致龍芯15周年 胡偉武披露龍芯3號(hào)開發(fā)歷程

　　近日，龍芯中科宣布3A3000四核處理器芯片完成流片并通過系統(tǒng)測(cè)試。根據(jù)現(xiàn)有的測(cè)試結(jié)果，龍芯3A3000達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)性能目標(biāo)。其中，綜合計(jì)算性能方面，在1.5GHz主頻下，GCC編譯的SPECCPU2006定點(diǎn)和浮點(diǎn)單核分值分別超過11分和10分;訪存性能方面，Steam分值超過13GBps。龍芯3A3000的流片成功，標(biāo)志著我國(guó)自主研發(fā)的高性能微處理器芯片，可以超越目前引進(jìn)的同類芯片性能。龍芯CPU首席科學(xué)家胡偉武撰文披露了龍芯3號(hào)開發(fā)的歷程。

　　龍芯3A3000芯片

　　2016年是紅軍長(zhǎng)征勝利80周年，2016年研制成功的龍芯3A3000處理器即以CZ80命名，每顆芯片的硅片上都刻有CZ80字樣。

　　1936年10月，紅一、二、四方面軍經(jīng)過艱苦卓絕的努力，三大主力會(huì)師，開創(chuàng)了中國(guó)革命的新局面。它雄辯地表明，只要堅(jiān)持理想，實(shí)事求是，中國(guó)共產(chǎn)黨完全有能力摧堅(jiān)于正銳、挽瀾于極危，從重大挫折中走出來。

　　2016年10月，以長(zhǎng)征勝利80周年命名為CZ80的龍芯3A3000處理器研制成功。它雄辯地表明，只要堅(jiān)持自主研發(fā)，進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，自主研發(fā)的CPU性能完全可以超過引進(jìn)技術(shù)的CPU，滿足自主信息化需求。

　　2016年10月7日，我懷著虔誠(chéng)的心情走進(jìn)毛主席紀(jì)念堂，向毛主席匯報(bào)龍芯3A3000的研制成功。步出毛主席紀(jì)念堂，我感慨萬千。當(dāng)十年前我開始龍芯3號(hào)研制時(shí)，完全沒有想到龍芯3號(hào)系列CPU發(fā)展道路之曲折，奮斗之艱辛，付出之巨大。

　　2006年9月13日，以長(zhǎng)征勝利70周年命名為CZ70的龍芯2E通過科技部組織的驗(yàn)收，時(shí)任科技部部長(zhǎng)徐冠華親自參加了龍芯2E的驗(yàn)收會(huì)。龍芯2E的研制是“十五”末國(guó)家863計(jì)劃緊急安排的一個(gè)任務(wù)。當(dāng)時(shí)“漢芯”造假事件被曝光，加上“十五”863計(jì)劃早期支持的龍芯2C沒有達(dá)到合同要求的SPECCPU2000分值300分的目標(biāo)，自主處理器研發(fā)受到普遍質(zhì)疑。2005年4月，科技部高新司領(lǐng)導(dǎo)把我叫到辦公室，問我到2005年年底前能不能完成863計(jì)劃“十五”初制定的主頻1GHz、SPECCPU2000分值達(dá)到500分的目標(biāo)。我說剩下不到一年時(shí)間，肯定來不及。他說根據(jù)有關(guān)規(guī)定，項(xiàng)目時(shí)間到期后三個(gè)月內(nèi)(即2006年3月底前)提出驗(yàn)收申請(qǐng)就算按時(shí)完成。我硬著頭皮接了該任務(wù)，因?yàn)槲抑廊绻?ldquo;十五”的任務(wù)完不成，那“十一五”國(guó)家是不是還支持自主CPU研發(fā)就成問題。經(jīng)過艱苦的努力，龍芯2E在2005年11月底交付流片(把設(shè)計(jì)好的技術(shù)文件交給芯片生產(chǎn)廠家進(jìn)行生產(chǎn))，2006年3月18日流片成功，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)。雖然達(dá)到這些指標(biāo)有些勉強(qiáng)(SPECCPU2000分值達(dá)到500分是計(jì)算所的編譯組做了很多編譯優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的，但SPECCPU的測(cè)試是允許進(jìn)行編譯優(yōu)化的)，但畢竟完成了指標(biāo)。龍芯2E的意義從徐冠華部長(zhǎng)參加完驗(yàn)收會(huì)后接受新聞聯(lián)播記者采訪時(shí)說的一句話可以看出：龍芯2E的成功表明，我國(guó)在“十五”期間安排的自主CPU研發(fā)是成功的。這也為“十一五”期間國(guó)家繼續(xù)支持自主CPU研發(fā)打下了基礎(chǔ)。

