國產(chǎn)龍芯CPU與中國IC產(chǎn)業(yè)策略

　　中國科學(xué)院新聞發(fā)言人在中科院計(jì)算所迎十六大創(chuàng)新成就展上隆重宣布，在中科院知識創(chuàng)新工程和國家863計(jì)劃支持下，計(jì)算所研制成功龍芯一號通用處理器，已通過產(chǎn)品測試與專家鑒定，可投入商品化生產(chǎn)。

　　一石激起千層浪，社會各界對這一重大成果盼望已久，反映熱烈。在龍芯一號CPU研制過程中，我們面臨一系列的技術(shù)決策。技術(shù)路線正確與否不僅影響科研的進(jìn)度，而且將決定龍芯CPU未來的命運(yùn)。我國科技界與產(chǎn)業(yè)界至今對如何快速而健康地發(fā)展我國IC產(chǎn)業(yè)，特別是對如何發(fā)展CPU產(chǎn)業(yè)還沒有達(dá)成共識。本文以研制龍芯CPU的策略考慮為基礎(chǔ)，對發(fā)展我國的集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)提出一些觀點(diǎn)與看法，請教于全國同行，旨在拋磚引玉，希望對決策層盡快做出科學(xué)決策有所裨益。

　　一、跨越與跟蹤

　　我國底子薄、基礎(chǔ)差，發(fā)展高技術(shù)應(yīng)當(dāng)以模仿跟蹤為主還是爭取跨越式發(fā)展，已經(jīng)爭論了很多年，科技部制定十五863戰(zhàn)略時提出要實(shí)現(xiàn)從以跟蹤為主到跨越發(fā)展的轉(zhuǎn)變，指導(dǎo)思想已經(jīng)明確。但對于比國外落后十多年的CPU技術(shù)，我們有沒有后發(fā)優(yōu)勢，能不能實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，許多人似乎又有點(diǎn)憂郁，有點(diǎn)信心不足。

　　在網(wǎng)上經(jīng)?？煽吹竭@樣的議論：國外芯片公司有成千上萬的設(shè)計(jì)高手，每年投入數(shù)十億美元研究開發(fā)經(jīng)費(fèi)，中國才投入幾千萬元人民幣，就想做先進(jìn)的CPU，只能看成是小孩子玩家家。于是就有人建議：中國只能先從芯片封裝入手，建幾條芯片加工生產(chǎn)線，先做一些美國甚至臺灣IC企業(yè)現(xiàn)在不想做了的事，等掙到一些錢，跟洋人學(xué)到一些本事再考慮先進(jìn)的芯片設(shè)計(jì)。這可能是西方某些人心目中的全球經(jīng)濟(jì)一體化下的世界分工。

　　我們必須承認(rèn)，跨越發(fā)展需要一定的條件，包括技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的積累。因此我們應(yīng)積極吸引外資(包括臺資)在中國境內(nèi)建立芯片加工廠、封裝廠、測試廠、半導(dǎo)體設(shè)備廠和有關(guān)化工原料廠，盡快在國內(nèi)形成完整的IC產(chǎn)業(yè)鏈。未來3-5年內(nèi)中國有望成為世界IC產(chǎn)業(yè)的重要加工基地，這是我國新的產(chǎn)業(yè)增長點(diǎn)，應(yīng)大力支持發(fā)展。

　　但是，IC加工業(yè)是資金高度密集的產(chǎn)業(yè)，一條0.18微米生產(chǎn)線，一般要投資15億美元以上，國外對先進(jìn)IC加工設(shè)備出口中國仍有許多限制，因此：我國在芯片加工方面實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展難度相當(dāng)大。相對而言，芯片設(shè)計(jì)是智力高度密集型產(chǎn)業(yè)，雖然IC設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的收入目前只占整個IC產(chǎn)業(yè)10%左右，但營業(yè)額增長率高于制造業(yè)3倍以上。臺灣IC設(shè)計(jì)業(yè)98年99年的投資回報(bào)率分別為21.6%和39%，比IC制造業(yè)的回報(bào)率(4.%和12.6%)高幾倍。

