國產(chǎn)龍芯CPU與中國IC產(chǎn)業(yè)策略

　　中國科學院新聞發(fā)言人在中科院計算所迎十六大創(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計劃支持下，計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決策。技術路線正確與否不僅影響科研的進度，而且將決定龍芯CPU未來的命運。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)還沒有達成共識。本文以研制龍芯CPU的策略考慮為基礎，對發(fā)展我國的集成電路設計產(chǎn)業(yè)提出一些觀點與看法，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決策有所裨益。

　　一、跨越與跟蹤

　　我國底子薄、基礎差，發(fā)展高技術應當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)略時提出要實現(xiàn)從以跟蹤為主到跨越發(fā)展的轉變，指導思想已經(jīng)明確。但對于比國外落后十多年的CPU技術，我們有沒有后發(fā)優(yōu)勢，能不能實現(xiàn)跨越式發(fā)展，許多人似乎又有點憂郁，有點信心不足。

　　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計高手，每年投入數(shù)十億美元研究開發(fā)經(jīng)費，中國才投入幾千萬元人民幣，就想做先進的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，跟洋人學到一些本事再考慮先進的芯片設計。這可能是西方某些人心目中的全球經(jīng)濟一體化下的世界分工。

　　我們必須承認，跨越發(fā)展需要一定的條件，包括技術與經(jīng)驗的積累。因此我們應積極吸引外資(包括臺資)在中國境內(nèi)建立芯片加工廠、封裝廠、測試廠、半導體設備廠和有關化工原料廠，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，應大力支持發(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IC加工設備出口中國仍有許多限制，因此：我國在芯片加工方面實現(xiàn)跨越式發(fā)展難度相當大。相對而言，芯片設計是智力高度密集型產(chǎn)業(yè)，雖然IC設計產(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設計業(yè)98年99年的投資回報率分別為21.6%和39%，比IC制造業(yè)的回報率(4.%和12.6%)高幾倍。

　　據(jù)麥卡錫公司預測，中國國內(nèi)IC設計業(yè)2010年的收入可達100億美元。中國目前有200多家IC設計企業(yè)，真正高水平的設計人才可能不到1000人，但是我國有專業(yè)基礎從事芯片前端設計的人力資源豐富，許多研究所和大學都有不少從事系統(tǒng)和硬件設計的人才。芯片設計的知識產(chǎn)權和專利很多都體現(xiàn)在系統(tǒng)級設計上，尤其是當進入片上系統(tǒng)(SoC)設計時，系統(tǒng)級的創(chuàng)新更加重要。

　　芯片物理設計方面的人才我國非常缺乏，而高水平的物理設計又特別需要經(jīng)驗，這方面人才的培養(yǎng)與引進需要一個過程。但龍芯一號CPU物理設計的成功表明有系統(tǒng)級設計經(jīng)驗的人轉入物理設計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)一批物理設計的高手。當然物理設計本身是一門高深的技術，微電子專業(yè)的人才是物理設計的主力。因此，我們認為，中國實現(xiàn)IC產(chǎn)業(yè)跨越發(fā)展的主要希望在芯片設計上。

　　在分析了計算所系統(tǒng)設計方面的技術儲備與優(yōu)勢后，我們在龍芯一號設計開始時，提出了“高起點，一步到位”的要求。所謂高起點是指盡可能采用先進的制造工藝，我們第一次設計和流片生產(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氣，而是通過與硅谷許多有經(jīng)驗的工程師深入調(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”當然不是指第一次設計就做出性能超過P4的CPU，而是針對當時國內(nèi)有些單位在啟動研制386、486的形勢，要求我們在微體系結構上創(chuàng)新，用國際先進水平的體系結構實現(xiàn)64位浮點運算，盡可能實現(xiàn)技術上的跨越式進步，而不是從模仿80年代技術開始一步一步爬行，并且一開始就強調(diào)正向自主設計，不采取解剖別人芯片反向設計的路線。“一步到位”的另一層意思是不做供鑒定用的實驗室樣片，而是要確保萬無一失，經(jīng)得起產(chǎn)品檢驗，做成可批量生產(chǎn)的芯片。經(jīng)過一年多努力，龍芯一號達到了預期目的。

　　對CPU設計而言，龍芯一號僅僅是我們邁出的第一步，使計算所初步形成了一支敢于也善于啃硬骨頭的隊伍。我們清醒地認識到，我們現(xiàn)在的CPU設計水平與國際先進水平還有很大差距，我們在CPU領域是剛入門的新兵，而CPU技術發(fā)展又很快，許多技術特別是物理設計技術我們還要老老實實地學習。我們真正期盼的跨越式進步的標志性產(chǎn)品是龍芯2號。