　　2005年深秋，利用龍芯2E流片后等待芯片回來的時(shí)間我?guī)е糠铸埿菊n題組的骨干在香山別墅討論龍芯3號(hào)的結(jié)構(gòu)方案。香山別墅和香山飯店一樣在香山公園內(nèi)，但比香山飯店便宜而且清靜。香山別墅三天討論的成果是基本明確了龍芯3號(hào)系列CPU的可伸縮互連結(jié)構(gòu)以及基于目錄的Cache一致性協(xié)議。龍芯3號(hào)的互連結(jié)構(gòu)中，每個(gè)結(jié)點(diǎn)四個(gè)處理器核通過交*開關(guān)進(jìn)行全相連，結(jié)點(diǎn)間(不論片上還是片間)通過可伸縮的mesh網(wǎng)絡(luò)相連;多核的Cache一致性采用基于目錄的一致性協(xié)議，目錄設(shè)置在片上共享的最后一級(jí)Cache(LLC)上。上述結(jié)構(gòu)有別于當(dāng)時(shí)主流的環(huán)狀多核互連以及基于偵聽的Cache一致性協(xié)議?，F(xiàn)在看來，該結(jié)構(gòu)是成功的，目前商用主流處理器隨著核數(shù)的增加也越來越多采用可伸縮的互連結(jié)構(gòu)以及基于目錄的Cache一致性協(xié)議。

　　在香山別墅的討論中還明確了龍芯3號(hào)片內(nèi)集成內(nèi)存控制器以及HyperTransport(簡(jiǎn)稱HT)接口。HT是AMD主推的系統(tǒng)總線接口。當(dāng)時(shí)計(jì)算所高性能中心與AMD合作緊密，希望我們使用HT接口。此外HT接口比較開放，只要每年交5000美元就可以用于商業(yè)應(yīng)用，但AMD開放的HT接口不支持多片互連的Cache一致性協(xié)議，我們自己進(jìn)行了擴(kuò)充。曾經(jīng)有一段時(shí)間，我后悔選擇了HT總線，覺得HT總線不如PCIE總線普及，一是HT總線沒有現(xiàn)成的PHY(片內(nèi)高速接口模塊)可以買到，每次工藝升級(jí)都需要定制HT的PHY，而PCIE的PHY有很多;二是PCIE接口的外圍器件很多，而HT接口的橋片只有AMD有。但現(xiàn)在覺得選用HT是對(duì)的。HT是系統(tǒng)總線，協(xié)議簡(jiǎn)單高效，相當(dāng)于Intel的QPI系統(tǒng)總線，而PCIE是IO總線，通過HT總線可以方便地把多片龍芯3號(hào)直連起來形成多路。雖然每次工藝升級(jí)都要定制HTPHY，但可以使龍芯CPU不依賴別人的IP，自主性強(qiáng)。龍芯3號(hào)所有CPU中，沒有一款CPU需要到廠家merge第三方IP。尤其是龍芯3A2000和3A3000，除了廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)、單/雙端口RAM以及低速IO單元，每一行代碼(包括CPU核、內(nèi)存控制器、HT控制器、互連網(wǎng)絡(luò)等)以及每一個(gè)定制模塊(包括多端口寄存器堆、鎖相環(huán)、HTPHY、DDR2/3PHY等)都自主設(shè)計(jì)。至于外圍橋片，龍芯已經(jīng)開始研制并提供外圍橋片，橋片上支持足夠多的PCIE接口。以后不論AMD是否繼續(xù)發(fā)展HT接口，龍芯都能自成體系往前走了。

　　香山別墅會(huì)議的另外一個(gè)成果是明確了龍芯抗輻照CPU的發(fā)展。有一天晚上8點(diǎn)左右，我們正在會(huì)議室熱烈地討論龍芯3號(hào)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)在計(jì)算所科研處工作的夏洪流和傅信國(guó)給我打電話說是要來跟我談一個(gè)項(xiàng)目的事。他們到香山別墅已是晚上9點(diǎn)多，我們就坐在香山別墅的走廊盡頭談，他們說科學(xué)院有一個(gè)抗輻照CPU的預(yù)研項(xiàng)目，希望龍芯課題組來承擔(dān)。我剛開始不愿意做，結(jié)果他們好說歹說地讓我勉強(qiáng)答應(yīng)了，當(dāng)時(shí)的一個(gè)理由是領(lǐng)導(dǎo)每年對(duì)他們爭(zhēng)取的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)有要求，我如果不做這個(gè)抗輻照CPU項(xiàng)目，他們的任務(wù)就完不成了，我頭腦一熱就答應(yīng)了?，F(xiàn)在龍芯抗輻照CPU已經(jīng)隨著以北斗為代表的多顆衛(wèi)星在天空翱翔，每年還為龍芯公司帶來較可觀的收入，成為龍芯公司的戰(zhàn)略產(chǎn)品并開始走向系列化。真是非常感謝夏洪流和傅信國(guó)那天晚上的苦口婆心。