　　據(jù)麥卡錫公司預(yù)測，中國國內(nèi)IC設(shè)計(jì)業(yè)2010年的收入可達(dá)100億美元。中國目前有200多家IC設(shè)計(jì)企業(yè)，真正高水平的設(shè)計(jì)人才可能不到1000人，但是我國有專業(yè)基礎(chǔ)從事芯片前端設(shè)計(jì)的人力資源豐富，許多研究所和大學(xué)都有不少從事系統(tǒng)和硬件設(shè)計(jì)的人才。芯片設(shè)計(jì)的知識產(chǎn)權(quán)和專利很多都體現(xiàn)在系統(tǒng)級設(shè)計(jì)上，尤其是當(dāng)進(jìn)入片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)計(jì)時，系統(tǒng)級的創(chuàng)新更加重要。

　　芯片物理設(shè)計(jì)方面的人才我國非常缺乏，而高水平的物理設(shè)計(jì)又特別需要經(jīng)驗(yàn)，這方面人才的培養(yǎng)與引進(jìn)需要一個過程。但龍芯一號CPU物理設(shè)計(jì)的成功表明有系統(tǒng)級設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人轉(zhuǎn)入物理設(shè)計(jì)并不是一件高不可攀的事，入門并不難，只要有一股鉆勁，經(jīng)過幾年的積累，我國一定會出現(xiàn)一批物理設(shè)計(jì)的高手。當(dāng)然物理設(shè)計(jì)本身是一門高深的技術(shù)，微電子專業(yè)的人才是物理設(shè)計(jì)的主力。因此，我們認(rèn)為，中國實(shí)現(xiàn)IC產(chǎn)業(yè)跨越發(fā)展的主要希望在芯片設(shè)計(jì)上。

　　在分析了計(jì)算所系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的技術(shù)儲備與優(yōu)勢后，我們在龍芯一號設(shè)計(jì)開始時，提出了“高起點(diǎn)，一步到位”的要求。所謂高起點(diǎn)是指盡可能采用先進(jìn)的制造工藝，我們第一次設(shè)計(jì)和流片生產(chǎn)CPU就跳過了0.35、0.25微米工藝，選用了目前代加工廠主流的0.18微米工藝。做出這種決策不是盲目地碰運(yùn)氣，而是通過與硅谷許多有經(jīng)驗(yàn)的工程師深入調(diào)研分析流片成功的可能性后做出的，從某種意義上講，這也是利用了“后發(fā)優(yōu)勢”，可以“借樹開花”。

　　所謂“一步到位”當(dāng)然不是指第一次設(shè)計(jì)就做出性能超過P4的CPU，而是針對當(dāng)時國內(nèi)有些單位在啟動研制386、486的形勢，要求我們在微體系結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新，用國際先進(jìn)水平的體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)64位浮點(diǎn)運(yùn)算，盡可能實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的跨越式進(jìn)步，而不是從模仿80年代技術(shù)開始一步一步爬行，并且一開始就強(qiáng)調(diào)正向自主設(shè)計(jì)，不采取解剖別人芯片反向設(shè)計(jì)的路線?！耙徊降轿弧钡牧硪粚右馑际遣蛔龉╄b定用的實(shí)驗(yàn)室樣片，而是要確保萬無一失，經(jīng)得起產(chǎn)品檢驗(yàn)，做成可批量生產(chǎn)的芯片。經(jīng)過一年多努力，龍芯一號達(dá)到了預(yù)期目的。

　　對CPU設(shè)計(jì)而言，龍芯一號僅僅是我們邁出的第一步，使計(jì)算所初步形成了一支敢于也善于啃硬骨頭的隊(duì)伍。我們清醒地認(rèn)識到，我們現(xiàn)在的CPU設(shè)計(jì)水平與國際先進(jìn)水平還有很大差距，我們在CPU領(lǐng)域是剛?cè)腴T的新兵，而CPU技術(shù)發(fā)展又很快，許多技術(shù)特別是物理設(shè)計(jì)技術(shù)我們還要老老實(shí)實(shí)地學(xué)習(xí)。我們真正期盼的跨越式進(jìn)步的標(biāo)志性產(chǎn)品是龍芯2號。

