龍芯研發(fā)感悟

這是龍芯處理器主要設(shè)計人員胡偉武發(fā)布在中國科大BBS站[bbs.ustc.edu.cn]的兩篇文章，一年過去了，龍芯終于正式發(fā)布，回頭再讀讀這些文字，的確有一些別樣的滋味……

我們的CPU
胡偉武

我參與計算所的CPU開發(fā)項目，源于2000年10月一個偶然的機(jī)緣。10月中旬，所領(lǐng)導(dǎo)派我到我的母校中國科技大學(xué)去進(jìn)行招生宣傳。這是我1991年畢業(yè)后第一次回到母校。我回到了我原來工作過的實驗室，十年前在那里，我曾經(jīng)和另外一個同學(xué)一起做過一個與8086指令級兼容的處理器作為本科畢業(yè)設(shè)計。這是一個用400多個74LS系列的芯片搭起來的電路，能夠運(yùn)行8086指令系統(tǒng)中除了十進(jìn)制和除法指令以外的所有指令。由于沒有制版的費用，所有的連線都是手工焊的。這次回去，我看到了我原來做的機(jī)器還靜靜地躺在那里。面對與十年前一樣凌亂的實驗室和滿桌觸手可及的芯片、電容、電阻、電烙鐵，我有一種重操舊業(yè)的沖動，因為十年前那些沒日沒夜地與邏輯門、觸發(fā)器、譯碼器、選擇器玩命的日子有一種深深的誘惑，至今我還可以如數(shù)家珍地說出好多當(dāng)前我用過的集成電路芯片的引腳定義。我想到了我們所正在籌備的CPU設(shè)計項目，于是我給我的師兄唐志敏打電話，他是計算所系統(tǒng)結(jié)構(gòu)室的室主任，目前正負(fù)責(zé)計算所CPU設(shè)計項目的準(zhǔn)備工作。我開玩笑說一、二年之內(nèi)不把通用操作系統(tǒng)boot起來，提頭來見。于是回計算所后，我就開始考慮CPU的指令系統(tǒng)和流水線等問題。

2001年8月19日，前蘇聯(lián)解體的十周年紀(jì)念日，我們設(shè)計的Godson CPU成功地把LINUX操作系統(tǒng)boot起來。當(dāng) “l(fā)ogin:” 的提示符出現(xiàn)在屏幕上時，計算所北樓309房間一片歡呼。到9月中旬，一個用我們自己設(shè)計的CPU的完整計算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)浮出水面，該系統(tǒng)運(yùn)行完整的LINUX操作系統(tǒng)， 內(nèi)核版本為2.4，可以做其他運(yùn)行LINUX操作系統(tǒng)的計算機(jī)所支持的一切事情，包括運(yùn)行g(shù)cc編譯器，X-window視窗系統(tǒng)，WEB服務(wù)器，SPEC CPU2000基準(zhǔn)程序等。我們最引以為豪的還是該CPU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計?？梢哉f目前世界上最先進(jìn)CPU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)，該有的Godson都有，不少地方還有創(chuàng)新。雖然目前我們只是基于FPGA的設(shè)計，主頻也不高，但當(dāng)我們的CPU運(yùn)行到12.5MHz時，其性能已經(jīng)不比50MHz主頻的Intel 486差(當(dāng)然, 我們的主板比486主板要好)，確切地說，浮點性能比486強(qiáng)一點，定點性能比486差。值得一提的是，當(dāng)我們用一個叫“偏執(zhí)狂(Paranoia)”的測試程序測試CPU的浮點部件是否符合IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)時，奔IV處理器測出了浮點不嚴(yán)格符合IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)而我們的CPU完全符合標(biāo)準(zhǔn)。此外，在Godson中還專門針對網(wǎng)絡(luò)攻擊進(jìn)行了安全設(shè)計，可以有效防止利用緩沖區(qū)溢出技術(shù)進(jìn)行的攻擊。

應(yīng)該指出的是，我們只是完成了一個CPU的邏輯設(shè)計，目前是用FPGA對這個邏輯設(shè)計進(jìn)行驗證，只是一個階段性成果，還沒有進(jìn)行投片。用李所長的話說，“三分之二的工作還在后面”。如果我們對目前的工作沾沾自喜，那是很膚淺的。但即使是這個成果的取得，也來之不易。個中滋味，酸甜苦辣俱全，很難為外人所體會?；仡櫸覀冮_發(fā)Godson處理器的過程，雖然不長，但有教訓(xùn)，也有經(jīng)驗，總結(jié)一下，對以后的工作是有好處的。