　　在龍芯3號(hào)結(jié)構(gòu)基本確定后就展開了龍芯3號(hào)CPU的研發(fā)。但當(dāng)時(shí)“十五”863課題結(jié)束了，“十一五”“核高基”(即“核心電子器件、高端通用芯片和基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品”重大專項(xiàng))課題遲遲啟動(dòng)不了。為此，科學(xué)院對(duì)龍芯3號(hào)的研制給了500萬元的前期經(jīng)費(fèi)支持(執(zhí)行期限2007年1月到2007年12月)?？萍疾扛咝滤抉T記春司長(zhǎng)得知龍芯3號(hào)的第一款芯片龍芯3A1000已經(jīng)基本完成設(shè)計(jì)，但缺少流片費(fèi)時(shí)，在863計(jì)劃內(nèi)緊急安排了2000萬的經(jīng)費(fèi)支持龍芯3號(hào)的研制(執(zhí)行期限2008年1月到2010年12月)。原計(jì)算所所長(zhǎng)李國(guó)杰院士曾經(jīng)在計(jì)算所中層干部會(huì)上當(dāng)眾點(diǎn)我的名說，“胡偉武，你不能以任何經(jīng)費(fèi)的理由放緩龍芯3號(hào)的研制，計(jì)算所就是砸鍋賣鐵也要支持龍芯的研發(fā)”，并在所內(nèi)設(shè)立了一個(gè)經(jīng)費(fèi)沒有封頂?shù)恼n題，到2010年龍芯第一筆“核高基”課題經(jīng)費(fèi)到賬時(shí)，龍芯課題組已經(jīng)預(yù)支了計(jì)算所七、八千萬元經(jīng)費(fèi)。

　　在龍芯3號(hào)研制過程中，作為中法兩國(guó)在IT領(lǐng)域戰(zhàn)略合作的一部分，科技部安排龍芯CPU在意法半導(dǎo)體流片。2006年10月26日，在胡錦濤總書記和希拉克總統(tǒng)共同見證下，中國(guó)科學(xué)院與意法半導(dǎo)體在人民大會(huì)堂簽署了關(guān)于龍芯CPU戰(zhàn)略合作的文件?；邶埿?E的成功，意法半導(dǎo)體還花三百多萬美元授權(quán)費(fèi)購(gòu)買了龍芯2號(hào)系列產(chǎn)品的授權(quán)，其中龍芯的第一個(gè)產(chǎn)品芯片龍芯2F于2007年7月31日流片成功，目前仍在大量應(yīng)用中。后來意法半導(dǎo)體由于自身業(yè)務(wù)的原因終止了購(gòu)買龍芯2號(hào)系列的產(chǎn)品授權(quán)，計(jì)算所收回了龍芯2號(hào)的產(chǎn)品權(quán)利并同意不再收取剩余的三分之一左右授權(quán)費(fèi)，但我們從龍芯2F的研制中學(xué)會(huì)了意法半導(dǎo)體的芯片質(zhì)量管理，學(xué)會(huì)如何把一個(gè)樣品變成產(chǎn)品。龍芯CPU在意法半導(dǎo)體的流片一直延續(xù)了下來，龍芯3A1000即使用意法半導(dǎo)體的65nm工藝流片。

　　不記得經(jīng)歷了多少加班加點(diǎn)，龍芯3A1000于2008年底交付流片。只記得流片前的幾個(gè)月每天晚上十點(diǎn)開例會(huì)安排工作。晚上十點(diǎn)例會(huì)是非常高效的一種工作方法，會(huì)后大家把有關(guān)設(shè)計(jì)在EDA服務(wù)器上跑起來再回家，第二天早上上班時(shí)剛好跑出結(jié)果來;如果是早上上班后開始在EDA服務(wù)器上跑，基本上大半天就在等待服務(wù)器運(yùn)行出結(jié)果中度過。在此后龍芯CPU問題的攻關(guān)中，一直沿襲了晚上例會(huì)安排工作的方法。

