無論是出于國家戰(zhàn)略安全的考慮，還是產(chǎn)業(yè)升級的需要，國產(chǎn)CPU的研發(fā)和應(yīng)用都要提升到一個全新的高度。憑借這些年來逐步積累的經(jīng)驗，持續(xù)加大的研發(fā)投入和很大的工藝提升空間，國產(chǎn)CPU已經(jīng)在縮小與國際水平的差距。同時，AI、5G、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)也帶來新的計算需求，促使國產(chǎn)CPU進入快速發(fā)展階段。

在這個崛起的過程中，還有一個必須要攻克的關(guān)隘，那就是指令集架構(gòu)。不能自主掌控指令集架構(gòu)，國產(chǎn)CPU就不能實現(xiàn)真正意義上的飛躍。近日，龍芯自主指令系統(tǒng)架構(gòu)（Loongson Architecture，以下簡稱龍芯架構(gòu)或LoongArch）的基礎(chǔ)架構(gòu)通過國內(nèi)第三方知名知識產(chǎn)權(quán)評估機構(gòu)的評估，并在2021年信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新論壇主論壇上正式對外發(fā)布，標志著國產(chǎn)CPU已經(jīng)跨入了一個新時代。

掌握主動權(quán)從IP核做起

當前，要構(gòu)建獨立于WIntel體系和AA體系的安全可控的信息技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，必須要解決三大環(huán)節(jié)的問題。

首先是基于自主IP核的芯片設(shè)計。因為一個芯片的性能、成本、功耗還有安全性，主要是由里面的IP決定，而不是由芯片本身決定。作為國產(chǎn)CPU代表的龍芯，其主要的IP內(nèi)核都是自己研發(fā)設(shè)計的，從而能做到對芯片性能的全面掌控。

二是基于自主指令系統(tǒng)的軟件生態(tài)。指令系統(tǒng)是整個CPU的中樞，具體是指一種類型CPU中用來計算和控制計算機系統(tǒng)的一套指令的集合。指令系統(tǒng)主要規(guī)定了指令格式、尋址訪存、數(shù)據(jù)類型、寄存器等，是承載軟件生態(tài)的基礎(chǔ)，比如X86承載計算機生態(tài)，ARM承載手機生態(tài)。

因為位于整個芯片“食物鏈”的最頂端，全球只有Intel、ARM等少數(shù)幾家指令系統(tǒng)架構(gòu)供應(yīng)商，它們的下游是數(shù)千家芯片設(shè)計公司。所以，無論從國家競爭力、國家安全、經(jīng)濟發(fā)展等哪一方面看，研發(fā)自主指令系統(tǒng)對建立自主的芯片行業(yè)標準和生態(tài)都具有重大的戰(zhàn)略意義。而基于自研的指令系統(tǒng)，龍芯可以構(gòu)筑一個自主可控的生態(tài)系統(tǒng)。

三是基于自主材料設(shè)備的生產(chǎn)工藝，特別是CPU的生產(chǎn)工藝。

在過去20年的開發(fā)過程中，龍芯已經(jīng)積累了有上百種IP，包括最核心的GPU都可以做到自主研發(fā)。以SPEC CPU2006定點分值來算，市場主流產(chǎn)品的跑分是20到40之間，龍芯最新的3A5000已經(jīng)可以達到30分。這就證明了基于自主IP核研發(fā)的國產(chǎn)CPU，經(jīng)過多次迭代，性能是可以逼近、達到世界主流水平的。

“在別人的墻基上砌房子，再大再漂亮也可能經(jīng)不起風雨，甚至會不堪一擊”，而指令系統(tǒng)就是信息產(chǎn)業(yè)的墻基，基于國外授權(quán)的指令系統(tǒng)難以建設(shè)自主的信息技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，這是業(yè)內(nèi)已經(jīng)形成的一致看法。

現(xiàn)在，基于自主開發(fā)的龍芯CPU的IP核心，再加上使用成熟的制程工藝，可以從根本上杜絕國產(chǎn)CPU被卡脖子的風險。

屬于國人的龍芯架構(gòu)

龍芯架構(gòu)是龍芯中科基于二十年的CPU研制和生態(tài)積累所推出的，包括基礎(chǔ)架構(gòu)部分和向量指令、虛擬化、二進制翻譯等擴展部分，近2000條指令。

完全自主、技術(shù)先進、兼容生態(tài)是龍芯架構(gòu)的三大特點。

首先，從整個架構(gòu)的頂層規(guī)劃，到各部分的功能定義，再到細節(jié)上每條指令的編碼、名稱、含義，在架構(gòu)上進行自主重新設(shè)計，龍芯架構(gòu)具有充分的自主性。

其次，摒棄了傳統(tǒng)指令系統(tǒng)中部分不適應(yīng)當前軟硬件設(shè)計技術(shù)發(fā)展趨勢的陳舊內(nèi)容，吸納了近年來指令系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域諸多先進的技術(shù)發(fā)展成果。同原有兼容指令系統(tǒng)相比，不僅在硬件方面更易于高性能低功耗設(shè)計，而且在軟件方面更易于編譯優(yōu)化和操作系統(tǒng)、虛擬機的開發(fā)。