　　我們在設(shè)計(jì)龍芯2號時，已分析了IntelP4、SUNSPARC、HP的Alpha、IBMPower4等多種主流芯片的微體系結(jié)構(gòu)，要求龍芯2號的體系結(jié)構(gòu)有自己明顯的特色，以最有效的方法實(shí)現(xiàn)四發(fā)射，即一時鐘周期可同時執(zhí)行四條指令(P4實(shí)現(xiàn)了三發(fā)射)，而且要為下一步研制超線程CPU和多處理機(jī)CPU打下基礎(chǔ)。計(jì)算所與在美國參加過千萬億次計(jì)算機(jī)研制的高光榮教授成立了先進(jìn)計(jì)算機(jī)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，重點(diǎn)研制多線程機(jī)制，爭取實(shí)現(xiàn)幾十個甚至幾百個線程并行操作。這項(xiàng)技術(shù)各大公司還在研究之中，我們將爭取以跨越的技術(shù)進(jìn)入國際前列，在龍芯3號龍芯4號中采用。

　　我們主張的跨越式發(fā)展還體現(xiàn)在我們對微處理器發(fā)展趨勢的理解與判斷上。國人對于CPU和操作系統(tǒng)有特殊的感情，把這兩者稱為信息技術(shù)的核心技術(shù)。實(shí)際上隨著Interent普及與發(fā)展，人們心目中的P3、P4之類的CPU和Windows之類的操作系統(tǒng)的地位正在不斷下降。在向科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)申請知識創(chuàng)新重大項(xiàng)目時，我曾說過，龍芯微處理器的目標(biāo)不是傳統(tǒng)的“CPU”，而是“DPU”，即DistributedProcessorUnit。所謂中央處理器是針對過去的大型計(jì)算機(jī)取的名，隨著網(wǎng)絡(luò)存儲和各式各樣的通信與終端設(shè)備直接上網(wǎng)，微處理器將分布在各種設(shè)備中。

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　　以后計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備(如智能化的路由器等)和信息家電的界限越來越模糊，新一代的微處理器和現(xiàn)在PC機(jī)上的CPU將會有很大區(qū)別，創(chuàng)新的空間很大。MIT很多知名教授聯(lián)合在一起研制可任意重構(gòu)的新一代芯片(RAWChip)就是一種創(chuàng)新的例子。片上系統(tǒng)(SoC)是今后芯片的重要發(fā)展方向，在SoC研制中，硬件軟件協(xié)同設(shè)計(jì)將更為重要，編譯技術(shù)也將發(fā)揮更大的作用。中國的芯片設(shè)計(jì)要跨越發(fā)展，可能要通過軟件和算法的突破來彌補(bǔ)硬件加工的不足。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在芯片設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)中將扮演十分重要的角色?？傊?，我國的芯片產(chǎn)業(yè)不能再走PC產(chǎn)業(yè)走過的以組裝為主的老路。

　　如果只重視附加值很少的低端芯片或主要用別人的IP“組裝”低端SoC芯片，前途不會太美好。

　　二、通用與專用

　　可能是受歷代重視“正名”的影響，我國科技界在討論一件事時，喜歡從定義出發(fā)，在“名字”上做文章。我國CPU的研制尚未真正開展起來，863計(jì)劃集成電路重大專項(xiàng)的高性能CPU項(xiàng)目還處在軟課題研究階段，但關(guān)于重點(diǎn)支持所謂通用CPU還是嵌入式CPU的討論已經(jīng)進(jìn)行多次，而且不幸的是誰要是講想做通用CPU，馬上就有人反駁：你想趕上IntelP4?這肯定不可能，還是先做點(diǎn)電表控制芯片、身份證卡吧。

　　鄧小平同志有一句名言：“不管白貓黑貓，抓住耗子就是好貓?！彼嬖V我們，我們應(yīng)關(guān)心“抓住耗子”而不要去爭論白貓好還是黑貓好。國外公司研制芯片只關(guān)心市場有沒有需求，不會先浪費(fèi)時間論證應(yīng)該做通用還是嵌入式芯片。從各個芯片公司的網(wǎng)頁上我們只會看到各種型號芯片的介紹，看不到他們將芯片分成通用和嵌入式。

　　從語文的角度上講，“通用”的反義詞是“專用”不是“嵌入式”。所謂嵌入式CPU是指安裝在不是計(jì)算機(jī)的路由器、手機(jī)、電視機(jī)、汽車等設(shè)備上的CPU芯片，而裝在PC機(jī)、筆記本、工作站、服務(wù)器上的CPU一般稱為通用CPU，因?yàn)樗軋?zhí)行各種各樣的程序。