　　2009年5月20日龍芯3A1000晶圓生產(chǎn)下線，9月28日樣片回來，成功啟動(dòng)操作系統(tǒng)，主頻800MHz-1GHz。這是龍芯CPU第一次啟動(dòng)多核操作系統(tǒng)，免不了調(diào)一通。印象最深刻的是10月2日晚上熬了個(gè)通宵，一起的有王劍等人，剛開始是挨個(gè)核跑單核操作系統(tǒng)，把每個(gè)核都跑一遍，再把多核操作系統(tǒng)搞穩(wěn)定，一直到第二天早上才弄完。

　　中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陳國(guó)良院士曾經(jīng)在2007年用三百多顆龍芯2F搭建了峰值性能達(dá)到1TetaFLOPS的高性能計(jì)算機(jī)KD50。在龍芯3A1000出來以后又用80顆龍芯3A1000搭建了KD60高性能計(jì)算機(jī)。在KD60運(yùn)行LINPACK過程中，總是出現(xiàn)偶發(fā)性錯(cuò)誤。這個(gè)錯(cuò)誤如果單個(gè)芯片跑一個(gè)月也碰不上一次，只有像KD60這樣80多片一起跑才會(huì)一天碰到一次。有三個(gè)多月的時(shí)間，我們一直進(jìn)行各種嘗試，試圖定位該錯(cuò)誤并明確其機(jī)理?，F(xiàn)在只記得2010年春節(jié)的大年三十晚上還在跟當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)軟件的高翔商量進(jìn)行各種嘗試，縮小搜索范圍。一直到春節(jié)后才定位了這個(gè)錯(cuò)誤，錯(cuò)誤的原因是當(dāng)訪問Cache失效，從內(nèi)存回填(Refill)數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)回填一級(jí)和二級(jí)Cache，通常為了提高性能，這是應(yīng)該的。但在某種極端情況下出現(xiàn)了錯(cuò)誤，即二級(jí)Cache的回填由于二級(jí)Cache忙需要等待，而處理器核得到一級(jí)Cache回填數(shù)據(jù)后繼續(xù)運(yùn)行，該數(shù)據(jù)被修改后再?gòu)囊患?jí)Cache中替換出來寫回二級(jí)Cache，替換回來的新數(shù)據(jù)寫到二級(jí)Cache后，從內(nèi)存回來的老數(shù)據(jù)再回填二級(jí)Cache把新數(shù)據(jù)沖掉了，從而引起錯(cuò)誤。這個(gè)問題以及其它的小問題導(dǎo)致龍芯3A1000進(jìn)行了第一次改版并于2010年5月中旬流片，10月底第一次改版流片成功，然后開始了小批量生產(chǎn)。

　　龍芯3A1000在2012年又進(jìn)行了第二次改版。第二次改版主要是雙路直連時(shí)在特定訪問序列下導(dǎo)致兩片間的互連網(wǎng)絡(luò)死鎖。大致機(jī)理是HT協(xié)議的虛通道只有三個(gè)，分別是POST、NONPOST、RESPONSE，而龍芯的片上網(wǎng)絡(luò)協(xié)議AXI有五個(gè)實(shí)通道，分別是讀請(qǐng)求、寫請(qǐng)求、寫數(shù)據(jù)、讀響應(yīng)、寫響應(yīng)。于是在通過HT傳輸Cache一致性協(xié)議時(shí)，就將寫請(qǐng)求與寫數(shù)據(jù)合并一個(gè)通道，讀響應(yīng)與寫響應(yīng)合并一個(gè)通道傳輸。Cache一致性協(xié)議要求寫響應(yīng)不能被堵，而讀響應(yīng)通道發(fā)出的二級(jí)Cache給一級(jí)Cache的一致性請(qǐng)求有時(shí)會(huì)因?yàn)橐患?jí)Cache處理不過來而被堵住，這時(shí)就會(huì)順帶堵死寫響應(yīng)通道，導(dǎo)致死鎖。當(dāng)時(shí)解決的辦法是在HT原有三個(gè)虛通道的基礎(chǔ)上增加了第四個(gè)虛通道并且允許寫命令與寫數(shù)據(jù)之間插入寫響應(yīng)包。3A1000的第二次改版還解決了HT互連時(shí)一個(gè)異步握手的問題。3A1000的第二次改版于2012年2月下旬流片，2012年8月中旬流片成功。至此龍芯3A1000就很穩(wěn)定了,至今還是龍芯銷售的一款重要芯片，尤其是在工控領(lǐng)域。

