致龍芯15周年 胡偉武披露龍芯3號開發(fā)歷程

　　龍芯3A2000芯片

　　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。就像體育比賽，靠人多取勝的只有拔河(相當(dāng)于計算機中的高性能計算機)，絕大多數(shù)項目要靠運動員個人素質(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。當(dāng)時龍芯公司承擔(dān)了基于某境內(nèi)40nmLL工藝的高可靠嵌入式CPU研制項目，雖然工藝性能不高，甚至比我們原來用的65nmGP工藝還慢30%，但至少流片的錢有地方出了，我們就基于該工藝研制3A2000。當(dāng)時還有一個重要決定就是保持3A2000與3A1000的引腳兼容，這樣龍芯客戶中基于3A1000研制的已有上百種板卡可以直接通過換焊3A2000來提高性能?；诰硟?nèi)工藝、通過微結(jié)構(gòu)優(yōu)化大幅提升性能以及與3A1000引腳兼容說明3A2000開始擺脫了學(xué)院派慣性，走出結(jié)合用戶需求研發(fā)CPU的關(guān)鍵一步。

　　2013年初，在龍芯最困難的時候，中科院計算所孫凝暉所長在所里資金本身就很困難的情況下，拿出500萬元支持龍芯3A2000處理器核GS464E的前期研發(fā)。雖然與研制3A2000所需要的上億元經(jīng)費相比，500萬顯得很少，但在龍芯最困難的時候得到來自龍芯“娘家”計算所的支持，覺得非常溫暖。

　　事實上2012年初龍芯公司在香山飯店召開年度規(guī)劃會時就決定對GS464處理器核(龍芯2F、2H、3A1000、3B1000、3B1500等都基于GS464微結(jié)構(gòu))進行優(yōu)化，形成新一代龍芯微結(jié)構(gòu)GS464E。GS464處理器核一直是我自己維護，其中有一半左右代碼(包括流水線控制部分如寄存器重命名、亂序發(fā)射隊列、寄存器堆控制、重排序緩存，以及訪存部分如地址運算、一級數(shù)據(jù)Cache、TLB、訪存失效隊列、最后一級共享Cache)是我自己寫的，2012年上半年我在機房中花了整整兩周時間為GS464升級為GS464E打好必要的基礎(chǔ)(我當(dāng)時說要把馬的架子變成駱駝的架子，先要把一個訪存部件升級為兩個訪存部件)后，把維護和升級處理器核的任務(wù)移交給汪文祥和吳瑞陽。這很可能是我最后一次有機會寫龍芯CPU的代碼了?，F(xiàn)在回憶起來，能夠在機房中心無旁騖地寫代碼真是莫大的幸福，有無比的成就感，但我不能讓自己成為龍芯CPU發(fā)展的瓶頸。而且經(jīng)過多年實踐的鍛煉，龍芯的年輕人已經(jīng)充分地成長起來了。龍芯3A1000、3B1000和3B1500都是我自己當(dāng)技術(shù)負責(zé)人，3A2000開始由年輕人擔(dān)任芯片的技術(shù)負責(zé)人，3A2000的技術(shù)負責(zé)人是王煥東，3A3000的技術(shù)負責(zé)人是楊梁。承擔(dān)國家項目也主要由年輕人作為項目負責(zé)人。

　　GS464E對GS464的改造是全方位的。在指令系統(tǒng)方面，我們在MIPS64R3的基礎(chǔ)上進行了擴展(MIPS指令系統(tǒng)的授權(quán)允許用戶進行擴展)并形成龍芯指令系統(tǒng)LoongISA，除增加一些基礎(chǔ)指令外，還有支持云計算的虛擬化擴展，以及加速X86和ARM二進制翻譯的擴展。在微結(jié)構(gòu)方面，除了前述的把訪存功能部件從一個增加到兩個外，還把Cache行大小從256位增加到512位，最后一級Cache從四路組相聯(lián)提高到16路組相聯(lián)，增加了多個層次的預(yù)取，把重排序緩存ROB從64項增加到128項，重命名寄存器個數(shù)從64個增加到128個，亂序發(fā)射隊列由原來的定點和浮點各16項增加到定點16項(3A3000增加到32項)、浮點24項(3A3000增加到32項)、訪存32項，重新構(gòu)建了整個轉(zhuǎn)移猜測模塊。此外，用大量的測試程序?qū)ξ⒔Y(jié)構(gòu)進行了細節(jié)的磨合，局部優(yōu)化達到三十多處。3A2000的多核互連模塊和內(nèi)存控制器也進行了性能優(yōu)化。尤其是內(nèi)存控制器的優(yōu)化，可以大幅度提高訪存頻率和效率。2014年7月，RTL代碼凍結(jié)。

　　3A2000除了使用流片廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)單元庫、MemoryCompiler生成的RAM、低速IO單元以及efuse單元以外，包括鎖相環(huán)、HTPHY、DDR2/3PHY、多端口寄存器堆、CAM、溫度傳感器等宏單元都是我們自己定制的，沒有使用任何第三方的宏單元模塊。因此，全定制工作量也不小。