我們做CPU設(shè)計緣起于所長李國杰院士的直接推動。李老師是我接觸過的院士中比較欽佩的一個，因為他能夠站在如何發(fā)展整個國家的信息產(chǎn)業(yè)的角度來考慮問題，而不是一個局部的角度?，F(xiàn)在我慢慢知道，他推動我們所做CPU設(shè)計是很不容易的。也許是由于前幾年計算所的反復(fù)折騰給人留下了不好的印象，使得很多人覺得計算所沒有能力做CPU，李老師最后只能把CPU設(shè)計作為一個計算所的所內(nèi)項目先做起來。我在計算所連讀書帶工作十來年，也是第一次體驗到不用立項申請而直接開始做一個課題。CPU設(shè)計技術(shù)是核心技術(shù)，但市場壁壘很高，即使現(xiàn)在已經(jīng)投片出來很好的CPU，如果沒有人用就會走入以前“鑒定會就是追悼會”的怪圈。但我相信李老師在信息產(chǎn)業(yè)界的經(jīng)驗和影響力，所以決心做下去。

我的師兄唐志敏是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)室的室主任，他把握著整項工作的大局，領(lǐng)導(dǎo)整個CPU設(shè)計的總體規(guī)劃。他的大度和謙和能夠把一批非常能干的年輕人團(tuán)結(jié)在一起，使大家互相之間從無猜忌?，F(xiàn)在在科技界有一種奇怪的現(xiàn)象，就是一個年輕人作出一些成果之后，就喜歡獨立門戶，結(jié)果造成了科研力量分散，干不成大事的局面。大家都在沾沾自喜地干一些幾十萬或頂多是上百萬的項目，形成不了很大的力量。在我們的項目組中，卻有一批本身也很厲害，能夠獨挑一攤的年輕人緊緊地團(tuán)結(jié)在一起，同心協(xié)力干一件事情，一個重要的原因是唐志敏是一個能夠容人的領(lǐng)導(dǎo)。舉一個簡單的例子，在所里后來立的一個CPU設(shè)計的項目中，我是項目負(fù)責(zé)人，但包括項目申請書、每月一次的課題進(jìn)展?fàn)顩r及支出情況表、以及鑒定會材料等，我一個字也沒有寫過，全是唐志敏代勞，使我有90%以上的時間能夠用在編程和邏輯設(shè)計。這只是一件小事，但我在計算所十來年，見了不少下屬幫領(lǐng)導(dǎo)寫報告的事，卻從未見過領(lǐng)導(dǎo)幫下屬寫報告的。唐志敏在全局的把握和總體規(guī)劃上也是有獨到的見解，至少是我所不能及的。關(guān)于我們未來CPU的用途，我的主張是自己做高性能工作站，但做出來干什么以及如何與別人競爭卻難說，唐志敏卻非常有數(shù)，他說現(xiàn)在我們所的軟件室正在做電子政務(wù)，以后結(jié)合在一起做，至少在安全方面是國外產(chǎn)品無法競爭的。我當(dāng)時覺得這種眼光真是“高瞻遠(yuǎn)矚、高屋建瓴”。

張志敏老師在我們的CPU設(shè)計中負(fù)責(zé)工程管理，他是李所長請來的客座研究員。根據(jù)我們自己的分工，在我們設(shè)計CPU的隊伍中，唐志敏是總負(fù)責(zé)，我負(fù)責(zé)設(shè)計，張老師負(fù)責(zé)工程管理。張老師是責(zé)任心非常強(qiáng)的人，很義氣，工程經(jīng)驗非常豐富。我最佩服張老師的有兩點，一是他把個人利益看得很輕，他放棄了原來工資更高的工作到我們這里來做這個事情；二是他做事情很實在、很專一。我有一個觀點，一個人一輩子做好一件事情都不容易，因此比較討厭一些一會兒這邊，一會而那邊，想兩邊都得好處的人。但張老師不是這樣的人，他做事情很實在。在我們基本完成Godson的邏輯設(shè)計后，需要一個模擬主板的環(huán)境，以便在邏輯設(shè)計上通過軟件模擬啟動LINUX。我覺得這個事情很難，但張老師加班加點一兩個星期就寫出來了。我和張老師配合得非常好，簡直是最佳搭檔。他工程經(jīng)驗很豐富，我理論上強(qiáng)一點；做事情他比較穩(wěn)重，我比較偏激。在每周一上午的例會上，我布置完本周的工作后，總要慷慨激昂地動員一番，張老師總是要擺一些困難潑潑冷水，真是一張一弛。以致于有一次他不潑冷水了，大家都不習(xí)慣。