　　現(xiàn)在回頭看，龍芯3A1000的研制是成功的。3A1000是我國(guó)第一個(gè)四核CPU芯片。在3A1000的研制過程中，我們掌握了多核CPU的片內(nèi)互連及Cache一致性技術(shù)，以及片間多路互連技術(shù)。直到今日，龍芯仍然是唯一能支持多路服務(wù)器的自主CPU。在最近國(guó)外CPU企業(yè)對(duì)中國(guó)企業(yè)的CPU技術(shù)授權(quán)中，支持多路服務(wù)器的技術(shù)受美國(guó)政府限制還是不能給中國(guó)的。龍芯3A1000的處理器核沿襲了龍芯2E和龍芯2F的處理器核結(jié)構(gòu)，雖然在MIPS64兼容性方面有較大改進(jìn)，性能只進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化。龍芯3A1000處理器核的性能略高于PentiumIII的水平，在2006年龍芯2E剛出來時(shí)這個(gè)性能還說得過去。龍芯3A1000仍沿用該處理器核有點(diǎn)慢了，但在應(yīng)用比較固定的很多領(lǐng)域還能用，按理說龍芯的下一款CPU應(yīng)該致力于處理器核的性能優(yōu)化，大幅度提高通用處理性能，但在學(xué)院派的思想主導(dǎo)下，隨后的龍芯3B走了彎路，使龍芯遭受了挫折。

　　龍芯3B的研發(fā)得到“核高基”重大專項(xiàng)的支持，是在龍芯團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)型成立公司(龍芯中科技術(shù)有限公司)以及有關(guān)部門大力展開自主基礎(chǔ)軟硬件應(yīng)用試點(diǎn)的背景下展開研制的。2010年把龍芯課題組轉(zhuǎn)型成立公司是下了很大決心的，當(dāng)時(shí)已認(rèn)識(shí)到不能腳踩兩只船，辦企業(yè)和做研究不一樣，即使嘔心瀝血，也是九死一生，因此一定要專心，要求絕大多數(shù)技術(shù)骨干都從計(jì)算所辭職。像張戈25歲就已經(jīng)是副高職稱，是學(xué)術(shù)上很有前途的苗子，也毅然從計(jì)算所辭職。下這么大決心，與我當(dāng)時(shí)擔(dān)任全國(guó)人大代表，對(duì)中央以企業(yè)作為創(chuàng)新主體，科技創(chuàng)新要為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展服務(wù)的精神非常了解有很大關(guān)系。尤其是在“十七大”報(bào)告中，傳統(tǒng)的“科教文衛(wèi)”不再單獨(dú)作為一個(gè)板塊，科技創(chuàng)新直接在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的第一部分來描述，對(duì)我觸動(dòng)很大。龍芯公司的成立得到很多領(lǐng)導(dǎo)專家的支持。除了李國(guó)杰所長(zhǎng)的大力支持外，路甬祥院長(zhǎng)專門批示，要求科學(xué)院有關(guān)部門落實(shí)龍芯團(tuán)隊(duì)的股權(quán)激勵(lì)。原國(guó)家外專局局長(zhǎng)馬俊如從2006年起就曾多次對(duì)我說，龍芯在科學(xué)院里面已經(jīng)做得很好了，不能再好了，要想更好，就必須下海辦企業(yè);在成立企業(yè)后馬局長(zhǎng)又給了我很多指導(dǎo)。工信部的電子司司長(zhǎng)丁文武也給了我很多鼓勵(lì)。

　　龍芯3B的研發(fā)工作在2008年底龍芯3A交付流片后開始全面展開。首款龍芯3B1000繼續(xù)基于65nm工藝，目標(biāo)主頻800MHz-1GHz，八核結(jié)構(gòu)，每個(gè)核包含兩個(gè)256位向量部件，峰值浮點(diǎn)性能達(dá)到128GFLOPS，這在當(dāng)時(shí)處于世界領(lǐng)先行列。龍芯3B1000于2010年6月20日左右流片，2010年11月底回來第一批芯片。但第一批芯片回來測(cè)試并不順利，連操作系統(tǒng)都啟動(dòng)不了。很快就找到了原因：由于芯片可測(cè)性設(shè)計(jì)部分的邏輯設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，在功能模式下誤把內(nèi)存引腳置為測(cè)試狀態(tài)，導(dǎo)致芯片訪問不了內(nèi)存，通過FIB(用離子束改變硅片上的連線)修復(fù)后功能正常。