　　3A2000的物理設(shè)計采取了很多優(yōu)化措施，初步建立起一套在主流EDA工具基礎(chǔ)上的In-House的流程和工具，包括統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫支撐的設(shè)計平臺，基于觸發(fā)器聚類的定制時鐘設(shè)計，深度層次化設(shè)計等。這套In-House的流程和工具比純粹依賴EDA工具的單元級設(shè)計流程提升性能20%左右。

　　2014年11月初，3A2000交付流片。這次流片共有龍芯的三款芯片一起拼了個全掩膜。由于流片前的功能驗證非常充分，尤其是在3A2000驗證過程中，王朋宇負責(zé)的驗證組完善了龍芯指令級隨機驗證環(huán)境，從原來只覆蓋用戶態(tài)指令到覆蓋核心態(tài)指令以及例外處理，大大提高了3A2000的功能驗證覆蓋率。物理設(shè)計和檢查也精雕細刻，我們對3A2000流片成功很有信心。

　　經(jīng)過幾個月的焦急等待，2015年4月10日晚飯后，終于拿到了3A2000的盲封樣片，連夜進行調(diào)試，到第二天早上三點多成功運行操作系統(tǒng)。隨后的測試一切順利：在運行了包括SPECCPU2000、SPECCPU2006、Unixbench等大型程序后，功能未見異常;主頻可以達到1GHz;SPECCPU2006單核分值達到6-7分，是3A1000的3倍左右，尤其是以STREAM測試表征的訪存帶寬大幅度從3A1000的不到1GB/s上升到10GB/s，與市場主流處理器基本持平。在基于龍芯3A2000的桌面終端上進行各種辦公應(yīng)用，覺得流暢多了。有部分芯片在較高電壓下運行不穩(wěn)定，當(dāng)時并沒有引起重視。

　　2015年5月，經(jīng)過ATE測試臺成測的一批芯片回來測試，發(fā)現(xiàn)功能測試結(jié)果與ATE測試臺測試結(jié)果不一致，即部分芯片通過ATE測試后功能還是不正常，這是3A2000完成產(chǎn)品化的嚴(yán)重障礙(即通過測試后提供給客戶的芯片中有一部分可能是壞的)。通過調(diào)整ATE向量，ATE測試與功能測試的一致性增強，但還有部分芯片不完全一致，總體感覺N管偏快的工藝穩(wěn)定性明顯增強。為了更好地分析原因，6月初請廠家把第一次流片中6個hold的晶圓調(diào)整工藝角開始生產(chǎn)。

　　經(jīng)過繼續(xù)深入的分析，發(fā)現(xiàn)兩個明顯現(xiàn)象：一是N管偏快的芯片穩(wěn)定性好很多，ATE測試和功能測試比較一致;二是通過改善主板電源穩(wěn)定性，有利于芯片穩(wěn)定。雖然機理不是很清楚，但在當(dāng)時巨大的市場壓力下(采用引進技術(shù)的CPU到處攻擊龍芯性能不行，要求有關(guān)自主化應(yīng)用放棄龍芯，使用引進技術(shù)的CPU)，決定結(jié)合已有的現(xiàn)象進行改版流片，一是更換定制的電容更大的DECAP替換廠家提供的DECAP以抑制動態(tài)壓降(定制的DECAP電容比廠家提供的DECAP電容提高一個數(shù)量級)，這會帶來抗ESD能力下降的風(fēng)險，但我們經(jīng)過分析覺得風(fēng)險不大(事后流片回來進行了ESD實驗，抗2000V人體模型沒問題);二是根據(jù)負責(zé)全定制工作的鐘石強的建議調(diào)整了定制寄存器堆的字線和位線配合時序(增加了20ps左右的裕量)，因為仿真發(fā)現(xiàn)N管偏快有利于定制的寄存器堆字線和位線時序配合，與實驗現(xiàn)象符合。3A2000的第一次改版只改了6層掩膜板，于9月初完成改版設(shè)計并交付流片。

　　2015年11月初，6個調(diào)整工藝角的芯片回來，經(jīng)過大量的ATE測試和功能測試，確定寄存器堆是部分芯片功能不穩(wěn)定的主要原因。ATE測試發(fā)現(xiàn)不同工藝角芯片的寄存器堆MBIST測試在1.30V到1.50V的不同電壓下出錯，功能測試出錯電壓則比寄存器堆低100-150mV，有較強的一致性，但機理仍不清楚。

　　2016年1月11日下午下班前，我跟范寶峽、蘇孟豪在討論蘇孟豪通過JTAG通路(這是預(yù)留的除了正常的ATE測試外的另外一條測試通路)以ScanCollar方式測試寄存器堆沒有發(fā)現(xiàn)錯誤的問題，并了解到楊旭審查版圖發(fā)現(xiàn)寫端口的位線的延遲在其它端口寫相反值及讀端口旁路讀時是最差情況，我馬上叫蘇孟豪用最差情況向量通過JTAG端口進行測試，很快就復(fù)現(xiàn)了寄存器堆出錯的問題并經(jīng)過進一步分析搞清楚了寄存器堆寫出錯的機理：在寄存器堆寫端口寫入過程中，要求位線比字線先到，字線與位線之間保持必要的延遲差才能保證寫入的正確性，但在位線負載大時(其它寫端口寫相反值及其它讀端口讀旁路)位線延遲變大，字位線延遲差太小，導(dǎo)致寫寄存器堆出錯。提高電壓會進一步減少字線與位線的延遲差，因此更容易出錯。

