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    龙芯到底有多“硬” ——从龙芯招股书看龙芯核心技术的三个“不同”

      [  中关村在线 原创  ]   作者:迪迦

        12月10日晚,科创板上市委公告,龙芯中科技术股份有限公司首发12月17日上会。死磕了20年的龙芯中科承载国人太多期盼,作为冲击科创板的第一支国产自主CPU股,那就让我们从招股书分析一下龙芯到底有多少“硬科技”。

        从招股书中的介绍来看,龙芯中科主营业务为处理器及配套芯片的研制、销售及服务,主要产品与服务包括处理器及配套芯片产品与基础软硬件解决方案业务。目前,龙芯中科基于信息系统和工控系统两条主线开展产业生态建设,面向网络安全、办公与业务信息化、工控及物联网等领域与合作伙伴保持全面的市场合作,系列产品在电子政务、能源、交通、金融、电信、教育等行业领域已获得广泛应用。

        基于自主指令系统构建产业生态

        龙芯中科招股书中提到,龙芯中科是国内始终坚持基于自主指令系统构建独立于Wintel体系和AA体系的开放性信息技术体系和产业生态的CPU企业。经过长期积累,形成了自主CPU研发和软件生态建设的体系化关键核心技术积累。

        近年来,国产CPU企业发展出多条技术路线,如海思和飞腾采用的是ARM授权,海光和兆芯则采用X86授权。众所周知,指令系统是计算机最基础、最核心的知识产权,承载着软件生态的发展创新,是建立信息产业生态的基础。任何企业采用包括X86指令系统和ARM指令系统,都会在很大程度上限制中国信息产业生态的发展和独立性。

        与购买国外指令系统的授权不同,2020年,通过十余年的自主研发和市场化运作,龙芯在处理器研发、基础软件研发、生态体系建设等方面已具备充足的技术和经验积累的条件下,推出了自主指令系统LoongArch(龙芯架构)。LoongArch指令系统已通过国内权威第三方机构中国电子信息产业发展研究院的知识产权评估,认定LoongArch指令系统与ALPHA、ARM、MIPS、POWER、RISC-V、X86为不同的指令系统设计。

        经过二十年的技术积累和产业探索,龙芯中科为何会走向基于自主指令系统的发展道路,为何敢于提出要构建独立于Wintel体系和AA体系的开放生态这样宏伟的目标,下面笔者将分析招股书中龙芯中科核心技术的三个“不同”,看看龙芯这家企业到底具备了什么关键核心技术的“硬实力”。

        一、关键IP,外购还是自研

        龙芯中科招股书中提到:与国内多数集成电路设计企业购买商业IP进行芯片设计不同,龙芯中科坚持自主研发核心IP,形成了包括系列化CPUIP 核、GPUIP 核、内存控制器及PHY、高速总线控制器及PHY等上百种IP核。

        芯片行业中所说的IP,一般也称为IP核。IP核是指芯片中具有独立功能的电路模块的成熟设计。一般说来,一个复杂的芯片是由芯片设计者自主设计的电路部分和多个外购的IP核连接构成的。

        (芯片设计公司可以通过购买商业IP进行芯片设计)

        随着芯片设计领域的分工越来越精细化,目前很多集成电路企业通常都会购买国外的成熟IP来做芯片,如手机芯片领域,CPU大都采用的是ARM公司的CPUIP核授权。购买商业IP是目前国内芯片设计公司的普遍做法,但这也存在一定风险,尤其像CPU这类产品,目前较为成熟的IP提供商均是国外公司,一旦停止授权产品就不能升级迭代。而如果要做出像ARMCPU的一些高端IP,国内企业没有5-10年以上的投入积累是做不出来的,为什么呢?因为IP开发的技术难度和要求非常高,通常涉及几十万行以上的代码逻辑以及上亿个晶体管的电路布局,并且需要多次流片来验证其正确性,IP核的任何小瑕疵都有可能影响到整个芯片设计的成败,影响到花费了数百万元甚至上亿元整个芯片研发的投入产出。因此,复杂IP核的售价也极为昂贵。

        这里就是龙芯中科的第一个“不同”,他与国内多数集成电路设计企业购买商业IP设计芯片不同,龙芯中科坚持自主研发核心IP,形成了包括系列化CPUIP核、GPUIP核、内存控制器及PHY、高速总线控制器及PHY等上百种IP核。

        2021年7月,龙芯中科发布了龙芯3A5000处理器,其自主研发的CPU核性能已逼近市场主流产品。根据IT媒体中关村在线对龙芯3A5000的测评数据表明,龙芯3A5000单核SPECCPU 2006 Base 定浮点分值在2.5GHz主频下性能超过26分,平均每GHz性能超过10分,已接近目前市场主流X86产品的水平。

        值得注意的是,除了CPU核心的自研,招股书中还提到,龙芯处理器芯片的GPU核、内存控制器和PHY、高速IO接口控制器和PHY等上百种IP均自主研发。对于当今一颗高复杂度的CPU芯片而言,其内部由很多IP组成,包括CPU、GPU、内存控制器、IO接口控制器、高速SRAM、高速接口、锁相环等核心IP。类似GPU和内存接口这种IP核,对集成电路从业者来说都是门槛极高的领域,国内的芯片设计企业购买国外的GPU核和内存接口IP核的单次使用报价都是百万美元起。国内最近有少量GPU创业企业都是资本追捧的对象。但龙芯的团队可以同时做出这么多的IP,而且仅是作为CPU的配套IP,这种技术实力和经验的积累在国内是非常罕见的。