第三，在設(shè)計時充分考慮兼容生態(tài)需求，融合了各國際主流指令系統(tǒng)的主要功能特性，同時依托龍芯團隊在二進制翻譯方面十余年的技術(shù)積累創(chuàng)新，不僅能夠確保現(xiàn)有龍芯電腦上應(yīng)用二進制的無損遷移，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多種國際主流指令系統(tǒng)的高效二進制翻譯。

指令系統(tǒng)既自主又兼容是可以的，但需要對計算機系統(tǒng)的融會貫通。這里可以總結(jié)為3+3+3的9個能力。第一個3是3個基礎(chǔ)編譯器：GCC、LLVM、GOLANG；第二個3是3個虛擬機：Java虛擬機，JavaScript虛擬機和.NET虛擬機；第三個3是3個二進制翻譯系統(tǒng)，也就是對MIPS、X86和ARM系統(tǒng)的翻譯。通過多年積累，龍芯已經(jīng)掌握了上述3+3+3的能力，可以實現(xiàn)對計算機系統(tǒng)的融會貫通。

此外，龍芯中科還專門委托國內(nèi)第三方知名知識產(chǎn)權(quán)評估機構(gòu)對龍芯基礎(chǔ)架構(gòu)進行深入細致的知識產(chǎn)權(quán)評估。從2020年二季度開始，雙方投入上百人月，將LoongArch與ALPHA、ARM、MIPS、POWER、RISC-V、X86等國際上主要指令系統(tǒng)有關(guān)資料和幾萬件專利進行深入對比分析。

2021年1月，針對被評估的基礎(chǔ)架構(gòu)版本該評估機構(gòu)認為：（1）LoongArch在指令系統(tǒng)設(shè)計、指令格式、指令編碼、尋址模式等方面進行了自主設(shè)計。（2）LoongArch指令系統(tǒng)手冊在章節(jié)結(jié)構(gòu)、指令說明結(jié)構(gòu)和指令內(nèi)容表達方面與上述國際上主要指令系統(tǒng)存在明顯區(qū)別。（3）未發(fā)現(xiàn)LoongArch基礎(chǔ)架構(gòu)對上述國際主要指令系統(tǒng)中國專利的侵權(quán)風險。

構(gòu)筑強大生態(tài)

生態(tài)是CPU成敗的一個關(guān)鍵。傳統(tǒng)PC市場上，英特爾引領(lǐng)X86 CPU的發(fā)展并領(lǐng)導著一批 PC 硬件和制造企業(yè)為其適配；在移動終端市場，ARM架構(gòu)則主導著整個產(chǎn)業(yè)的走向。

在國內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)市場正蓬勃發(fā)展，眾多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)也面臨智能化革新之機遇，國產(chǎn)CPU要發(fā)揮引領(lǐng)者的作用，必須要建立一個良好的生態(tài)。

本次發(fā)布的龍芯架構(gòu)中，很重要的一點就是具有高效的二進制翻譯。通過以兼容方式保留現(xiàn)有生態(tài)，鼓勵合作企業(yè)把軟件編譯為龍芯架構(gòu)，就可以得到更高性能的原生程序。龍芯中科將持續(xù)改進龍芯架構(gòu)的二進制翻譯的硬件支持和軟件優(yōu)化，爭取在2025年消除指令系統(tǒng)間的壁壘。

為了讓國產(chǎn)軟件在國產(chǎn)CPU平臺上運行的更好，龍芯中科還提供了Loongnix操作系統(tǒng)，支持下游的OS企業(yè)和整機企業(yè)完成統(tǒng)信、麒麟，WPS等基礎(chǔ)軟件的遷移。

在IP建設(shè)方面，龍芯中科也做了很多細致的工作。比如，龍芯中科已經(jīng)在一定范圍內(nèi)發(fā)布龍芯架構(gòu)的基礎(chǔ)架構(gòu)指令系統(tǒng)手冊。待完成評估后，龍芯中科將在更大范圍內(nèi)發(fā)布更完整的龍芯指令系統(tǒng)手冊。同時，龍芯中科還在建立龍芯架構(gòu)的上游社區(qū)分支。

最重要的是，龍芯中科還將聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈伙伴在適當?shù)臅r間建立開放指令系統(tǒng)聯(lián)盟，在聯(lián)盟成員內(nèi)免費共享龍芯架構(gòu)及有關(guān)龍芯IP核。據(jù)悉，龍芯是國內(nèi)目前唯一一家，能夠?qū)ν馐跈?quán)指令集和IP的通用CPU企業(yè)。

在2020年，龍芯中科發(fā)起成立了“龍芯生態(tài)適配服務(wù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，在過去的一年中，聯(lián)盟充分發(fā)揮產(chǎn)業(yè)協(xié)同優(yōu)勢，推動聯(lián)盟成員資源共享以及生態(tài)適配、幫助提高聯(lián)盟技術(shù)人員適配能力、聯(lián)合打造行業(yè)生態(tài)解決方案。

截止目前，龍芯中科已在全國成立了八個子公司，并與70余家公司共同組建龍芯生態(tài)適配服務(wù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，實現(xiàn)資源互動。相信隨著龍芯架構(gòu)的發(fā)布，整個龍芯CPU生態(tài)將會得到更長足的發(fā)展，而國產(chǎn)CPU行業(yè)也將走上一條獨立自主之路。