　　真是柳暗花明，困擾我們大半年的3A2000產(chǎn)品化問題終于搞清楚了，尤其是這說明我們在2015年9月份在機理不清楚情況下的改版是正確的。而且這個測試向量提供了一種在已有芯片中把不穩(wěn)定的芯片篩選掉的辦法，這是龍芯3A2000產(chǎn)品化過程邁出的重大一步。

　　2016年2月8日是春節(jié)，3A2000第一次改版的芯片在2月4日完成封裝，為了在春節(jié)前完成3A2000第一次改版芯片測試，孫凱軍專門到封裝廠等待封裝好的芯片，拿到芯片時已經(jīng)是下午6點多，直飛北京的飛機已經(jīng)沒了，半夜到上海倒了一次飛機，5日上午到北京，馬上安排測試，確實寄存器堆的問題大大緩解了，穩(wěn)定性大幅度提高。春節(jié)上班后我們又組織攻關(guān)解決了一個軟硬件磨合的問題，到2016年2月22日，完成3A2000的初步產(chǎn)品化工作，開始對外銷售芯片(原來一直只能以樣片方式贈送給客戶試用)。

　　2016年3月中旬，3A2000進行再次改版，這次改版是全掩膜改版(原來是三個芯片拼了個全掩膜)，除了進一步增加寄存器堆字線和位線的延遲差以外，還修改了其它幾個小問題。2016年7月下旬，芯片回來后經(jīng)測試，原來的定制模塊問題不復(fù)存在，芯片功能正常，而且ATE測試與功能測試一致性好。目前3A2000已經(jīng)進入量產(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。

　　在隨后的應(yīng)用推廣中，3A2000與3A1000保持引腳兼容以及軟件兼容體現(xiàn)出巨大優(yōu)越性，很多客戶直接在原來3A1000的主板上換焊3A2000芯片，只需通過簡單的BIOS和內(nèi)核調(diào)整，就可以大幅度提升性能。龍芯的整機廠家迅速升級了部分原來基于龍芯3A1000的計算機并進行了應(yīng)用試點。在2016年6月進行的某辦公應(yīng)用試點驗收會上，有關(guān)部門和專家認(rèn)為，基于3A2000的計算機使自主化辦公應(yīng)用從“基本可用/可用”提高到“基本好用/好用”。

　　龍芯3A3000是在2015年5月臨時安排研制的。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，大大增強了信心。同時張福新他們提出，由于我們使用境內(nèi)的40nm低速工藝，而引進ARM和威盛的CPU都使用境外28nm高速工藝，雖然3A2000在微結(jié)構(gòu)上已經(jīng)超過了引進的ARM和威盛的CPU，由于主頻偏低，3A2000在綜合性能上還是吃虧(1.0GHz的3A2000處理器核SPECCPU2006分值為6-7分，而1.6-2.0GHz的ARM和威盛處理器核SPECCPU2006分值達到8-10分)，建議龍芯也盡快使用境外工藝提升頻率。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策略可以把兩個芯片流水推進，加快進度的同時降低技術(shù)風(fēng)險。

　　3A2000主要是通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升性能，屬于Tock;3A3000則直接采用3A2000的源代碼，通過工藝優(yōu)化提升性能，同時繼續(xù)保持與3A2000的引腳兼容，屬于Tick。因此，3A3000在功能上沒有什么風(fēng)險，主要是工藝移植的風(fēng)險。當(dāng)然，3A3000在微結(jié)構(gòu)上還是做了適度增強：一是結(jié)合3A2000的性能瓶頸分析把定點/浮點發(fā)射隊列從16/24項增加到32/32項，二是把最后一級Cache從4MB提高到8MB。到6月底，完成了RTL源代碼修改，隨后全面展開物理設(shè)計。

　　3A3000物理設(shè)計中繼續(xù)需要定制包括HT-PHY、DDR-PHY、鎖相環(huán)、多端口寄存器堆、CAM等全定制模塊。由于3A2000中的全定制模塊出過問題，3A3000的全定制模塊檢查特別嚴(yán)格。除了加強設(shè)計仿真外，還讓原龍芯全定制組的組長楊旭(現(xiàn)在是龍芯中科公司全面負責(zé)生產(chǎn)的副總)重新披掛上陣，進行背靠背的復(fù)查。緊趕慢趕，于2016年1月底完成了全定制設(shè)計的簽核和復(fù)查評審。

　　3A3000物理設(shè)計中另一個難點是時序收斂。3A3000使用的28nmFDSOI工藝晶體管確實比3A2000使用的40nmLL快60%左右，但連線延遲大，而且互相干擾也大，廢了很多周折。楊梁率領(lǐng)物理組在2016年春節(jié)期間也沒有休息，終于在2016年2月中旬交付流片。

