龍芯CPU 15年研發(fā)歷程

龍芯2E為繼續(xù)支持自主CPU研發(fā)打下了基礎(chǔ)

2006年9月13日，以長征勝利70周年命名為CZ70的龍芯2E通過科技部組織的驗(yàn)收，時(shí)任科技部部長徐冠華親自參加了龍芯2E的驗(yàn)收會(huì)。龍芯2E的研制是“十五”末國家863計(jì)劃緊急安排的一個(gè)任務(wù)。當(dāng)時(shí)“漢芯”造假事件被曝光，加上“十五”863計(jì)劃早期支持的龍芯2C沒有達(dá)到合同要求的SPEC CPU2000分值300分的目標(biāo)，自主處理器研發(fā)受到普遍質(zhì)疑。

龍芯總設(shè)計(jì)師胡偉武

2005年4月，科技部高新司領(lǐng)導(dǎo)把我叫到辦公室，問我到2005年年底前能不能完成863計(jì)劃“十五”初制定的主頻1GHz、SPEC CPU2000分值達(dá)到500分的目標(biāo)。我說剩下不到一年時(shí)間，肯定來不及。他說根據(jù)有關(guān)規(guī)定，項(xiàng)目時(shí)間到期后三個(gè)月內(nèi)（即2006年3月底前）提出驗(yàn)收申請就算按時(shí)完成。我硬著頭皮接了該任務(wù)，因?yàn)槲抑廊绻笆濉钡娜蝿?wù)完不成，那“十一五”國家是不是還支持自主CPU研發(fā)就成問題。經(jīng)過艱苦的努力，龍芯2E在2005年11月底交付流片（把設(shè)計(jì)好的技術(shù)文件交給芯片生產(chǎn)廠家進(jìn)行生產(chǎn)），2006年3月18日流片成功，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)。雖然達(dá)到這些指標(biāo)有些勉強(qiáng)（SPEC CPU2000分值達(dá)到500分是計(jì)算所的編譯組做了很多編譯優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的，但SPEC CPU的測試是允許進(jìn)行編譯優(yōu)化的），但畢竟完成了指標(biāo)。

龍芯2E的意義從徐冠華部長參加完驗(yàn)收會(huì)后接受記者采訪時(shí)說的一句話可以看出：龍芯2E的成功表明，我國在“十五”期間安排的自主CPU研發(fā)是成功的。這也為“十一五”期間國家繼續(xù)支持自主CPU研發(fā)打下了基礎(chǔ)。

“不能以任何經(jīng)費(fèi)的理由放緩龍芯3號的研制”

2005年深秋，利用龍芯2E流片后等待芯片回來的時(shí)間，我?guī)е糠铸埿菊n題組的骨干在香山別墅討論龍芯3號的結(jié)構(gòu)方案。

在龍芯3號結(jié)構(gòu)基本確定后就展開了龍芯3號CPU的研發(fā)。但當(dāng)時(shí)“十五”863課題結(jié)束了，“十一五”“核高基”（即“核心電子器件、高端通用芯片和基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品”重大專項(xiàng)）課題遲遲啟動(dòng)不了。為此，科學(xué)院對龍芯3號的研制給了500萬元的前期經(jīng)費(fèi)支持（執(zhí)行期限2007年1月到2007年12月）?？萍疾扛咝滤抉T記春司長得知龍芯3號的第一款芯片龍芯3A1000已經(jīng)基本完成設(shè)計(jì)，但缺少流片費(fèi)時(shí)，在863計(jì)劃內(nèi)緊急安排了2000萬的經(jīng)費(fèi)支持龍芯3號的研制（執(zhí)行期限2008年1月到2010年12月）。原計(jì)算所所長李國杰院士曾經(jīng)在計(jì)算所中層干部會(huì)上當(dāng)眾點(diǎn)我的名說，“胡偉武，你不能以任何經(jīng)費(fèi)的理由放緩龍芯3號的研制，計(jì)算所就是砸鍋賣鐵也要支持龍芯的研發(fā)”，并在所內(nèi)設(shè)立了一個(gè)經(jīng)費(fèi)沒有封頂?shù)恼n題，到2010年龍芯第一筆“核高基”課題經(jīng)費(fèi)到賬時(shí)，龍芯課題組已經(jīng)預(yù)支了計(jì)算所七八千萬元經(jīng)費(fèi)。