雖然我們所籌備CPU設(shè)計已經(jīng)由來以久(從2000年初就開始做預(yù)研)，討論了許多輪。但我們真正開始動手設(shè)計是2000年11月。剛開始是唐志敏和我領(lǐng)著七、八個研究生做系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要是確定指令系統(tǒng)以及流水線結(jié)構(gòu)。在開始設(shè)計之初，李所長在全所會議上就定了“高性能、通用、一步到位”的目標(biāo)。后來，唐志敏和我又確定了兼容以及采用RISC結(jié)構(gòu)這兩個具體目標(biāo)。當(dāng)時雖然IA-64結(jié)構(gòu)炒得挺熱，但我們還是決定采用RISC結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在看來，這是對的。指令系統(tǒng)我開始建議與Alpha兼容，但唐志敏定為與MIPS兼容。說實在的，從2000年11月到2001年4月這段時間，我對CPU這個項目還不夠重視，因為我原來做機(jī)群及共享存儲系統(tǒng)也做得挺有意思。在這段時間里，我自己還花一部分時間在做機(jī)群方面的事情，寫了一些論文，4月底還到美國開了一個并行處理方面的國際會議。5月初從美國回來后開始全力投入做CPU設(shè)計。由于時間緊，在確定流水線結(jié)構(gòu)時，沒有看多少論文也沒有做多少實驗，主要是憑感覺和過去的積累，遇到權(quán)衡得失確定不了的事情，就與唐志敏討論讓他定奪。不過，現(xiàn)在回過頭去看，由于當(dāng)時沒有參考別人的方案，也就少一些禁錮?，F(xiàn)在有了一點時間開始看別人的做法，發(fā)現(xiàn)我們設(shè)計的基于操作隊列復(fù)用的動態(tài)指令流水線還是很先進(jìn)的，有不少創(chuàng)新點，我自己覺得比MIPS R10000的指令流水線要強(qiáng)。

我們的工作真正全面鋪開是在五一放假上班后。一方面，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本定型，用C語言寫的模擬器已經(jīng)差不多了，可以運(yùn)行簡單的指令和短程序了。另一方面，6月份突然接到所里的通知說今年10月份45周年所慶要展示我所在CPU設(shè)計方面的成果。從6月開始，我們開始了夜以繼日的三個月。在此期間，隊伍迅速擴(kuò)大，現(xiàn)在已經(jīng)有三、五十人。雖然只是一個邏輯設(shè)計，能夠在三個月內(nèi)從無到有地設(shè)計出完整的通用CPU，我自己也覺得吃驚?，F(xiàn)在回想起來，成功的原因有三條，一是技術(shù)路線正確，二是有一支高素質(zhì)而玩命的隊伍，三是計算所良好的環(huán)境和雄厚的技術(shù)儲備。教訓(xùn)有兩條，一是工程經(jīng)驗不足，初期管理不善；二是不重視工具。

我覺得，我們的技術(shù)路線在三個方面是很成功的。一是所長關(guān)于高性能通用CPU的定位。不少人認(rèn)為，處理器最大的市場在嵌入式方面，中國的處理器設(shè)計應(yīng)該定位在嵌入式上，沒必要或沒能力做通用處理器設(shè)計。誠然，嵌入式處理器的需求量很大，但大市場不一定能賺錢，小市場有時反而能賺大錢，因為后者是核心技術(shù)，別人做不了。Intel就是一個典型的例子，Intel處理器數(shù)量也只占全球市場的1.5%。其次，中國不是小國，核心技術(shù)自己不掌握不行。我倒是覺得象嵌入式處理器這樣的東西可做可不做，因為別人的嵌入式處理器價格很低，且不會卡我們。有的國外公司甚至主動提出，只要我們用他們的生產(chǎn)線，他們可以免費提供嵌入式的IP核。至于有人覺得我們做不了高性能通用處理器，我的回答是用我們自己的處理器做出一臺曙光機(jī)來再說。雖然我們做高性能通用處理器上還很落后，但我覺得我們現(xiàn)在的條件比當(dāng)年計算所做757和8920好得多，工具要好得多，工作量要小得多。任何事情，關(guān)鍵是要有人靜下心來認(rèn)真地去做。

我們在技術(shù)路線上第二個成功之處是兼容?；仡欀袊嬎銠C(jī)發(fā)展的歷史，應(yīng)該說，我們的“祖上”也是挺“闊”的，直到80年代初，我們的處理器設(shè)計技術(shù)不比人家差多少。落到今天這個地步，很大程度上是吃了不兼容的虧。因為現(xiàn)在計算機(jī)中絕大部分費用不是花在硬件上，而是花在軟件上。自己設(shè)計指令系統(tǒng)，只能圖一時痛快；與其它主流指令系統(tǒng)兼容，確實很麻煩，有時為了一條指令就得修改數(shù)據(jù)通路，增加不少東西，但卻可以一勞永逸。在我們組里，有一個很精干的操作系統(tǒng)組，才四個人，在3個月內(nèi)搞定一切與軟件有關(guān)的東西，包括BIOS、LINUX 2.4內(nèi)核、gcc編譯器、X-window、調(diào)試工具、Web Server等等，就是得益于我們的兼容設(shè)計。當(dāng)然，這四個人都是絕對的LINUX高手。我們甚至做到與別人的處理器引腳級兼容，只要把別人的拔下來，自己的插上去就行。因此，目前主板也是用別人的。當(dāng)然現(xiàn)在我們也在做主板設(shè)計，因為我們以后想做Infinite Band，不掌握主板技術(shù)不行。