　　2016年6月端午假期期間，龍芯3A3000完成晶圓生產(chǎn)并進行了中測，剛開始比較順利，已經(jīng)調(diào)試完成大部分向量，只是測試我們自己研制的鎖相環(huán)時發(fā)現(xiàn)鎖相環(huán)輸出時鐘有不穩(wěn)定現(xiàn)象。6月中旬拿到盲封芯片，測試發(fā)現(xiàn)只有在低于0.8V的低電壓下芯片才能正常工作，經(jīng)過兩周的分析發(fā)現(xiàn)還是寄存器堆的問題，這次是讀出電路的問題，讀電路譯碼時產(chǎn)生了毛刺，把別的字的內(nèi)容耦合到讀出字內(nèi)容來了。好在該問題只需要修改一層掩模版。

　　2016年9月13日，修改寄存器堆問題的改版芯片回來。這次測試非常順利，很快就運行了SPECCPU2000和SPECCPU2006等大型程序，均未發(fā)現(xiàn)異常。主頻可以達到1.5GHz以上。進一步的測試結(jié)果比想象的好，一是內(nèi)存頻率可以達到750MHz以上，而且信號眼圖還非常好，STREAM測試帶寬達到13GB/s;二是雖然主頻只提高了50%，但綜合SPECCPU2006和SPECCPU2000分值可以提高60%，其中SPECCPU2006單核分值為定點11分以上、浮點10分以上，四核分值為定點36分，浮點33分;三是可以運行在很低電壓下，例如運行在1.0V電壓下主頻1GHz時功耗還不到3A2000運行1GHz時的一半。對于復(fù)雜應(yīng)用(如打開幾十MB的復(fù)雜文件)，3A3000的用戶體驗比3A2000有顯著提高。

　　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)品的鑒定檢驗摸底測試(工業(yè)級產(chǎn)品鑒定檢驗工作正在同步展開)，表明龍芯3A3000可以進入批量生產(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運行SPECCPU2000定點分值1100多分，浮點分值1700多分，運行一遍不到一個半小時(如果使用計算所的編譯器進行優(yōu)化，定點和浮點分值還分別可以提高15%和30%以上)?；叵?002年龍芯1號剛誕生時，運行一遍SPECCPU2000需要近三天時間，龍芯2C由于SEPCCPU2000分值沒有達到863課題合同要求的300分而沒有完成驗收，龍芯2E費了九牛二虎之力才勉強達到500分，真是“向來枉費推移力，今日中流自在行”。

　　在3A2000和3A3000的研制過程中，有兩點深刻體會。一是CPU的可調(diào)試性設(shè)計很重要，3A2000和3A3000的全定制問題和若干其它問題的定位，都是基于通過JTAG接口控制的預(yù)先設(shè)計的調(diào)試模塊，該調(diào)試模塊可以控制和讀出CPU內(nèi)部所有觸發(fā)器和RAM的內(nèi)容，比起以前調(diào)3A1000、3B1000和3B1500方便多了。二是境內(nèi)工藝的一致性比境外工藝有一定差距，包括不同批次的一致性，仿真模型和實際晶體管參數(shù)的一致性都和國外工藝有一定差距，設(shè)計時要多留些裕量，蒙特卡羅仿真也要把參數(shù)波動范圍設(shè)大一些。

　　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門檻，其單核SPECCPU2006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(凌動系列)處理器以及威盛處理器(這些處理器在1-4核環(huán)境下2GHz時單核SPECCPU2006性能一般在8-10分之間，如果核數(shù)更多，由于最后一級Cache巨大，性能會有所提高)，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門檻后，也為下一步跨越第二個門檻(即達到Intel和AMD主流處理器的性能)打下了堅實的基礎(chǔ)。其次，3A3000的通用處理性能超過了目前靠引進ARM和威盛技術(shù)發(fā)展的國內(nèi)同類(四核)CPU。“十一五”開始的自主信息化應(yīng)用試點發(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，二是引進別人的產(chǎn)品省時間，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間，從2014年年底到2016年年初大約一年半的時間，采用引進技術(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中換掉龍芯(而且確實換掉了一些)，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)改進能力后，未來的后勁更足。可以說，在與引進CPU的技術(shù)路線的斗爭中，龍芯3A3000是抗日戰(zhàn)爭的石牌保衛(wèi)戰(zhàn)，是解放戰(zhàn)爭的濟南戰(zhàn)役，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的研制沒有得到任何國家項目的補助，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。

　　根據(jù)Tick-Tock策略，我們制定了龍芯3號系列下一步研制計劃。四核龍芯3A4000為Tock，繼續(xù)使用目前的28nm工藝，爭取主頻達到2GHz以上，SPECCPU2006單核分值達到20分以上。3A4000的主要結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括：增加256位的向量指令，增加片內(nèi)安全機制，以及進一步通過微結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高流水線效率，爭取每GHz的單核SPECCPU2006分值達到10分(目前3A3000每GHz的單核SPECCPU2006分值為7分，ARM的高端處理器為5-6分，X86主流處理器為10-15分)。目前3A4000的研制工作已經(jīng)展開。在3A4000之后將研制Tick階段的新一代處理器，初步考慮使用16nm或14nm的工藝以及3A4000的處理器核研制16核的龍芯3C。經(jīng)過3A4000的又一輪優(yōu)化，龍芯的處理器核微結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本到位，是時候把2013年5月暫停的16核龍芯3C重新提上日程了。