不記得經(jīng)歷了多少加班加點(diǎn)，龍芯3A1000于2008年底交付流片。只記得流片前的幾個(gè)月每天晚上10點(diǎn)開例會(huì)安排工作。晚上10點(diǎn)例會(huì)是非常高效的一種工作方法，會(huì)后大家把有關(guān)設(shè)計(jì)在EDA服務(wù)器上跑起來再回家，第二天早上上班時(shí)剛好跑出結(jié)果來;如果是早上上班后開始在EDA服務(wù)器上跑，基本上大半天就在等待服務(wù)器運(yùn)行出結(jié)果中度過。在此后龍芯CPU問題的攻關(guān)中，一直沿襲了晚上例會(huì)安排工作的方法。

2009年5月20日龍芯3A1000晶圓生產(chǎn)下線，9月28日樣片回來，成功啟動(dòng)操作系統(tǒng)，主頻800MHz～1GHz。龍芯3A1000在2012年又進(jìn)行了第二次改版。3A1000的第二次改版于2012年2月下旬流片，2012年8月中旬流片成功。至此龍芯3A1000就很穩(wěn)定了，至今還是龍芯銷售的一款重要芯片，尤其是在工控領(lǐng)域。

現(xiàn)在回頭看，龍芯3A1000的研制是成功的。3A1000是我國第一個(gè)四核CPU芯片。在3A1000的研制過程中，我們掌握了多核CPU的片內(nèi)互連及Cache一致性技術(shù)，以及片間多路互連技術(shù)。直到今日，龍芯仍然是唯一能支持多路服務(wù)器的自主CPU。在最近國外CPU企業(yè)對中國企業(yè)的CPU技術(shù)授權(quán)中，支持多路服務(wù)器的技術(shù)受美國政府限制還是不能給中國的。龍芯3A1000處理器核的性能略高于Pentium III的水平，在2006年龍芯2E剛出來時(shí)這個(gè)性能還說得過去。龍芯3A1000仍沿用該處理器核有點(diǎn)慢了，但在應(yīng)用比較固定的很多領(lǐng)域還能用，按理說龍芯的下一款CPU應(yīng)該致力于處理器核的性能優(yōu)化，大幅度提高通用處理性能，但在學(xué)院派的思想主導(dǎo)下，隨后的龍芯3B走了彎路，使龍芯遭受了挫折。

龍芯3B為何遭遇挫折？

龍芯3B的研發(fā)得到“核高基”重大專項(xiàng)的支持，是在龍芯團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)型成立公司（龍芯中科技術(shù)有限公司）以及有關(guān)部門大力展開自主基礎(chǔ)軟硬件應(yīng)用試點(diǎn)的背景下展開研制的。2010年把龍芯課題組轉(zhuǎn)型成立公司是下了很大決心的，當(dāng)時(shí)已認(rèn)識到不能腳踩兩只船，辦企業(yè)和做研究不一樣，即使嘔心瀝血，也是九死一生，因此一定要專心，要求絕大多數(shù)技術(shù)骨干都從計(jì)算所辭職。

龍芯公司的成立得到很多領(lǐng)導(dǎo)專家的支持。龍芯3B的研發(fā)工作在2008年底龍芯3A交付流片后開始全面展開。首款龍芯3B1000繼續(xù)基于65nm工藝，目標(biāo)主頻800MHz～1GHz，八核結(jié)構(gòu)，每個(gè)核包含兩個(gè)256位向量部件，峰值浮點(diǎn)性能達(dá)到128GFLOPS，這在當(dāng)時(shí)處于世界領(lǐng)先行列。龍芯3B1000于2010年6月20日左右流片，2010年11月底回來第一批芯片。但第一批芯片回來測試并不順利，連操作系統(tǒng)都啟動(dòng)不了。很快就找到了原因：由于芯片可測性設(shè)計(jì)部分的邏輯設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，在功能模式下誤把內(nèi)存引腳置為測試狀態(tài)，導(dǎo)致芯片訪問不了內(nèi)存，通過FIB（用離子束改變硅片上的連線）修復(fù)后功能正常。