　　這是一個(gè)重大的打擊，龍芯歷史上從來沒有犯過這樣簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤，而且在同一時(shí)期流片的龍芯1A、龍芯2I等芯片也出現(xiàn)了由于簡(jiǎn)單工作失誤引起的錯(cuò)誤。究其原因，是龍芯團(tuán)隊(duì)在2010年初從課題組管理機(jī)制轉(zhuǎn)向公司管理機(jī)制的過程中，原來“作坊式”的設(shè)計(jì)流程被打破了，“工業(yè)化”的設(shè)計(jì)流程沒有建立起來。在課題組階段，我作為課題組長(zhǎng)，每顆芯片從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證、可測(cè)性設(shè)計(jì)、定制設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)從頭盯到尾，及時(shí)協(xié)調(diào)各組的配合，關(guān)注每一個(gè)細(xì)節(jié)，因此沒有出現(xiàn)管理上的錯(cuò)誤。而在3B1000的研制過程中，龍芯課題組轉(zhuǎn)型成立了龍芯公司，我的主要精力轉(zhuǎn)向公司，芯片研發(fā)的總協(xié)調(diào)人缺位，導(dǎo)致頻頻失誤。痛定思痛，從此我著手芯片研制的質(zhì)量體系建設(shè)，建立了“五步法”(立項(xiàng)、方案、簽核、測(cè)試、結(jié)項(xiàng))研制過程，并詳細(xì)規(guī)定了每個(gè)階段的研發(fā)和審核內(nèi)容。在此后龍芯公司進(jìn)行的幾十次流片中，沒有出現(xiàn)過嚴(yán)重的質(zhì)量問題，而且比我作為課題組長(zhǎng)天天盯著效率高很多。

　　龍芯3B1000首款流片不成功促使我們馬上進(jìn)行改版，好在只要改一層金屬，時(shí)間和費(fèi)用上都比較省。3B1000的第一次改版2011年2月初流片，7月初回來，調(diào)試比較順利。但在壓力測(cè)試時(shí)又出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，經(jīng)過幾個(gè)月的攻關(guān)發(fā)現(xiàn)又是死鎖問題。大致機(jī)理是一個(gè)處理器核訪問其它結(jié)點(diǎn)的內(nèi)存時(shí)，寫地址和寫數(shù)據(jù)是分開發(fā)出的，結(jié)果在另外一個(gè)結(jié)點(diǎn)的處理器核也過來訪問內(nèi)存，而且同時(shí)有幾十個(gè)這樣的互相訪問時(shí)，寫地址過去了但寫數(shù)據(jù)互相堵住，導(dǎo)致死鎖。避免死鎖的辦法是要求寫地址和寫數(shù)據(jù)保持原子性，即必須一起發(fā)出和傳輸。為此龍芯3B1000進(jìn)行了第二次改版，于2011年12月初流片，2012年4月底回來。從此達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

　　在掌握65nm工藝的基礎(chǔ)上，我們于2009年11月開始評(píng)估32/28nm工藝，并準(zhǔn)備把它作為龍芯CPU的下一個(gè)工藝結(jié)點(diǎn)。2010年12月選定意法半導(dǎo)體與三星合作的32nm工藝并開始八核3B1500的設(shè)計(jì)。3B1500基于3B1000的設(shè)計(jì)，主要通過工藝升級(jí)提高性能，同時(shí)做了局部的性能優(yōu)化，尤其是在處理器核中增加了私有二級(jí)Cache。2012年1月中旬完成3B1500的設(shè)計(jì)并交付流片。2012年8月底拿到樣片，初步測(cè)試正常，頻率從3B1000的900MHz提高到1.25GHz(最高可達(dá)1.5GHz)。在經(jīng)過測(cè)試后對(duì)該芯片進(jìn)行了萬片規(guī)模的小批量生產(chǎn)。在應(yīng)用驗(yàn)證過程中，出現(xiàn)了在很大的應(yīng)用壓力下個(gè)別芯片不穩(wěn)定現(xiàn)象。剛開始覺得是個(gè)體問題，后來出現(xiàn)的次數(shù)多了，開始于2013年1月31日組織人員攻關(guān)定位問題，查找機(jī)理。也是每天晚上召開例會(huì)討論，安排各種嘗試，在這個(gè)過程中發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)軟硬件磨合的問題并通過軟件調(diào)整后，出問題的概率小了很多，但問題如幽靈般還在。直到2013年4月12日，才抓到了該問題。這個(gè)問題是從3B1000到3B1500改版過程中引進(jìn)的，為了提高性能，處理器核收到多個(gè)維護(hù)Cache一致性的無效請(qǐng)求時(shí)，原來每?jī)膳牟拍芴幚硪粋€(gè)，改成可以連續(xù)處理，導(dǎo)致清除LL/SC同步指令的同步位llbit時(shí)錯(cuò)了一拍，誤把IODMA引起的Cache無效請(qǐng)求當(dāng)作0號(hào)處理器核的Cache無效請(qǐng)求(IODMA的編號(hào)剛好為0，與0號(hào)處理器核區(qū)分不開)，通過軟件調(diào)整可以規(guī)避此問題。經(jīng)過批量測(cè)試，原不穩(wěn)定現(xiàn)象消失。