　　十年以來，我們先后研制了龍芯3A1000、3B1000、3B1500、3A2000/3B2000、3A3000/3B3000五款龍芯3號系列芯片，大的流片版本12個，小的流片版本(只改幾層掩膜板)6個，碰到了各種各樣的問題，經(jīng)歷了很多坎坷。為什么龍芯CPU的研制經(jīng)歷這么多坎坷呢?除了龍芯的質(zhì)量流程需要持續(xù)改進以外(最近結(jié)合3A2000和3A3000的全定制問題正在舉一反三，并完善全定制流程)，究其根本原因，是因為我們堅持芯片中的核心模塊自己研制。前面提到的龍芯3號研制過程中碰到的問題，都是包括CPU、HT控制器、內(nèi)存控制器、全定制寄存器堆、全定制鎖相環(huán)等核心模塊內(nèi)部的問題，并不是把這些模塊“攢”在一起產(chǎn)生的問題。這些問題，如果購買商業(yè)IP(如ARM的CPU，Imagination的GPU等)來“攢”芯片一般不會碰到。自從2001年開始研制CPU以來，我直接或間接負責(zé)了近百次流片，流片后碰到的問題除了極個別外，都是核心模塊內(nèi)部的問題。

　　龍芯長期堅持芯片中的核心IP自己掌握。這些核心IP包括CPU核、內(nèi)存控制器、DDR2/3/4的PHY、互連網(wǎng)絡(luò)、HT控制器、HTPHY等，最近還展開了GPU的研發(fā)，只有少量的外圍IP使用商用IP。不是吃飽了飯沒事干，而是我們使用別人的IP吃過虧。2003年我們剛開始研制龍芯2號時委托一個很有名的EDA和設(shè)計服務(wù)公司定制一個3寫6讀寄存器堆，在交付流片后發(fā)現(xiàn)其中的電源地嚴(yán)重缺失，跟他們交涉時他們說這個不會有問題，導(dǎo)致龍芯2號系列的第一款芯片龍芯2A流片失敗，后來我們自己定制了該寄存器堆才使龍芯2B流片成功。龍芯3A1000剛開始研制時曾經(jīng)使用過商業(yè)DDR2/3PHY，我們在檢查中發(fā)現(xiàn)了一些問題，但廠家覺得沒問題不愿意修改，后來3A1000流片時同時流了使用商用DDR2/3PHY和自主研制DDR2/3PHY的兩個版本，并在使用自主DDR2/3PHY的版本流片成功后確定使用自主DDR2/3PHY的版本進行量產(chǎn)。龍芯3A1000和3B1000曾經(jīng)使用過商業(yè)的內(nèi)存控制器，但商業(yè)的內(nèi)存控制器滿足不了高性能CPU的帶寬要求(使用商業(yè)內(nèi)存控制器的SOC在雙通道下不可能做出龍芯3A3000的13GB/s實測帶寬來)，因此從3B1500開始自主設(shè)計內(nèi)存控制器。龍芯2H集成了商用的GPU核，該GPU核有Android操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序，但我們需要Linux的Xserver驅(qū)動，廠家自己開發(fā)不了，我們希望廠家把內(nèi)部配置寄存器如何使用的手冊給我們，我們自己開發(fā)，可是廠家說這是商業(yè)機密，不愿意給，至今龍芯2H只有在Android上有3D驅(qū)動，Linux的Xserver驅(qū)動只有2D的。

　　一是吃過虧，二是覺得洋鬼子干得還不如我們，所以就自己干。在國際上，雖然Nvidia巴心巴肝地幫Intel做配套GPU，Intel還是堅持自己做GPU;雖然Imagination巴心巴肝地幫ARM做配套GPU，ARM也堅持自己做GPU;雖然開源的火狐瀏覽器很不錯，谷歌還是堅持自己做Chrome。蘋果和高通公司都是在ARM的架構(gòu)授權(quán)下自主設(shè)計處理器核，其性能遠高于ARM的處理器核。他山之石、可以攻玉。只有技術(shù)上不受制于人，才有產(chǎn)業(yè)上的主動權(quán)。