這是一個(gè)重大的打擊，龍芯歷史上從來沒有犯過這樣簡單的錯(cuò)誤，而且在同一時(shí)期流片的龍芯1A、龍芯2I等芯片也出現(xiàn)了由于簡單工作失誤引起的錯(cuò)誤。究其原因，是龍芯團(tuán)隊(duì)在2010年初從課題組管理機(jī)制轉(zhuǎn)向公司管理機(jī)制的過程中，原來“作坊式”的設(shè)計(jì)流程被打破了，“工業(yè)化”的設(shè)計(jì)流程沒有建立起來。在課題組階段，我作為課題組長，每顆芯片從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證、可測性設(shè)計(jì)、定制設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)從頭盯到尾，及時(shí)協(xié)調(diào)各組的配合，關(guān)注每一個(gè)細(xì)節(jié)，因此沒有出現(xiàn)管理上的錯(cuò)誤。而在3B1000的研制過程中，龍芯課題組轉(zhuǎn)型成立了龍芯公司，我的主要精力轉(zhuǎn)向公司，芯片研發(fā)的總協(xié)調(diào)人缺位，導(dǎo)致頻頻失誤。痛定思痛，從此我著手芯片研制的質(zhì)量體系建設(shè)，建立了“五步法”（立項(xiàng)、方案、簽核、測試、結(jié)項(xiàng)）研制過程，并詳細(xì)規(guī)定了每個(gè)階段的研發(fā)和審核內(nèi)容。在此后龍芯公司進(jìn)行的幾十次流片中，沒有出現(xiàn)過嚴(yán)重的質(zhì)量問題，而且比我作為課題組長天天盯著效率高很多。

龍芯3B的研制過程真是一波三折。出現(xiàn)過龍芯從課題組向公司轉(zhuǎn)型過程中的管理問題，生產(chǎn)廠家引起的問題，多核互相訪問引起的死鎖問題，處理器核Cache一致性引起的問題。在解決了一個(gè)個(gè)問題后總算取得了成功。

但龍芯3B的主要問題不在研制過程中，而是剛開始定方向就出了很大偏差。主要問題在于雖然龍芯團(tuán)隊(duì)從課題組轉(zhuǎn)型成為了公司，但龍芯3B的研發(fā)還保持著學(xué)院派導(dǎo)向，過度追求多核以及浮點(diǎn)峰值性能的單一指標(biāo)，通用處理性能不足，滿足不了在“十一五”期間展開的自主CPU應(yīng)用和試點(diǎn)對性能的要求。

龍芯3B在學(xué)術(shù)上是成功的，3B1500峰值浮點(diǎn)運(yùn)算速度達(dá)到160GFLOPS，現(xiàn)在拿出來也不丟人，當(dāng)時(shí)在國際上算高的。但3B1500的通用處理能力比3A1000提高得不多，通過每個(gè)處理器核增加128KB的私有二級Cache以及主頻及內(nèi)存頻率的提高，3B1500的單核通用處理性能比3A1000提高了30%～50%，但與國外主流產(chǎn)品的性能差距還很大。

“十一五”期間，多核CPU成為國際學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)研究方向。因此，學(xué)院派思想主導(dǎo)的國內(nèi)CPU在“十一五”期間都放松了單核性能的提高，而是轉(zhuǎn)做多核，而且核數(shù)做得比國外還多。2006年研制成功的龍芯2E的通用處理性能與市場上主流X86處理器差一到兩倍，但龍芯CPU的單核性能從2006年的龍芯2E到2013年的龍芯3B1500只提高了50%左右;而在此期間市場主流X86處理器的單核通用處理性能提高了5倍以上。也就是說，“十一五”期間我國CPU通用處理性能被國外大幅度拉開了距離，從相差一到兩倍到相差一個(gè)數(shù)量級。

技術(shù)上的差距體現(xiàn)在市場上就是不好用。“十一五”期間，國家有關(guān)部門在涉及國家安全的領(lǐng)域開始了自主CPU應(yīng)用試點(diǎn)，大量的應(yīng)用往基于自主CPU和操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上移植。在2011—2013年的3年中，以嵌入式計(jì)算機(jī)為代表的裝備類應(yīng)用取得了不少成功;而以通用PC和服務(wù)器為代表的信息化類應(yīng)用雖然通過基礎(chǔ)軟硬件的磨合優(yōu)化取得了較大進(jìn)展，但由于自主CPU的性能基礎(chǔ)與國外產(chǎn)品有數(shù)量級差距，在很多應(yīng)用中遭遇性能瓶頸。