　　為了從根本上消除該問題和其它一些小問題，我們對(duì)3B1500進(jìn)行改版。改版時(shí)根據(jù)生產(chǎn)廠家的建議，工藝從32nm遷移到28nm，于2013年4月底流片，10月底收到樣片，功能正常，但成品率極低，與廠家確認(rèn)后明確是廠家生產(chǎn)問題。廠家又建議我們恢復(fù)到32nm工藝流片，并以某種方式補(bǔ)償此次流片費(fèi)用，于是又再次改版，于2015年1月底流片，2015年6月下旬收到樣片，測(cè)試后功能正常，而且成品率正常，目前已經(jīng)量產(chǎn)。

　　龍芯3B的研制過程真是一波三折。出現(xiàn)過龍芯從課題組向公司轉(zhuǎn)型過程中的管理問題，生產(chǎn)廠家引起的問題，多核互相訪問引起的死鎖問題，處理器核Cache一致性引起的問題。在解決了一個(gè)個(gè)問題后總算取得了成功。

　　但龍芯3B的主要問題不在研制過程中，而是剛開始定方向就出了很大偏差。主要問題在于雖然龍芯團(tuán)隊(duì)從課題組轉(zhuǎn)型成為了公司，但龍芯3B的研發(fā)還保持著學(xué)院派導(dǎo)向，過度追求多核以及浮點(diǎn)峰值性能的單一指標(biāo)，通用處理性能不足，滿足不了在“十一五”期間展開的自主CPU應(yīng)用和試點(diǎn)對(duì)性能的要求。

　　龍芯3B在學(xué)術(shù)上是成功的，3B1500峰值浮點(diǎn)運(yùn)算速度達(dá)到160GFLOPS，現(xiàn)在拿出來也不丟人，當(dāng)時(shí)在國(guó)際上算高的。論文分別被國(guó)際頂級(jí)會(huì)議Hotchips和ISSCC錄用，龍芯3B的報(bào)告引起了很大反響，美國(guó)ITTimes對(duì)此專門進(jìn)行了報(bào)道，MIT也發(fā)表評(píng)論，認(rèn)為龍芯3B的浮點(diǎn)性能超過了同期的Intel處理器。但3B1500的通用處理能力比3A1000提高得不多，通過每個(gè)處理器核增加128KB的私有二級(jí)Cache以及主頻及內(nèi)存頻率的提高，3B1500的單核通用處理性能比3A1000提高了30%-50%，但與國(guó)外主流產(chǎn)品的性能差距還很大。

　　SPECCPU是一組國(guó)際上公認(rèn)的測(cè)試通用處理器性能的測(cè)試程序。2006年SPECCPU2006剛出來時(shí)，廠家公布的SUN的blade服務(wù)器單核性能為2-4分左右，高端PentiumIV的分值是10來分。2006-2013年是國(guó)外主流處理器通用處理性能高速增長(zhǎng)期，在主頻不怎么提高的基礎(chǔ)上，通過微結(jié)構(gòu)優(yōu)化，廠家公布的SPECCPU2006單核分值提高到50分左右，平均提高了5倍以上。當(dāng)然廠家公布的分值都是經(jīng)過精雕細(xì)刻編譯優(yōu)化(包括使用向量和多核加速)的，一般我們使用gcc編譯出來的單核分值需要把這些廠家自己公布的分值打7折左右，大致是20-40分。2013年以后，國(guó)際單核性能的提高趨緩，每代提升5%就不錯(cuò)，已經(jīng)到了天花板。SPECCPU先后發(fā)展了1989、1992、1995、2000、2006五個(gè)版本，開始時(shí)每三年更新一版，后來五、六年更新一版，到2006年后就沒有更新。從中也可以看出，CPU的通用處理性能到2010年前后已經(jīng)到了天花板，運(yùn)行SPECCPU2006的時(shí)間就夠長(zhǎng)了。