　　嵌入式是CPU的一種應(yīng)用，一般只要求運(yùn)行某種確定的程序，很多場合的嵌入式應(yīng)用都要求低功耗，特別是像手機(jī)、PDA這類手持移動設(shè)備，低功耗意味著充一次電可運(yùn)行更長時間，因此，低功耗應(yīng)用追求更高的MIPS/W(每瓦每秒百萬指令)，而不是MIPS數(shù)。好的嵌入式芯片，如IBMPowerPC750FX每瓦的MIPS數(shù)比IntelP4(2.4G)高10倍，但從芯片的指令系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)而言，所謂通用CPU和嵌入式CPU并沒有本質(zhì)區(qū)別。不論是通用CPU還是嵌入式CPU，只要是低檔產(chǎn)品都容易做而高檔產(chǎn)品都難做。要特別強(qiáng)調(diào)的是所謂嵌入式芯片五花八門，但大都采用通用的CPU核，如MIPS核、ARM核等，從這個意義上講，通用CPU和嵌入式CPU技術(shù)上是完全相通的，不存在只能選其一的問題。

　　在集成電路的發(fā)展歷史上，芯片產(chǎn)品在制造與使用的對立統(tǒng)一中發(fā)展，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的景氣循環(huán)，總是沿著通用與專用循環(huán)往復(fù)不斷進(jìn)步。天同證券公司在網(wǎng)上發(fā)表了一篇“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)行業(yè)研究報(bào)告”，對通用專用芯片交替發(fā)展做了一些分析，本段下面引用該文的分析結(jié)果。1959年仙童公司推出第一個硅平面晶體管商品，開始了芯片產(chǎn)品第一個通用循環(huán)周期。

　　其后不久仙童公司又推出面向計(jì)算器、電視機(jī)的專用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，標(biāo)志著IC產(chǎn)品進(jìn)入第一個專用循環(huán)周期。70年代Intel公司開發(fā)成功微處理器芯片，使IC產(chǎn)品上升到一個新的通用循環(huán)。80年代隨著設(shè)計(jì)工具的發(fā)展推動了一個產(chǎn)品滿足一個用戶要求的專用集成電路(ASIC)發(fā)展，使IC產(chǎn)品進(jìn)入高一級的專用循環(huán)。90年代初又發(fā)展出了可編程門陣列(FPGA)，用戶可進(jìn)行軟編程反復(fù)改變硬件功能，又進(jìn)行新一輪的準(zhǔn)通用循環(huán)。隨著ASIC技術(shù)的積累，IC開始向片上系統(tǒng)(SoC)發(fā)展，SoC實(shí)質(zhì)上是更高一級的專用系統(tǒng)。隨著通用-專用模式的交替發(fā)展，硬件軟件的界限開始模糊起來，IC設(shè)計(jì)進(jìn)入了基于可重用知識產(chǎn)權(quán)(IP)庫的設(shè)計(jì)階段。

　　IC發(fā)展歷史已表明，通用CPU是IC技術(shù)發(fā)展的源頭。從幾年前開始，最先進(jìn)的IC制造工藝首先在通用CPU上使用(過去曾經(jīng)是DRAM)。

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　　如果我們不敢碰通用CPU，就只能永遠(yuǎn)跟著別人，處于技術(shù)的下游。在2000年計(jì)算所醞釀研制CPU時，我們曾反復(fù)討論過是買MIPS或ARMCPU核，針對某個應(yīng)用做點(diǎn)外圍電路，還是自己做一個有自主知識產(chǎn)權(quán)的MIPSCPU核或類似ARM的CPU核。我們的結(jié)論是沒有自己CPU核的芯片產(chǎn)業(yè)就如同沒有CPU的PC產(chǎn)業(yè)一樣，而研制通用CPU是形成有市場競爭力的CPU核的重要途徑。因?yàn)橐粋€好的CPU核必須經(jīng)過多種應(yīng)用的考驗(yàn)，單獨(dú)為汽車控制等應(yīng)用做一個較專用的CPU難以擴(kuò)充成較通用的CPU核。