我們在技術(shù)路線上第三個成功之處是穩(wěn)扎穩(wěn)打的設(shè)計方法。即從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，到C模擬器設(shè)計，到Verilog仿真，到FPGA驗證，到標(biāo)準(zhǔn)單元投片，再到全定制投片的方法。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案確定后，我們就設(shè)計了一個Cycle-by-cycle的C語言模擬器，該模擬器詳細(xì)描述了Godson處理器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠模擬處理器每一拍中每一位信號的變化。設(shè)計模擬器有三個明顯的好處，一是驗證設(shè)計的正確性，我們先后在C模擬器上運(yùn)行了LINUX 2.2、LINUX2.4、gcc等一系列系統(tǒng)軟件，發(fā)現(xiàn)了設(shè)計過程中的大量錯誤。二是用C語言描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加嚴(yán)格，沒有二義性，比用文字寫的文檔更加明確。在C語言模擬器驗證正確后，把C語言模擬器的每個模塊對應(yīng)地轉(zhuǎn)換成 Verilog語言的一個模塊花了不到一個月的時間。而且由于設(shè)計上的錯誤都在調(diào)試模擬器的過程中剔除了，在Verilog描述階段沒有再出現(xiàn)設(shè)計上的錯誤。第三個好處是C語言模擬器為軟件開發(fā)提供了一個開發(fā)平臺，為我們開發(fā)諸如BIOS等軟件提供了很大的便利。在把C語言的模擬器轉(zhuǎn)換成Verilog設(shè)計后，我們又在Verilog的運(yùn)行平臺上成功地運(yùn)行了LINUX操作系統(tǒng)。然后再綜合并形成FPGA的燒制文件。經(jīng)過上述反復(fù)的驗證，聯(lián)調(diào)時基本一次成功。如果我們不是穩(wěn)扎穩(wěn)打，而是采取跨越式的設(shè)計方法，直接進(jìn)行邏輯設(shè)計，恐怕會欲速則不達(dá)，因為越上層的設(shè)計，調(diào)試越容易，而越底層的設(shè)計，調(diào)試越困難，且剛開始時我們甚至連Verilog語言都不會使用。在聯(lián)調(diào)成功后，我們對流水線做了幾次較大的優(yōu)化，每次也都是在C語言模擬器上進(jìn)行驗證。