由于自主CPU的通用處理性能不夠，2013年起，“核高基”基本上放棄了CPU自主研發(fā)路線，轉(zhuǎn)而支持引進(jìn)國外CPU技術(shù)的路線。以IBM、AMD、威盛、ARM為代表的國外/境外CPU乘虛而入，紛紛尋求與國內(nèi)企業(yè)合資或開放技術(shù)授權(quán)的方式，把原來的產(chǎn)品搖身一變成為自主CPU（操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫也有類似情況）。這使得主要靠國家支持進(jìn)行研發(fā)的龍芯CPU陷入了巨大困境。

雖然當(dāng)時(shí)對“核高基”支持引進(jìn)CPU不滿，但究其原因，還是我們自己在“十一五”“核高基”支持的龍芯3B上沒有擺脫學(xué)院派的慣性，走了彎路，滿足不了當(dāng)時(shí)迫切的自主信息化市場需求。

龍芯如何調(diào)整思路？

痛定思痛，知恥后勇。2013年5月，龍芯公司結(jié)合市場需求對CPU的研發(fā)路線進(jìn)行了認(rèn)真調(diào)整。

一是龍芯3號系列多核CPU不追求核的個(gè)數(shù)而是大幅度提高單核性能，放棄高性能機(jī)專用CPU的研制，暫停16核處理器研制，重點(diǎn)把雙核、四核處理器做精做透。二是龍芯2號系列SOC芯片不追求“大而全”的復(fù)雜度，而是重視結(jié)合用戶需求定義芯片，以及SOC片內(nèi)互連的通暢性。三是龍芯1號系列結(jié)合特定應(yīng)用，如宇航、石油、流量表等研制專用芯片，專用芯片產(chǎn)業(yè)鏈短，容易形成技術(shù)優(yōu)勢并快速形成銷售（如面向宇航應(yīng)用的龍芯1E和1F已經(jīng)為龍芯公司帶來持續(xù)穩(wěn)定的銷售收入）。

從2014年下半年開始，龍芯研發(fā)和市場結(jié)合的作用開始顯現(xiàn)，2014年龍芯公司銷售收入比2013年增長51%;2015年在2014年基礎(chǔ)上再增長57%，為龍芯公司的可持續(xù)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。龍芯公司逐漸擺脫國家項(xiàng)目的支持，能夠主要通過市場銷售養(yǎng)活團(tuán)隊(duì)和產(chǎn)品研發(fā)。

基于上述對龍芯CPU研發(fā)路線的調(diào)整，2013年5月，我們暫停了已經(jīng)完成主要設(shè)計(jì)的16核龍芯3C處理器流片，開始四核3A2000處理器的研發(fā)。核多了沒有用，單核必須要強(qiáng)。就像體育比賽，靠人多取勝的只有拔河（相當(dāng)于計(jì)算機(jī)中的高性能計(jì)算機(jī)），絕大多數(shù)項(xiàng)目要靠運(yùn)動(dòng)員個(gè)人素質(zhì)。3A2000主要目標(biāo)就是大幅度提高單核性能，使單核通用處理器性能提高3倍以上。

目前3A2000已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段，其中經(jīng)過測試支持通過直連形成多路服務(wù)器的芯片成為3B2000。

龍芯3A3000為何對自主CPU具有里程碑意義

龍芯3A3000是在2015年5月臨時(shí)安排研制的。2015年5月初，我去常熟跟龍芯夢蘭公司的張福新、吳少剛等人討論3A2000整機(jī)解決方案的研發(fā)。大家對3A2000大幅度提升性能都很高興，大大增強(qiáng)了信心。經(jīng)過認(rèn)真討論，我們認(rèn)為如果我們采用Intel的Tick-Tock（嘀嗒）研發(fā)策略，應(yīng)該可以很快推出主頻1.5GHz以上，綜合性能超過2GHz的ARM和威盛的處理器。Tick指的是結(jié)構(gòu)不變，通過工藝優(yōu)化提升性能;Tock指的是工藝不變，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升性能。Tick-Tock策略可以把兩個(gè)芯片流水推進(jìn)，加快進(jìn)度的同時(shí)降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

2016年10月17日，龍芯3A3000通過了龍芯公司質(zhì)量體系要求的商業(yè)級產(chǎn)品的鑒定檢驗(yàn)摸底測試（工業(yè)級產(chǎn)品鑒定檢驗(yàn)工作正在同步展開），表明龍芯3A3000可以進(jìn)入批量生產(chǎn)狀態(tài)。目前3A3000已開始小批量生產(chǎn)，其中經(jīng)過測試支持通過直連形成多路服務(wù)器的芯片成為3B3000。