        二、软件生态,跟随还是自建

        众所周知,指令系统承载着软件生态,而软件生态又控制着产业体系,龙芯中科坚持构建独立于Wintel体系和AA体系的开放性信息技术体系和产业生态,因此必然会在指令系统和软件生态上建立自己的话语体系,打造自己的产业“地基”。

        正如开篇所讲,龙芯中科推出了自主指令系统LoongArch(龙芯架构)。事实上,推出一个指令系统并不难,难的是要搞定与之配套的操作系统和软件生态。这恐怕也是即便放眼全球,也没有多少公司敢在通用CPU领域推出一个新的指令系统的根本原因所在。而龙芯中科做指令系统的底气,在笔者看来可能也并不在于指令系统设计本身,而更多是自身掌握了关键CPU设计和软件生态构建的能力,而这就是龙芯中科的第二个不同。

        在操作系统方面。招股书显示,与国内多数CPU企业主要基于ARM或者X86指令系统融入已有的国外信息技术体系不同,龙芯中科推出了自主指令系统LoongArch,并基于LoongArch迁移或研发了操作系统的核心模块,包括内核、三大编译器(GCC、LLVM、GoLang)、三大虚拟机(Java、JavaScript、.NET)、浏览器、媒体播放器、KVM虚拟机等。形成了面向信息化应用的基础版操作系统Loongnix和面向工控类应用的基础版操作系统LoongOS。在X86和ARM这两个主流的体系中,上述核心模块都是Intel公司和ARM公司等国外大企业负责维护的,国内的操作系统企业则把这些模块集成进自主操作系统。龙芯中科为了推自主指令系统,必须掌握这些核心模块。例如,在新版招股书中,龙芯中科披露了在OpenJDK国际开源社区发布的JDK14版本,龙芯中科的贡献度排名进入全球前四。国内用Java编程的工程师数以百万计,但有能力做Java虚拟机的团队寥寥无几,浏览器等其他操作系统核心模块也一样,而龙芯中科为了支持自主指令系统,全面掌握了操作系统的核心模块。

        (Loongson排第四位谷歌排第五)

        龙芯中科对操作系统核心模块的研发,不光具备基础的“支撑性”,也具备了相当的“创新性”,根据招股书介绍,LoongArch是一款充分考虑兼容需求的自主指令系统,可以通过“指令系统创新+二进制翻译”的方式,高效运行其他平台上的二进制应用程序,从而达到生态融合的目的。这也就意味着,通过高效的二进制翻译系统,龙芯计算机平台可以实现在龙芯平台上不跑Windows,但是能直接跑Windows应用程序,彻底打通不同指令集之间的应用生态兼容问题,包括如打印机在内的外设即使只有Windows驱动,也一样可以在龙芯平台上进行翻译运行,便于广大用户对已有设备的利旧和兼容。12月9日,龙芯中科和统信软件共同成立“悟空联合创新实验室”,提到将完成全年6000款外设驱动迁移,以及包含QQIE浏览器、腾讯会议、百度网盘FoxmailAutoCAD、Xmind等在内的100款以上X86商业应用迁移,应该就是基于上述核心技术。

        三、提升性能,靠工艺还是靠设计

        龙芯中科的第三点不同,在于更多依靠设计而非工艺来提升性能。招股书显示:与国内多数CPU设计企业主要依靠先进工艺提升性能不同,龙芯中科通过设计优化和先进工艺提升性能,摆脱对最先进工艺的依赖。通过自主设计IP核,克服境内工艺IP核不足的短板。

        集成电路制造工艺的“卡脖子”问题目前已经成为我国IT信息产业甚至全国人民的“芯”中之痛,对于广大集成电路设计企业而言,大都希望通过利用先进工艺来提升性能,但问题也显而易见,就是越是依赖先进工艺,就越会存在供应链被“卡脖子”的问题。龙芯中科在工艺制程的选择上,一直显得比较保守,但现在回过头去看,反而是有着“深谋远虑”的最正确的选择。龙芯中科2021年最新推出的3A5000处理器,使用12/14nm工艺节点,而之前的3A4000则采用了28nm的成熟工艺,目前还没有看到7nm的工艺节点产品。这一点跟很多集成电路企业一开始就追求7nm甚至5nm的制程工艺有很大不同,胡伟武曾多次在公开场合强调:国内14nm-28nm工艺可满足我国大多数信息应用场景需求,也有利于我们国家基于这样成熟工艺节点进行设备和材料的自主化,形成基础技术能力后再进行迭代。龙芯中科一方面通过设计本身来提升产品性能,另一方通过自主设计各类IP核配套来克服境内工艺IP核不足的短板。这样做的好处是显而易见的,就是能够摆脱对国际先进工艺的依赖,尽量在生产供应链上做到不受制于人。同时,也说明了龙芯中科的工艺优势还没有完全发挥出来,后续产品在工艺提升和性能提升上还有着很大的上升空间。

        “芯片IP、软件生态、芯片生产”是中国芯片产业的三大痛点,也是中国科技产业打通内循环的三大堵点,不可绕路而行,要迎难而上。经过20年的发展,科创板终于迎来了国产CPU第一股,也将载入中国自主CPU发展史册。科技自立自强是国家十四五规划的重要战略,通过龙芯中科可以看到,我们的产业独立、自主是完全可以做到的,也希望看到越来越多的拥有真正自主技术的企业上市,发展壮大。

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