　　做任何事情，依靠別人總是容易一些，完全靠自己則困難得多。但依靠得多了，吃過虧后才明白還得靠自己。毛主席在青年時期也沒有想過要革命，想著改良主義可以救中國，后來才覺得馬克思主義是“山窮水盡諸路皆走不通了”的選擇;建黨后在陳獨秀領(lǐng)導(dǎo)下在湖南搞工人運動，光大的罷工就舉行了十多次，結(jié)果是罷工受鎮(zhèn)壓，工人領(lǐng)袖被殺;國共合作期間依靠國民黨的武裝干革命，結(jié)果蔣介石發(fā)動“四一二”政變殺共產(chǎn)黨人;好不容易上井岡山建立了自己的軍隊，找到了武裝奪取政權(quán)、農(nóng)村包圍城市的道路，卻被那些在上海租界呆不住跑到井岡山避難的書生們輕松地奪了權(quán)，不得不進行兩萬五千里長征;經(jīng)歷千難萬險與四方面軍會師了，還差點被貪心不足的張國燾武力扣押。吃了這么多虧后，毛主席在以后的革命和建設(shè)中就牢牢掌握了主動權(quán)，包括國共第二次合作時堅持獨立自主的山地游擊戰(zhàn)，反對共產(chǎn)國際的“一切通過統(tǒng)一戰(zhàn)線”的錯誤主張;重慶談判堅持保留邊區(qū)和軍隊;建國后先是抗美援朝，后是中蘇論戰(zhàn)。等等。

　　在中國的近代史上，我們有三次向外國老師學(xué)習(xí)的經(jīng)驗，每次都是受老師欺負吃了虧后走上自力更生的道路。第一次是洋務(wù)運動，晚清時期中國海關(guān)關(guān)長都是英國人擔(dān)任的，是中國歷史上最開放的時期，卻被西方列強欺負得水深火熱，毛主席領(lǐng)導(dǎo)共產(chǎn)黨推翻了三座大山，解放了中國人民。第二次是建國后向蘇聯(lián)學(xué)，一邊倒，結(jié)果蘇聯(lián)在中國的土地上又想建聯(lián)合艦隊，又想建長波電臺，毛主席拒絕后蘇聯(lián)又撤專家又逼債，毛主席還是領(lǐng)導(dǎo)中國人民自己搞了“兩彈一星”，建立了自主可控的工業(yè)體系。第三次是改革開放，我們學(xué)習(xí)西方的管理理念和科學(xué)技術(shù)，剛開始覺得挺好的，現(xiàn)在有點覺得吃虧了(像我這樣氣性大的覺得忍無可忍了，很多人覺得還可以再忍忍)。2011年我國IT產(chǎn)業(yè)百強企業(yè)的利潤總和是蘋果公司的40%(我剛開始覺得華為是通信企業(yè)，可能不算在IT百強里面，后來查到華為也算在這里面時很有挫折感)?？偸锹爩＜艺f，我國跟美國的經(jīng)濟互相依賴，美國也不敢把我們怎么樣，可是當(dāng)美國制裁中興時，我們不得不認(rèn)慫，中興公司定期向美國商務(wù)部報告工作，以獲得延期制裁。美國可以通過不賣元器件在三個月之內(nèi)把國人引以為豪的華為、聯(lián)想、中興等企業(yè)搞死，十大軍工集團有大半開不了張，我們有哪種產(chǎn)品不賣給美國企業(yè)，會把美國的Intel、IBM、谷歌、微軟、蘋果搞死呢，我們頂多能把沃爾瑪搞得比較難受。現(xiàn)在想想，毛主席周總理帶著全國人民勒緊褲腰帶煉鋼鐵、打油井、發(fā)展兩彈一星，建立起自主可控的工業(yè)體系真是無比英明。

