发展也存在两条路线，一条是境外主要CPU企业均通过合资或授权方式成为“自主CPU”，强调自主CPU要“融入”已有生态。一条是自主编写CPU源代码，并在应用中不断演进，强调自主CPU要建立自主生态。
龙芯走的是市场带技术的道路，在市场应用中试错，逐步提高性能，完善生态。2001年，龙芯团队在中科院计算所开始研制龙芯CPU，通过863、973、NSFC、核高基重大专项等支持，完成了近十年的技术积累。2010年龙芯团队转型成立公司，与市场结合，把科学院的技术（样品）转换成产品，肃清“学院派”流毒。在行业市场的带动下，龙芯在试错中上了几级“楼梯”：2011-2015年，重要设备试点应用，从无到万片/年；2016-2019年，电子政务试点应用，从万片到十万片/年；2020-2022年，关键行业信息基础设施全面推广，从十万片到百万片/年。在多轮“试错”中，龙芯的技术平台和产业链不断完善，性能逼近市场主流CPU的性能，形成了包括几千家企业的产业链，自主可控的信息产业体系正在形成。
三、自主CPU的追赶之路
MIT Review曾经连续报道龙芯性能很高，文章标题都很吓人，说中国要把Intel干掉，但在实际使用中，打开浏览器、打开Office很慢，可用性很差。自主CPU和国外先进水平，主要差距在什么地方？一是通用处理能力不行，二是单核性能不足而不是核数不够。我们一说CPU不行就怪工艺，当时龙芯3A1000主频是1 G，Intel是3 G，我们把Intel3 G降到1 G的时候，龙芯跑程序的性能只有Intel的五分之一。就好比盖楼，Intel盖了个一百层的楼，龙芯也盖了个一百层。Intel的楼是商业中心，有饭店，有办公楼，很热闹，龙芯的楼冷冷清清，一是没修停车场,二是只有单车道，还是土路，这个楼是不可用的。
基于上述差距，龙芯从2013年开始调整，练好内功，通过设计优化提高单核的图形处理性能。目前，龙芯用16nm达到的性能比ARM的CPU用7nm的性能还要高。
在CPU性能达标后，龙芯坚持做自己的生态。
第一，推自主指令系统。指令系统就是计算机的语言，我们可以用英文写论文，但是我们不可能基于英文发展中国的民族文化。2020年，龙芯推出“充分考虑兼容需求的自主指令系统LoongArch”，可以做到既自主又兼容。我们的目标是发展自己的软件生态，作为过渡性手段，可以兼容windows应用、安卓应用。
第二，提供开源的基础版开源操作系统。龙芯推出了社区版操作系统平台Loongnix/LoongOS/LoongWorks，支持OS、整机和应用企业，降低产业链门槛（BIOS、内核、编译器、虚拟机等），规范硬件和应用兼容性。
目前,龙芯CPU通用处理性能达到市场主流水平，与Intel比并不差，在龙芯的电脑上打开文件、打开浏览器的用户体验，会觉得比第十代的酷睿还好。操作系统成熟度也达到windowsXP的水平。
四、下一阶段发展方向
解决了性能和操作系统问题，下一个的瓶颈就是应用迁移和产业适配，比如硬件、网络、应用软件、产业链，所以我们下一个阶段的发展方向就是产业配套和应用生态。
信息产业发展到现在，盖了“三层楼”，每层楼有两个核心技术。
第一层楼的两个核心技术是CPU+操作系统，比如Wintel体系和AA体系。
第二层楼的两个核心技术是网络技术+图形技术。比如Intel的通用（DPDK）处理器打败了思科的专用处理器。
第三层楼的两个核心技术是虚拟化技术+智能化技术。比如Intel主导了IO虚拟化标准，同时片内集成了NPU。
龙芯目前基本掌握了这个三层楼的六个核心技术，后续将继续完善。
五、坚持自主CPU的发展之路
回顾我国计算机事业的发展，经历了三个阶段。
第一阶段（1950-1980），完全自主但没有市场。1956年成立中科院计算所，在封锁的情况下打破封锁，为“两弹一星”研制计算机。
第二阶段（1980-2010），完全市场化但丧失自主性。主流思想是造不如买，所以研发工作从计算机两大核心技术（CPU和操作）系统退出，IT产业和国家安全建立在Wintel和AA平台上。
第三阶段（2010-现在），在市场化条件下实现自主性。2001年开始龙芯CPU研发，2010年成立龙芯公司，在开放的情况下打破垄断，建立自主可控的IT产业体系。
高复杂系统能力建设确实需要以三十年为周期的。“乌里扬诺夫斯克”航母1992年拆解，新航母计划2030年服役。“运十”1986年拆解，“C919”2017年首飞。自主CPU也需要30年，目前龙芯已发展20年，呈现加速发展态势。
我们已经进行了各种尝试，造不如买、市场换技术、研不如买、弯道超车……，但是效果都不好，有些课必须补。发展核心技术只有一步一个脚印地追赶，不要幻想“弯道超车”，在不断思索中改进是复杂系统创新的必要过程，好的体制机制和更多的经费可以加速试错迭代，但不能取代试错迭代。浮躁会让我们的产业走入误区，反而发展更慢。两弹一星的先辈和几亿农民工靠的都是“5+2”、“白+黑”的“直道追赶”，我们今天也没有取巧的理由，有些表面上的“直道”是更弯的弯道。
走“市场带技术”的道路，通过自主研发掌握CPU的核心技术，建立自主可控的信息技术体系，我们失去的只有锁链，得到的将是整个世界。走“市场换技术”的道路，通过引进技术发展自主CPU产品，只是将一副锁链换成另外一副锁链。
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