在我們實驗室的墻上，有兩句口號，一句是“人生能有幾回搏”，另一句是“求實、求實、求實、創(chuàng)新”。第一句口號是我所研制曙光系列高性能計算機(jī)用的口號，我把它借來了。的確，在我們努力攻堅的三個月中，我們課題組的成員付出了難以想象的艱辛，尤其是在幾次調(diào)試的階段。好多人都有調(diào)試程序的經(jīng)驗，但很少有人調(diào)試過操作系統(tǒng)，而在一個本身就可能出錯的處理器上調(diào)試過操作系統(tǒng)的人更少。我們的挑戰(zhàn)就在這里，當(dāng)出現(xiàn)一個錯誤時，應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)以及處理器本身都是懷疑的對象，需要多方面的協(xié)調(diào)及分析。我們曾經(jīng)在C模擬器、Verilog模擬環(huán)境、以及FPGA驗證系統(tǒng)上分別都運(yùn)行了LINUX操作系統(tǒng)，每次都是連續(xù)幾天幾夜的鏖戰(zhàn)。尤其是最后一次最為慘烈，因為即使發(fā)現(xiàn)一個很小的錯誤，修改一次設(shè)計再形成新的FPGA燒制文件，需要至少8個小時。只有一天24小時工作，才能保證一天有修改幾次設(shè)計的機(jī)會。我算是在課題組中睡覺不算少的，但也有一個星期沒有正經(jīng)睡覺的經(jīng)歷。在8月中旬的那個星期，星期一下班前得知第二天有領(lǐng)導(dǎo)要來所里檢查工作，于是決定冒險把原來定的聯(lián)調(diào)時間提前一周，希望一次成功。但怕不成功影響士氣，只找了幾個骨干在星期一晚上開始聯(lián)調(diào)。我們只有兩次機(jī)會，因為修改一次設(shè)計就需要8小時。星期二凌晨四點，把FPGA文件寫入FPGA，沒有任何動靜。很快就用邏輯分析儀發(fā)現(xiàn)了問題。原來是由于啟動時與主板握手機(jī)制有缺陷，導(dǎo)致主板一直沒有撤掉復(fù)位信號。趕快修改并在中午12點形成了新的FPGA燒制文件，寫入后還是沒有任何動靜。下午領(lǐng)導(dǎo)來檢查，開了一下午會，晚上接著調(diào)試，發(fā)現(xiàn)CPU插卡上有兩個焊點短路，去掉后主板上的液晶顯示器上如約顯示出“GODSON”的字樣，我們一片歡呼。我們決定連續(xù)作戰(zhàn)，到星期三晚上11點左右，成功地運(yùn)行經(jīng)過改造的主板上的BIOS系統(tǒng)，相當(dāng)于是一個簡單的操作系統(tǒng)，又是一片歡呼（這時課題組的其他成員才知道我們是在我們自己的CPU上運(yùn)行程序）。于是12點要求所有人回去睡覺后回家睡覺。晚上雷聲大作，風(fēng)雨交加，以示慶賀。我興奮得難以入睡，因為此時始覺三個月來一直緊緊壓迫我的壓力稍有緩和。星期四上班后開始試圖啟動LINUX操作系統(tǒng)，但每次都在最后進(jìn)入用戶態(tài)啟動各種應(yīng)用程序時出錯。懷疑是TLB的問題，因為訪問用戶空間才開始使用TLB。一直跟TLB斗爭了三天兩夜，中間發(fā)現(xiàn)了不少問題，每次充滿期望地改過來卻總是獲得失望，直到星期六吃晚飯前恍然大悟地發(fā)現(xiàn)問題，吃完晚飯后趕快修改，8月19日凌晨2點多形成FPGA文件并寫入FPGA，2點42分，屏幕終于上出現(xiàn)了“l(fā)ogin”字樣，登錄進(jìn)去隨便玩，和使用其它機(jī)器上的LINUX一樣。我當(dāng)時用vi編輯了一個文件記錄這一歷史時刻，存盤退出后把它ftp到另一臺機(jī)器上發(fā)給唐志敏和所領(lǐng)導(dǎo)，并興奮得馬上給唐志敏打電話告訴他這個好消息。那時雖然我們都已經(jīng)極度疲憊，但在場的6個人都興奮得毫無睡意，聊天到天亮。記得那晚也是風(fēng)雨交加。早上6點大家回家睡覺，不知別人怎么樣，我連續(xù)睡了20多個小時，補(bǔ)上了這一星期的覺。在此之后，我們又跟前述“偏執(zhí)狂”的浮點測試程序斗爭了兩個禮拜，不過已經(jīng)沒有那么辛苦了。我有時候覺得自己比周扒皮還狠，但我們課題組的成員確實很玩命。有好幾次，我在早上六、七點鐘打開實驗室的門，發(fā)現(xiàn)有些人手里扶著鼠標(biāo)就靠在椅子上睡著了。我是容易受感動的人，看到這樣的場景忍不住想落淚。但我還是叫醒他們問他們昨天晚上的進(jìn)展并讓他們接著干。我有一個學(xué)生，近兩個月來很少在凌晨4點前睡覺，而常常到八、九點鐘我上班后就會把他叫起來，因為我急于了解昨晚的進(jìn)展。記得有一次我們在深夜趁等計算機(jī)的運(yùn)行結(jié)果，大家聊天，說到了生死。他說最不希望老死，看著自己的生命一點點耗盡。我們有一種觀點，我們現(xiàn)在落后這么多，別人不比我們笨，如果大家都一樣一周五天一天8小時上班，恐怕很難趕上人家，惟有象當(dāng)年搞“兩彈一星”一樣拼命，至少得累死一批人。惟有這樣，我們才能不受欺負(fù)，我們的子孫才有希望重新做到“犯我大漢者，雖遠(yuǎn)必誅之”。

我經(jīng)常說，一盆花用水澆灌固然能夠盛開，但用心血澆灌會更鮮艷。我們的CPU事業(yè)就是一朵花，我們在用心血澆灌她。我們給我們設(shè)計的處理器取了一個很有傳統(tǒng)特色的小名叫“狗?！保Ｍ仲v一點容易養(yǎng)大，音譯成英文就是Godson。

至于我們墻上的另外一句口號“求實、求實、求實、創(chuàng)新”是對計算所所訓(xùn)“求實、創(chuàng)新”的一個注解和發(fā)揮。因為我感到現(xiàn)在中國科技界太浮躁，炒作的人多，做事的人少。因此希望我們組的人把工作做扎實，少吹牛多做事。其中第一個求實是關(guān)于做學(xué)問的目的，要為了做學(xué)問而做學(xué)問，而不是為了名和利。要真正做到‘人不知而不慍’。這一點說起來容易，做起來很難。象我們在計算所工作的人，大概在利上不是非常計較，只要日子過得下去就行了，但在名上就很難看得開，這一點，我自己雖然做不到，但心向往之。第二個求實是關(guān)于做學(xué)問的態(tài)度，就是要把工作做到實處，就是要艱苦奮斗，就是不要為了發(fā)表論文而寫文章。在科研上哪怕是一點點的創(chuàng)新，都需要大量踏實的工作，這是客觀規(guī)律，誰也躲不過。我們在科研中經(jīng)常碰到有些人不愿做具體繁瑣的工作，一心想發(fā)表論文。這種現(xiàn)象很普遍，我自己也這樣，但以后要力戒之。第三個求實是關(guān)于做學(xué)問的方法，要勇于實踐，不要紙上談兵。就是要‘學(xué)而時習(xí)之’，就是認(rèn)識和實踐的不斷循環(huán)往復(fù)。學(xué)問并不僅僅是知識淵博，更多的是體驗和感覺。沒有對所做工作的深刻體驗，就難以發(fā)現(xiàn)問題，就難以創(chuàng)新。而這些體驗，別人的文章里是看不來的，沒有經(jīng)過身體力行的大量實踐，是不會有的。只要做到了這三個求實，想不創(chuàng)新也難。