　　“十一五”期間，多核CPU成為國(guó)際學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)研究方向。因此，學(xué)院派思想主導(dǎo)的國(guó)內(nèi)CPU在“十一五”期間都放松了單核性能的提高，而是轉(zhuǎn)做多核，而且核數(shù)做得比國(guó)外還多。2006年研制成功的龍芯2E的通用處理性能與市場(chǎng)上主流X86處理器差1-2倍(與龍芯2E微結(jié)構(gòu)相同的龍芯3A1000在900MHz時(shí)SPECCPU2006單核分值為定點(diǎn)2.4分，浮點(diǎn)2.3分)，但龍芯CPU的單核性能從2006年的龍芯2E到2013年的龍芯3B1500只提高了50%左右;而在此期間市場(chǎng)主流X86處理器的單核通用處理性能提高了5倍以上。也就是說，“十一五”期間我國(guó)CPU通用處理性能被國(guó)外大幅度拉開了距離，從相差1-2倍到相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　技術(shù)上的差距體現(xiàn)在市場(chǎng)上就是不好用。“十一五”期間，國(guó)家有關(guān)部門在涉及國(guó)家安全的領(lǐng)域開始了自主CPU應(yīng)用試點(diǎn)，大量的應(yīng)用往基于自主CPU和操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上移植。在2011-2013年的三年中，以嵌入式計(jì)算機(jī)為代表的裝備類應(yīng)用取得了不少成功;而以通用PC和服務(wù)器為代表的信息化類應(yīng)用雖然通過基礎(chǔ)軟硬件的磨合優(yōu)化取得了較大進(jìn)展，但由于自主CPU的性能基礎(chǔ)與國(guó)外產(chǎn)品有數(shù)量級(jí)差距，在很多應(yīng)用中遭遇性能瓶頸。

　　由于自主CPU的通用處理性能不夠，2013年起，“核高基”基本上放棄了CPU自主研發(fā)路線，轉(zhuǎn)而支持引進(jìn)國(guó)外CPU技術(shù)的路線。以IBM、AMD、威盛、ARM為代表的國(guó)外/境外CPU趁虛而入，紛紛尋求與國(guó)內(nèi)企業(yè)合資或開放技術(shù)授權(quán)的方式，把原來的產(chǎn)品搖身一變成為自主CPU(操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)也有類似情況)。這使得主要靠國(guó)家支持進(jìn)行研發(fā)的龍芯CPU陷入了巨大困境。

　　雖然當(dāng)時(shí)對(duì)“核高基”支持引進(jìn)CPU不滿，但究其原因，還是我們自己在“十一五”“核高基”支持的龍芯3B上沒有擺脫學(xué)院派的慣性，走了彎路，滿足不了當(dāng)時(shí)迫切的自主信息化市場(chǎng)需求。問題還是出在我們自己身上。“十五”期間負(fù)責(zé)863計(jì)劃的科技部高新司領(lǐng)導(dǎo)在龍芯2C沒有達(dá)到預(yù)期技術(shù)指標(biāo)，龍芯2E立項(xiàng)專家提出19條反對(duì)意見的情況下作為非共識(shí)項(xiàng)目支持龍芯2E的研發(fā)，給了我們一次改進(jìn)的機(jī)會(huì)。而這次，機(jī)會(huì)沒有了，需要我們自己想辦法。

　　痛定思痛，知恥后勇。2013年5月，龍芯公司結(jié)合市場(chǎng)需求對(duì)CPU的研發(fā)路線進(jìn)行了認(rèn)真調(diào)整。一是龍芯3號(hào)系列多核CPU不追求核的個(gè)數(shù)而是大幅度提高單核性能，放棄高性能機(jī)專用CPU的研制，暫停16核處理器研制，重點(diǎn)把雙核、四核處理器做精做透。二是龍芯2號(hào)系列SOC芯片不追求“大而全”的復(fù)雜度，而是重視結(jié)合用戶需求定義芯片，以及SOC片內(nèi)互連的通暢性。三是龍芯1號(hào)系列結(jié)合特定應(yīng)用，如宇航、石油、流量表等研制專用芯片，專用芯片產(chǎn)業(yè)鏈短，容易形成技術(shù)優(yōu)勢(shì)并快速形成銷售(如面向宇航應(yīng)用的龍芯1E和1F已經(jīng)為龍芯公司帶來持續(xù)穩(wěn)定的銷售收入)。種瓜得瓜、種豆得豆。從2014年下半年開始，龍芯研發(fā)和市場(chǎng)結(jié)合的作用開始顯現(xiàn)，2014年龍芯公司銷售收入比2013年增長(zhǎng)51%;2015年在2014年基礎(chǔ)上再增長(zhǎng)57%，為龍芯公司的可持續(xù)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。龍芯公司逐漸擺脫國(guó)家項(xiàng)目的支持，能夠主要通過市場(chǎng)銷售養(yǎng)活團(tuán)隊(duì)和產(chǎn)品研發(fā)。