龍芯3A3000運(yùn)行SPEC CPU2000定點(diǎn)分值1100多分，浮點(diǎn)分值1700多分，運(yùn)行一遍不到一個(gè)半小時(shí)。回想2002年龍芯1號剛誕生時(shí)，運(yùn)行一遍SPEC CPU2000需要近3天時(shí)間，龍芯2C由于SEPC CPU2000分值沒有達(dá)到863課題合同要求的300分而沒有完成驗(yàn)收，龍芯2E費(fèi)了九牛二虎之力才勉強(qiáng)達(dá)到500分，真是“向來枉費(fèi)推移力，今日中流自在行”。

3A3000研制成功對自主CPU來說具有里程碑意義。

首先，3A3000的通用處理性能已經(jīng)跨過了國際通用處理器性能的第一個(gè)門檻，其單核SPEC CPU2006性能已經(jīng)不低于ARM用于服務(wù)器的高端處理器、Intel的低端系列（凌動(dòng)系列）處理器以及威盛處理器，而且3A3000的訪存帶寬已經(jīng)與AMD以及Intel的高端系列（酷睿系列）持平。這樣的性能玩復(fù)雜的3D游戲可能還有差距，但對于以黨政辦公為代表的事務(wù)處理應(yīng)用是足夠了（如果軟件做適當(dāng)磨合優(yōu)化，3A2000就夠了）。龍芯3A3000跨過了國際通用處理器性能的第一個(gè)門檻后，也為下一步跨越第二個(gè)門檻（即達(dá)到Intel和AMD主流處理器的性能）打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

其次，3A3000的通用處理性能超過了目前靠引進(jìn)ARM和威盛技術(shù)發(fā)展的國內(nèi)同類（四核）CPU?！笆晃濉遍_始的自主信息化應(yīng)用試點(diǎn)發(fā)現(xiàn)第一代自主CPU通用處理性能不夠的問題后，國內(nèi)CPU研制單位均展開了第二代CPU的研發(fā)，并衍生出三條不同的技術(shù)路線。第一條是以龍芯和申威為代表的“研”的路線，即通過分析第一代產(chǎn)品應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行自主研發(fā)升級。第二條是“攢”的路線，即使用國外的處理器核“攢”SOC，并在此基礎(chǔ)上對處理器核進(jìn)行局部優(yōu)化。第三條是“O（ODM）”的路線，即中國人掏錢請外國人干，目前主要是把國外/境外已有的現(xiàn)成設(shè)計(jì)直接拿過來換成中國的品牌。由于自主研發(fā)路線在“十一五”期間走了彎路，很多人對自主研發(fā)路線產(chǎn)生了疑慮，覺得此路不通，因此“核高基”在“十二五”期間主要支持以ARM的處理器核“攢”SOC的路線和“O”威盛的路線為主。一是錢多，二是引進(jìn)別人的產(chǎn)品省時(shí)間，加上龍芯3A2000與境內(nèi)工藝磨合，在產(chǎn)品化方面花了較多時(shí)間，從2014年年底到2016年年初大約一年半的時(shí)間，采用引進(jìn)技術(shù)的CPU大肆攻擊自主CPU性能不行，要求在已有的自主信息化試點(diǎn)中換掉龍芯（而且確實(shí)換掉了一些），給龍芯造成很大壓力。

3A3000的通用處理性能超過引進(jìn)的ARM和威盛技術(shù)的CPU，加上前些日子使用申威處理器的“太湖之光”高性能機(jī)取得世界第一的好成績，充分說明不論是通用CPU還是高性能機(jī)專用CPU，自主研發(fā)的道路都是走得通的，不僅安全性好，性能也高。尤其是通過自主研發(fā)形成持續(xù)改進(jìn)能力后，未來的后勁更足?？梢哉f，在與引進(jìn)CPU的技術(shù)路線的斗爭中，龍芯3A3000拉開了自主CPU戰(zhàn)略反攻的序幕。尤其值得指出的是，龍芯3A3000的研制沒有得到國家項(xiàng)目的補(bǔ)助，是完全由企業(yè)自己掏錢研制的自主通用CPU，也具有里程碑意義。

（此文為龍芯總設(shè)計(jì)師胡偉武于2016年10月撰寫的《我們的龍芯3號——致龍芯15周年》。原文共兩萬余字，本文有刪減，標(biāo)題為編者所加。）