現(xiàn)在很多人認(rèn)為我國沒有自己的處理器，主要是因為工藝水平上不去，因此，處理器設(shè)計不應(yīng)是計算所的事情，而是做微電子設(shè)計的人的工作。誠然，回顧我們國家的處理器設(shè)計歷史，在80年代后全面落后的一個重要原因是沒有自己的制造工藝，導(dǎo)致處理器設(shè)計隊伍整體上垮掉，人員流失。但現(xiàn)在情況發(fā)生了變化，投片已經(jīng)沒有大問題，主要是沒有設(shè)計。而處理器設(shè)計決不僅僅是邏輯設(shè)計。處理器設(shè)計是大系統(tǒng)，惟有對包括操作系統(tǒng)、編譯、體系結(jié)構(gòu)、I/O等在內(nèi)的整個計算機(jī)有全局的把握才能設(shè)計出高性能處理器。就好象一個公司，固定資產(chǎn)和資金只提供了必要的條件，關(guān)鍵還在于管理。在通用計算機(jī)中，操作系統(tǒng)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的的配合尤為重要，有些指令專門是為操作系統(tǒng)設(shè)計的，尤其是在系統(tǒng)安全、存儲管理、原子操作、例外處理等方面。我在用我們自己的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)MIPS指令系統(tǒng)的過程中，有一個深刻的體會，就是一個指令系統(tǒng)十幾年來一直在發(fā)展是有它的道理的（MIPS指令系統(tǒng)經(jīng)歷了MIPS I、MIPS II、MIPS III、MIPS IV的發(fā)展過程）。有時候通過對操作系統(tǒng)的分析了解到一些指令的妙用，體會到設(shè)計者設(shè)置這些指令的初衷，真是讓人拍案叫絕。所以，我一直很慶幸我們采用了兼容的做法，如果自己設(shè)計指令系統(tǒng)，沒有十幾年的實踐，是不會完善的。放眼中國在體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯方面的綜合力量比計算所強(qiáng)的不多（我比較佩服的其它單位只有一家），因此計算所做CPU設(shè)計是很有優(yōu)勢的。雖然前幾年的折騰使計算所元氣大傷，但底子還在。在開始做CPU設(shè)計之初，我對這件事情的復(fù)雜性估計不足（這是一個深刻教訓(xùn)），只是領(lǐng)著八、九個研究生做。后來在項目逐漸展開后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的人力頂多能做完邏輯設(shè)計，要把通用操作系統(tǒng)啟動起來是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。無奈之下，只好從原來做機(jī)群的組和做嵌入式操作系統(tǒng)的組中調(diào)了幾個操作系統(tǒng)高手過來，事情馬上有了起色。比如，我們要在C模擬器上運(yùn)行操作系統(tǒng)，需要對操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行裁剪和修改（如去掉一些與主板配置緊密相關(guān)的初始化），這種事情沒有對操作系統(tǒng)的深入把握是不會做的。后來，又從其他地方得到一些人員補(bǔ)充（我現(xiàn)在體會到電影上打仗時指揮員為什么非常重視預(yù)備隊）?，F(xiàn)在，我們組已經(jīng)有了三、五十人的規(guī)模，兵不在多在于精，這些人全是年輕的槍手，素質(zhì)很高，又很玩命。就我目前所做的事情來說，計算所幾乎是“要什么人才有什么人才”。當(dāng)然，以后投片現(xiàn)在的隊伍是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