　　從網(wǎng)絡(luò)信息安全的角度出發(fā)，我國也需要有自己的通用服務(wù)器CPU。服務(wù)器相當(dāng)于電網(wǎng)中的發(fā)電站，一旦服務(wù)器受到攻擊，將會造成大范圍的網(wǎng)絡(luò)癱瘓。服務(wù)器的用量少于終端(美國服務(wù)器的銷售額約為PC機(jī)的1/3)，但服務(wù)器CPU做為涉及國家政治、經(jīng)濟(jì)、信息安全的核心技術(shù)一定要掌握在自己手里。在龍芯CPU研制時，從硬件設(shè)計(jì)上采用了防止緩沖區(qū)溢出攻擊的新技術(shù)，可以防止大多數(shù)黑客和病毒攻擊(即使軟件有漏洞也能防攻擊)，并申請了10項(xiàng)發(fā)明專利。龍芯一號流片成功后，曙光公司很快就推出了基于龍芯一號的龍騰服務(wù)器，盡管其性能只相當(dāng)于4-5年前的PC服務(wù)器，但其與眾不同的高安全性對政府、金融、國防等部門用戶會有吸引力。

　　如果我們不從能運(yùn)行多少程序的角度，而是從芯片推廣數(shù)量的角度來看，所謂通用專用完全是一種定位，沒有絕對的區(qū)別。由于加工芯片制造掩膜費(fèi)用很高(0.18微米工藝掩膜費(fèi)用高達(dá)30--50萬美元)，因此芯片銷售量少必然成本很高，這就如同書的發(fā)行量越大越便宜一樣。做芯片一定要瞄準(zhǔn)量大面廣的市場。量大不一定面廣，比如手機(jī)芯片、DVD芯片量很大，但只用于手機(jī)與DVD，人們常稱為嵌入式芯片或?qū)Ｓ眯酒?。如果一種手機(jī)芯片被眾多手機(jī)芯片廠商采用，我們也可以說它是一種通用的手機(jī)芯片。還有一類以“面廣”為目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)通用性的芯片，如Xilinx和Altera兩家全世界最大的IC設(shè)計(jì)公司生產(chǎn)的可編程門陣(PLD)，可用于很多產(chǎn)品中，這當(dāng)然是一種通用芯片。另外ARMCPU也可認(rèn)為是一種較通用的芯片。

　　通過以上分析，我們的結(jié)論是我們應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展量大面廣的芯片設(shè)計(jì)，即較通用的嵌入式芯片，同時要重視高安全性的服務(wù)器CPU芯片設(shè)計(jì)。形成較通用的嵌入式CPU核的一條可行途徑是從設(shè)計(jì)通用CPU入手。通過應(yīng)用實(shí)踐再適當(dāng)裁剪通用CPU比從專用CPU開始不斷擴(kuò)充更合理。雖然國內(nèi)對低端微控制器芯片仍有一定需求，但從海關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)字來看，不論是CMOS芯片還是其他數(shù)字集成電路，大多數(shù)進(jìn)口芯片是0.25微米以下工藝生產(chǎn)的芯片。是否在落后工藝下生產(chǎn)量小面窄的嵌入式芯片應(yīng)由企業(yè)自己判斷決定，國家不能采取只要是嵌入式芯片就支持的短視政策。

　　龍芯一號CPU研制體現(xiàn)了我們制定的發(fā)展戰(zhàn)略，一個多月來十多種應(yīng)用輕松移植，表明龍芯CPU既是一種較通用嵌入式芯片(功耗小于0.5W)可用于網(wǎng)卡網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)終端計(jì)算機(jī)(NC)等，同時也是高安全性的服務(wù)器芯片，可用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。明年一季度，基于龍芯一號的SoC芯片將問世，更適合于做NC和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

　　剩下的一個問題是我們究竟做不做與Intel兼容并與之競爭的通用CPU芯片。我們的意見是暫時不做。我國輿論界有一種誤導(dǎo)使許多老百姓認(rèn)為“信息技術(shù)主要是PC機(jī)，PC的核心技術(shù)是P3、P4芯片，芯片的高技術(shù)是高主頻?！睂?shí)際上PC用的CPU只占微處理器數(shù)量的1%左右，但銷售收入有200多億美元，占全球1500多億美元IC總收入的15%左右(有機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，PC用IC占IC總市場的30-40%)。PC芯片的高收入高利潤是多年來Wintel聯(lián)盟的“功績”，我們暫時不具備實(shí)力與Intel比高低。在未來的發(fā)展中，各種InternetAppliance(所謂IA產(chǎn)品)增長勢頭明顯大于PC，據(jù)IDC公司預(yù)測2002年IA產(chǎn)品銷售數(shù)量將達(dá)到1.8億臺，超過PC機(jī)銷售數(shù)量。PC機(jī)本身也在變化，用戶未必希望PC機(jī)主頻3G、4G這樣升上去。因此我們不能固守“通用CPU=P4”這種思維模式。