　　正如改革開放進入深水區(qū)，容易改的都改完了，剩下都是難改的;創(chuàng)新也進入深水區(qū)，容易創(chuàng)新的都創(chuàng)完了，剩下難創(chuàng)新的，需要十年磨一劍的積累。我們的IT產(chǎn)業(yè)先學(xué)會了用國外的芯片在主板上“攢”系統(tǒng)，后來又學(xué)會了用國外的IP在硅上“攢”系統(tǒng)。掌握這些簡單技術(shù)后，下面該深入到CPU、GPU這些復(fù)雜的核心模塊中去了。這些復(fù)雜的創(chuàng)新不是領(lǐng)導(dǎo)重視、錢多、人多就能一下子干出來的，還需要時間來磨，在探索和試錯過程中不斷演進。領(lǐng)導(dǎo)重視、人多、錢多可以加速探索和試錯的過程，但不能消除這個過程。中國航天建空間站，先來個天宮一號試試看，再來個天空二號(還分兩期)接著試，最后再發(fā)射正式空間站，也是這個演進的道理，不是缺錢，也不是領(lǐng)導(dǎo)不重視。CPU是超復(fù)雜系統(tǒng)，超復(fù)雜系統(tǒng)只能走進化論的道路，在產(chǎn)業(yè)化實踐中通過長期演進發(fā)展起來。即使在這個過程中，得到別人的源代碼，也只能加速自主研發(fā)的進度，取代不了自主研發(fā)的工作。更何況復(fù)雜系統(tǒng)是很難消化吸收的，即使拿到國外CPU的源代碼，每一行都看得明白，但把幾百萬行代碼拼在一起就不知道是干什么的，就像我們可以打開一頭豬的大腦看得清清楚楚，但不知道豬在想什么。很多人現(xiàn)在還寄希望于引進國外技術(shù)發(fā)展我國的CPU，那是因為吃洋鬼子的虧沒吃夠。須知天上是不會掉餡餅的，要發(fā)展以自主CPU和操作系統(tǒng)為代表的基礎(chǔ)軟硬件，我們必須克服急躁情緒，克服崇洋情緒，發(fā)揚愚公移山精神，堅持實事求是作風(fēng)，在自主創(chuàng)新實踐中不斷發(fā)現(xiàn)問題，在解決問題過程中不斷提高能力，才能保障國家安全和支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　龍芯今年15歲了。中國共產(chǎn)黨在15歲的時候完成了舉世矚目的萬里長征，建立了陜北根據(jù)地，取得了生存的基礎(chǔ)，但共產(chǎn)黨長征的目的決不僅僅是建立一塊根據(jù)地活下來，而是以此為基礎(chǔ)解放全中國。龍芯在15歲的時候完成了3A3000的研發(fā)，跨越了國際上通用CPU的第一個性能門檻，性能超過了引進設(shè)計的CPU，龍芯公司實現(xiàn)盈利，取得了生存的基礎(chǔ)，但龍芯的目標(biāo)絕不是為了生存和掙錢，而是為了建立自主可控的信息產(chǎn)業(yè)體系。目前我國的信息產(chǎn)業(yè)主要建立在以Wintel體系(Intel的CPU和微軟的Windows操作系統(tǒng))和AA體系(ARM的CPU和谷歌的Android操作系統(tǒng))為代表的國外基礎(chǔ)軟硬件平臺上。要改變我國信息產(chǎn)業(yè)和信息安全受制于人的局面，不能只著眼于單項技術(shù)的突破和產(chǎn)品市場占有率的提高，必須建立起自主可控的信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系，形成與Wintel體系和AA體系“三足鼎立”的局面，才能掌握產(chǎn)業(yè)發(fā)展主導(dǎo)權(quán)，消除安全隱患。如果我們沒有建立起自主可控的IT產(chǎn)業(yè)體系，繼續(xù)在已有的Wintel體系和AA體系中當(dāng)“馬仔”，是難以實現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興的“中國夢”的。反之，只要我們堅持自主創(chuàng)新，打通技術(shù)鏈，完全可以在局部指標(biāo)不如國外產(chǎn)品的情況下，建設(shè)出優(yōu)于國外產(chǎn)品的應(yīng)用系統(tǒng)。須知判斷技術(shù)是否先進的標(biāo)準(zhǔn)，不是看其跟美國人跟得緊不緊，而是看其跟應(yīng)用結(jié)合得緊不緊。

　　古人說“事非經(jīng)過不知難”。但只要認(rèn)真去做，也有“事非經(jīng)過不知易”的道理。龍芯3號系列CPU通用處理性能在從2013年起的不到四年時間提高到了原來的五倍以上，充分說明了這個道理。2001年我們開始研制龍芯CPU的時候，很少人相信我們能夠做出來，在整個“十五”期間，網(wǎng)絡(luò)上“龍芯打假”的言論層出不窮，但我們堅持做出來了，方法是在別人都不信的情況下，做給他看。2006年我們開始推廣龍芯CPU應(yīng)用的時候，也很少有人相信龍芯能用起來，不知受了多少奚落和冷嘲熱諷，甚至有人說，如果龍芯能夠賣得出去，他就從此倒立著走，但龍芯公司現(xiàn)在能夠通過龍芯CPU的銷售養(yǎng)活自己了，方法還是在別人都不信的情況下，做給他看。今天我們說要建立自主可控的信息產(chǎn)業(yè)體系，還是多數(shù)人不信，無非是認(rèn)為做生態(tài)太難，自己肯定做不好，不如跟著別的老大當(dāng)個馬仔，所以總說與X86和ARM兼容生態(tài)好，總之是一種畏難情緒。對付信心不足，我們還是老套路，做給他看。世界上做CPU的企業(yè)中，凡是不做生態(tài)(DEC、IBM、HP、SUN、SGI)或者跟生態(tài)(AMD、威盛)的CPU企業(yè)都活不好。八十年前幾萬衣不蔽體的紅軍剛到陜北時有誰相信這幫泥腿子能解放全中國?改革開放初期以能買到日本彩電為榮的中國人有幾個相信今天中國的制造業(yè)產(chǎn)值已超過美國加日本的總和?在建立自主信息產(chǎn)業(yè)體系方面，我們要在自己內(nèi)部肅清一切軟弱無能的思想，就像毛主席說的：“我們的同志，在困難的時候，要看到成績，要看到光明，要提高我們的勇氣”。