計算所的科研環(huán)境很好，尤其是體現(xiàn)在后勤服務(wù)上。舉幾個小例子。第一個是工作展開后通宵加班多了起來，我們自己因地制宜地在一些桌子上鋪上鋪蓋搭了幾張簡陋的床。當(dāng)鄧書記知道這種情況后，馬上找人騰出一間小屋子，放了六張床，大大改善了我們加班時的休息環(huán)境。書記還讓人每天為加班的人準(zhǔn)備餅干、方便面等方便食品。第二個例子是，隨著工作的不斷深入，組里需要不斷添置新的微機(jī)，但機(jī)器都是隨用隨買（因為以前沒有經(jīng)驗，不知道要買多少機(jī)器）。對此，業(yè)務(wù)處的同志們總是全力配合，保證組里及時用上新機(jī)器。最快的一次，我在上午11:30向業(yè)務(wù)處王玉潔老師提出購機(jī)申請，下午1:30機(jī)器已經(jīng)送到實驗室。這在一個財務(wù)制度健全、審批嚴(yán)格的事業(yè)單位是很難想象的，更何況是下班時間。第三個例子是有一次我們急需一塊Matrox G200顯卡，但由于是幾年前的產(chǎn)品，跑遍了中關(guān)村也沒有買到。萬般無奈，只得通過EMAIL向所內(nèi)的部分老師緊急求助，熱心的業(yè)務(wù)處于天波老師馬上在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布這個消息，不到一個小時，在王貞松老師的幫助下，就找到了這塊顯卡。這至少減掉了我們兩個星期的工作量，因為如果用其它顯卡，我們得自己寫驅(qū)動程序。有效的后勤保障使我有時后覺得不把事情做好，對不起這些熱心幫助我們的人。

　　我們在前一段時間的教訓(xùn)有兩個。一是工程經(jīng)驗不足，主要體現(xiàn)在以做研究的方法來做工程，以及對任務(wù)的難度估計不足，科研力量配備不夠，導(dǎo)致初期效率不高。幸虧后來工程經(jīng)驗豐富的張志敏老師的加盟大大扭轉(zhuǎn)了我們以做研究的方法做工程項目的局面，提出了“后墻不倒”的目標(biāo)。此外，也幸虧計算所技術(shù)儲備雄厚，要什么人有什么人，使得我們得以在后期提高效率。不過，我們目前在文檔管理等方面還是很存在問題的。第二個教訓(xùn)是對工具重視不夠?，F(xiàn)在做處理器設(shè)計，EDA工具是十分重要的。我們由于不夠重視EDA工具，吃了不少虧。有一次布線布不通，只要修改一下設(shè)置就行，可惜我們都不會，折騰了一個禮拜，后來才發(fā)現(xiàn)。

下面我可以介紹一下Godson的技術(shù)特點。了解了這些技術(shù)特點，就可以了解為什么Godson工作在12.5MHz時就有50MHz的486的性能。Godson的流水線結(jié)構(gòu)是我自己覺得比較得意的地方。設(shè)計的時候沒有參考其它處理器的流水線，完全是憑感覺。Godson流水線包括了若干目前處理器設(shè)計中最先進(jìn)的技術(shù)，如流水線動態(tài)調(diào)度，Tomasulo算法，寄存器重命名，猜測執(zhí)行，精確例外處理，64位的浮點運(yùn)算部件，CACHE技術(shù)等，并且在某些方面有所創(chuàng)新。流水線設(shè)計中比較困難的兩個問題是例外的處理和相關(guān)的解決。首先我們把例外處理與流水線緊密地耦合在一起，在數(shù)據(jù)通路的設(shè)計中例外結(jié)果和正常結(jié)果并行，在執(zhí)行過程中例外結(jié)果和正常結(jié)果不加區(qū)別，只有在指令結(jié)束階段才對例外結(jié)果進(jìn)行特殊處理。此外，我們把轉(zhuǎn)移指令猜測錯誤作為一種特殊例外，利用例外處理的取消和保持現(xiàn)場精確邏輯。這樣不僅可以簡化設(shè)計，而且可以讓轉(zhuǎn)移指令后面猜測執(zhí)行的指令盡可能地往下執(zhí)行。我們的流水線是動態(tài)流水線,采用de-coupled結(jié)構(gòu)，控制邏輯分布在每個模塊之中。在流水線的控制中，“讓流水線流起來”是我們設(shè)計的理念。在指令流水線中，數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)都會引起流水線等待，如后面指令用到前面指令的結(jié)果或后面指令是否執(zhí)行由前面轉(zhuǎn)移指令成功與否決定。對于因數(shù)據(jù)相關(guān)引起的等待，我們的原則是盡量推遲到不得不等的時候才等。即對于源數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好的指令，指令譯碼和發(fā)射時并不停下來等待數(shù)據(jù)（簡單的靜態(tài)流水線通常在譯碼時停下來等待未準(zhǔn)備好得數(shù)據(jù)，堵住了后面指令的繼續(xù)執(zhí)行），而是建立數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，由功能部件通過偵聽結(jié)果總線解決相關(guān)。這樣數(shù)據(jù)結(jié)果一出來，等待它的指令馬上可以進(jìn)行運(yùn)算，不用經(jīng)過寫回到寄存器再讀出來的過程，而且前面指令的等待不會堵塞后面指令的繼續(xù)執(zhí)行。對于控制相關(guān)，我們也是讓轉(zhuǎn)移分支的指令先猜測地執(zhí)行起來，到實在不得不停下來時才等待轉(zhuǎn)移目標(biāo)的確定。如果轉(zhuǎn)移猜測成功就立即繼續(xù)前進(jìn)，如果轉(zhuǎn)移猜測不成功，就利用例外處理的指令撤消機(jī)制恢復(fù)正確現(xiàn)場。