　　我們在設計龍芯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構，要求龍芯2號的體系結構有自己明顯的特色，以最有效的方法實現(xiàn)四發(fā)射，即一時鐘周期可同時執(zhí)行四條指令(P4實現(xiàn)了三發(fā)射)，而且要為下一步研制超線程CPU和多處理機CPU打下基礎。計算所與在美國參加過千萬億次計算機研制的高光榮教授成立了先進計算機聯(lián)合實驗室，重點研制多線程機制，爭取實現(xiàn)幾十個甚至幾百個線程并行操作。這項技術各大公司還在研究之中，我們將爭取以跨越的技術進入國際前列，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的核心技術。實際上隨著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。在向科學院領導申請知識創(chuàng)新重大項目時，我曾說過，龍芯微處理器的目標不是傳統(tǒng)的“CPU”，而是“DPU”，即DistributedProcessorUnit。所謂中央處理器是針對過去的大型計算機取的名，隨著網(wǎng)絡存儲和各式各樣的通信與終端設備直接上網(wǎng)，微處理器將分布在各種設備中。

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　　以后計算機、通信設備(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)同設計將更為重要，編譯技術也將發(fā)揮更大的作用。中國的芯片設計要跨越發(fā)展，可能要通過軟件和算法的突破來彌補硬件加工的不足。系統(tǒng)設計人員在芯片設計產(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計劃集成電路重大專項的高性能CPU項目還處在軟課題研究階段，但關于重點支持所謂通用CPU還是嵌入式CPU的討論已經(jīng)進行多次，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，我們應關心“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心市場有沒有需求，不會先浪費時間論證應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是指安裝在不是計算機的路由器、手機、電視機、汽車等設備上的CPU芯片，而裝在PC機、筆記本、工作站、服務器上的CPU一般稱為通用CPU，因為它能執(zhí)行各種各樣的程序。

　　嵌入式是CPU的一種應用，一般只要求運行某種確定的程序，很多場合的嵌入式應用都要求低功耗，特別是像手機、PDA這類手持移動設備，低功耗意味著充一次電可運行更長時間，因此，低功耗應用追求更高的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)和體系結構而言，所謂通用CPU和嵌入式CPU并沒有本質區(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)往復不斷進步。天同證券公司在網(wǎng)上發(fā)表了一篇“半導體產(chǎn)業(yè)行業(yè)研究報告”，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算器、電視機的專用標準構件，標志著IC產(chǎn)品進入第一個專用循環(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年代隨著設計工具的發(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)，用戶可進行軟編程反復改變硬件功能，又進行新一輪的準通用循環(huán)。隨著ASIC技術的積累，IC開始向片上系統(tǒng)(SoC)發(fā)展，SoC實質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設計進入了基于可重用知識產(chǎn)權(IP)庫的設計階段。

　　IC發(fā)展歷史已表明，通用CPU是IC技術發(fā)展的源頭。從幾年前開始，最先進的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，就只能永遠跟著別人，處于技術的下游。在2000年計算所醞釀研制CPU時，我們曾反復討論過是買MIPS或ARMCPU核，針對某個應用做點外圍電路，還是自己做一個有自主知識產(chǎn)權的MIPSCPU核或類似ARM的CPU核。我們的結論是沒有自己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。因為一個好的CPU核必須經(jīng)過多種應用的考驗，單獨為汽車控制等應用做一個較專用的CPU難以擴充成較通用的CPU核。

　　從網(wǎng)絡信息安全的角度出發(fā)，我國也需要有自己的通用服務器CPU。服務器相當于電網(wǎng)中的發(fā)電站，一旦服務器受到攻擊，將會造成大范圍的網(wǎng)絡癱瘓。服務器的用量少于終端(美國服務器的銷售額約為PC機的1/3)，但服務器CPU做為涉及國家政治、經(jīng)濟、信息安全的核心技術一定要掌握在自己手里。在龍芯CPU研制時，從硬件設計上采用了防止緩沖區(qū)溢出攻擊的新技術，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器，盡管其性能只相當于4-5年前的PC服務器，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用很高(0.18微米工藝掩膜費用高達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。做芯片一定要瞄準量大面廣的市場。量大不一定面廣，比如手機芯片、DVD芯片量很大，但只用于手機與DVD，人們常稱為嵌入式芯片或專用芯片。如果一種手機芯片被眾多手機芯片廠商采用，我們也可以說它是一種通用的手機芯片。還有一類以“面廣”為目標，強調(diào)通用性的芯片，如Xilinx和Altera兩家全世界最大的IC設計公司生產(chǎn)的可編程門陣(PLD)，可用于很多產(chǎn)品中，這當然是一種通用芯片。另外ARMCPU也可認為是一種較通用的芯片。

　　通過以上分析，我們的結論是我們應重點發(fā)展量大面廣的芯片設計，即較通用的嵌入式芯片，同時要重視高安全性的服務器CPU芯片設計。形成較通用的嵌入式CPU核的一條可行途徑是從設計通用CPU入手。通過應用實踐再適當裁剪通用CPU比從專用CPU開始不斷擴充更合理。雖然國內(nèi)對低端微控制器芯片仍有一定需求，但從海關統(tǒng)計數(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、網(wǎng)絡終端計算機(NC)等，同時也是高安全性的服務器芯片，可用于網(wǎng)絡服務等。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)絡設備。

　　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使許多老百姓認為“信息技術主要是PC機，PC的核心技術是P3、P4芯片，芯片的高技術是高主頻?！睂嶋H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(有機構統(tǒng)計，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公司預測2002年IA產(chǎn)品銷售數(shù)量將達到1.8億臺，超過PC機銷售數(shù)量。PC機本身也在變化，用戶未必希望PC機主頻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。