　　八十年前，當(dāng)衣不蔽體的幾萬紅軍完成兩萬五千里長征時，他們是中國最生氣勃勃，具有百折不撓的獻身精神，真正的民族精英。他們是懷著對革命的堅定信念，在崇高理想的指導(dǎo)下走完長征的。同樣，自從2001年開始龍芯處理器研發(fā)以來，龍芯人也是懷著堅持自主創(chuàng)新、保障國家安全、支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的堅定信念走了一條別人沒有走過、多數(shù)人不信能走通、非常艱難的“長征”。十五年來，很多龍芯的技術(shù)骨干都把人生最美好的青春獻給了龍芯的“長征”。加班加點仍是龍芯研發(fā)人員的常態(tài)，而龍芯的薪酬長期低于同行業(yè)水平，有些人三十多歲就出現(xiàn)了各種健康問題。不少龍芯的技術(shù)骨干都接到過獵頭公司百萬年薪的電話，但龍芯團隊的核心骨干非常穩(wěn)定。為了龍芯的產(chǎn)業(yè)化，很多技術(shù)骨干都毅然放棄中科院的事業(yè)編制，辭職到龍芯公司。人都是有私心的，但我敢保證龍芯人的私心相對少一些;大家離毛主席要求的“一個高尚的人，一個純粹的人，一個有道德的人，一個脫離了低級趣味的人，一個有益于人民的人”都有差距，但我敢自豪地說龍芯人的差距相對小一些。后之視今，尤今之視昔。我相信，我們的后人會像我們今天崇敬長征的英雄、崇敬抗美援朝的英雄、崇敬兩彈一星的英雄一樣，來崇敬今天在建立我國自主可控的信息產(chǎn)業(yè)體系道路上歷經(jīng)艱難險阻完成新長征的我們。

　　龍芯十五年的堅持來自中國科學(xué)院的光榮傳承。中科院計算所是我國計算機事業(yè)的搖籃，經(jīng)歷了“完全自主但沒有市場化”的第一個三十年，為兩彈一星做計算機;也經(jīng)歷了“完全市場化但喪失自主性”的第二個三十年，創(chuàng)辦了聯(lián)想和曙光，為了與市場接軌，研發(fā)工作忍痛從CPU和操作系統(tǒng)中退出。我們是中國第三代計算機人，任務(wù)是在市場化條件下實現(xiàn)自主性，保障國家安全和支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我的導(dǎo)師夏培肅院士是我國計算機事業(yè)的重要奠基人，她多次對我說過，這輩子最大的心愿就是把中國的計算機事業(yè)搞好，她們這代人沒搞好，希望我們搞得比她們好。李國杰院士曾經(jīng)在一次自主可控行業(yè)的大會上動情地說：我的導(dǎo)師夏老師(李國杰院士也是夏培肅院士的學(xué)生)已經(jīng)九十歲了，干不動了;我也七十歲了，快干不動了;如果到胡偉武這一代我國的CPU和操作系統(tǒng)還沒有發(fā)展起來，中國的IT產(chǎn)業(yè)就沒戲了。龍芯團隊有一個老研究員黃令儀老師，今年八十歲了還天天在屏幕前拖著鼠標(biāo)查版圖。有一次我請黃老師參加某用于安全領(lǐng)域的芯片研發(fā)工作時，黃老師脫口而出：胡老師，我這輩子最大的心愿就是匍匐在地，擦干祖國身上的恥辱;我是親眼見過我的同胞被日本鬼子的飛機炸死的。前輩的精神感染了我們，前輩的榮光照亮了我們前進的道路，讓我們咬著牙關(guān)，勇往直前!

　　龍芯十五歲了。2001年8月19日清晨當(dāng)屏幕上第一次出現(xiàn)“godsonlogin”時的那聲歡呼已經(jīng)遠去，在雨中登黃山的臺階上高唱《真心英雄》時的那種豪情已經(jīng)消退，夜深人靜時在計算所北樓長長的走廊盡頭泡方便面記憶已經(jīng)模糊，但龍芯人“為人民做龍芯”的初心未改，“十年磨一劍”的執(zhí)著依舊，“人生能有幾回搏”的奮斗長在。我們已經(jīng)走在“以安全可控為主題、以產(chǎn)業(yè)發(fā)展為主線、以生態(tài)建設(shè)為目標(biāo)”的新長征道路上。迷失方向時，堅持從國家和人民的角度(而不是自己的角度)做出選擇就是我們心中的“北斗星”。長征的道路蜿蜒曲折，不僅有芳草鮮美、落英繽紛，更有沼澤沙漠、雪山草地、豺狼虎豹，因此前進的路上就要苦我們的心智、痛我們的體膚。龍芯走自主研發(fā)道路，比直接引進處理器芯片或者引進處理器核的道路見效慢一些，在路上會被別人暫時超過心里著急;走市場化道路，要結(jié)合客戶需求把短板補齊，比起在計算所做研究時只關(guān)注幾個有顯示度的指標(biāo)來，在顯示度方面差一些;要建立自主軟硬件體系，比只在單一領(lǐng)域做單一產(chǎn)品難度大很多。這就要求我們在前進的道路上不僅要有沖天的豪情，艱苦奮斗、奮勇爭先，而且要有鋼鐵般的意志，做到專心致志、持之以恒、精益求精，直至取得最后的勝利。我們是“苦命”而光榮的龍芯人，雖千萬人吾往矣。

　　我們正在前進。我們正在做我們的前人從來沒有做過的極其光榮偉大的事業(yè)。我們的目的一定要達到。我們的目的一定能夠達到。