流水線設(shè)計中，“簡潔、流暢”是是我們追求的目標(biāo)，前者保證流水級間的控制簡單，延遲少，后者保證流水線的高性能。在我們聯(lián)調(diào)成功后到現(xiàn)在，已經(jīng)對流水線進(jìn)行了4次較大調(diào)整，每次都更加簡潔、流暢。我想在正式投片前還會有幾次調(diào)整。
此外，Godson的浮點運(yùn)算部件流水線設(shè)計也有自己的特點。Godson體系結(jié)構(gòu)的另外一個特點是結(jié)構(gòu)靈活，模塊化好，可以根據(jù)不同的需求對功能部件進(jìn)行任意裁剪以滿足不同的應(yīng)用。由于Godson的流水線采用de-coupled結(jié)構(gòu)，控制邏輯分布在每個模塊之中。增加或減少功能模塊對其它部分沒什么影響。如對于某些嵌入式應(yīng)用，不需浮點部件，只要去掉浮點ALU、浮點乘法、以及浮點寄存器模塊，不用對其它模塊做任何修改。

系統(tǒng)安全設(shè)計也是Godson的一個重要特點。Godson系統(tǒng)除了實現(xiàn)MIPS系統(tǒng)要求的安全機(jī)制外，還針對網(wǎng)絡(luò)攻擊實現(xiàn)了一種新的訪問限制機(jī)制。緩沖區(qū)溢出是一種非常普遍、非常危險的漏洞，是目前大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)攻擊所采取的辦法。在各種操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件中廣泛存在。利用緩沖區(qū)溢出攻擊，可以導(dǎo)致程序運(yùn)行失敗、系統(tǒng)死機(jī)、重新啟動等后果。更為嚴(yán)重的是，可以利用它執(zhí)行非授權(quán)指令，甚至可以取得系統(tǒng)特權(quán)，進(jìn)而進(jìn)行各種非法操作。Godson通過允許操作系統(tǒng)對堆棧段的取指進(jìn)行限制，從而有效地防范利用緩沖區(qū)溢出進(jìn)行的攻擊。

當(dāng)然，Godson在目前設(shè)計上還存在一些缺陷，主要是對CACHE重視不夠。目前的設(shè)計只有4KB的指令CACHE和4KB的數(shù)據(jù)CACHE，都是直接相聯(lián)（這與FPGA容量有關(guān)，目前的設(shè)計已經(jīng)使用了150萬門的FPGA的85%-90%的面積）。在性能測試時發(fā)現(xiàn)對訪存要求較高的程序

Godson的性能不夠理想。如當(dāng)Godson運(yùn)行在12.5MHz時，對于訪存不敏感的程序，100MHZ主頻的IDT 64474 CPU（R4000內(nèi)核）的性能是Godson的3-5倍，但對于訪存敏感的程序，IDT64474 的性能是Godson的6-8倍。IDT 64474有16KB的指令CACHE和16KB的數(shù)據(jù)CACHE，都是二路組相聯(lián)，無論是CACHE容量和組織方式都比Godson強(qiáng)。在投片前一定要對CACHE部分進(jìn)行改進(jìn).

　　關(guān)于Godson的未來發(fā)展，我們有一個雄心勃勃的計劃。第一步是在目前設(shè)計的基礎(chǔ)上經(jīng)過優(yōu)化后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)單元的投片，主頻在200-300MHz左右，爭取2002年完成，用于個人工作站/瘦客戶端PC及電子政務(wù)等。第二步是設(shè)計雙發(fā)射64位的結(jié)構(gòu)（目前為單發(fā)射、定點32位、浮點64位），投片主頻為500MHz左右，爭取2003-2004年完成。用于高性能服務(wù)器，也可以搭成機(jī)群做高性能計算。第三步爭取在處理器間并行上有所突破，設(shè)計基于Crossbar的大SMP結(jié)點，每個SMP結(jié)點16-64個CPU，用于高性能計算。在做處理器設(shè)計之前，我們做了近十年的共享存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究，但受囿于CPU和操作系統(tǒng)，只能紙上談兵，頂多做做軟件實現(xiàn)?，F(xiàn)在自己做CPU，可以為所欲為，好象被束縛的手腳一下子得到了自由。如果能夠把我們在共享存儲并行系統(tǒng)方面十來年的積累做到實用系統(tǒng)中去，簡直是爽呆。如果可能的話，爭取實現(xiàn)串行程序采用多線程技術(shù)自動并行化，這需要編譯、操作系統(tǒng)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的全面突破。

沒做多少事，寫了這么多，是不是有點過分。寫這種東西其實比寫程序還累。