龙芯中科技术股份有限公司副总裁杜安利：自主“芯”架构·构建数字经济新生态

2023年3月8日上午，龙芯中科技术股份有限公司副总裁杜安利做客CAA三八女神节特别讲座，作题为“自主‘芯’架构·构建数字经济新生态”的报告。

报告指出，贸易战落到根上是硬核技术的比拼，要实现制造强国战略必须掌握自主核心技术。中国工业行稳致远，离不开核心技术自主创新和产业自立自强，我们需要坚持自主研发，打破国外巨头的工业“垄断”，围绕自主芯片、自主操作系统等自主技术加速构建自主生态体系，以丰富的自主产品和解决方案服务企业数字化转型和产业高质量发展，以安全稳定的能力助力数字经济，建设数字强国。

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从2001年开始，龙芯中科技术股份有限公司（以下简称“龙芯”）一直开展自主化的相关工作，始终坚持自主研发的理念。贸易战的实质是核心科技实力的比拼，要实现制造强国战略必须自主掌握核心技术。
一、核心技术要自主发展
为什么核心技术一定要坚持自主发展？因为掌握核心技术，除了有资金、人才、政策等，还需要长期、大量的基础研究，时间是核心技术转化的第四个变量。我国的产品大致可以分为三个层次：低端产品有钱就能做；中端产品有钱、有人才也可以做；而核心高端产品，除了资本、人才之外，还需要经过长期的研究、积累才能够真正掌握关键技术。

CPU和操作系统都是高复杂系统，一般高复杂系统能力建设需要30年。从核心芯片的角度看，我国要自主掌握核心技术，关键在于掌握自主的CPU指令系统。在芯片领域，有一个公认的概念：国产不等于自主！通过购买外国的核心技术，在核心技术外围做一些研发和设计，勉强可以称为国产，但不自主！真正自主的CPU一定是采用自主指令系统，自研运算器、控制器，以及芯片内部的多数IP模块均为自研，这才能称为自主。

俄乌战争引发的结果大家都看到了，2022年3月，ARM公司暂停向俄罗斯客户和合作伙伴交付产品和提供支持；2022年5月，英国制裁了俄罗斯的厄尔布鲁士和贝加尔湖两大处理器公司，俄罗斯基于ARM技术道路的信息产业已完全被堵死。ARM指令系统已经成为西方对其他国家一个重要的制裁工具，按照美国2022年10月出台的出口管制新规，中国公司将无法从AMD、英特尔和英伟达等美国公司购买最新的CPU和GPU，由于美英两国的出口管制规则，及两用商品和技术出口管制的瓦森纳协议，中国企业也无法从ARM公司获得最新的CPU IP许可。

龙芯目前采用的核心技术是完全自主的指令系统，如图1所示。龙芯处理器采用的底层核心技术是龙芯自主指令集（LoongArch，简称LA）。X86指令集是个封闭指令；ARM授权的V8是一套落后的指令系统，先进的不卖；开源指令集在我看来也不等于自主，开源不等于免费、开源也可以闭源。鉴于此，龙芯没有依赖外国技术的想法，研发龙芯自主指令系统，自主设计CPU微结构、源代码、以及核心软件模块。采用龙芯全新自主指令系统的高性能3A5000处理器性能已大幅提升，说明自主指令系统的效率不比外国的指令系统差，甚至更优秀。

图1 龙芯CPU指令架构的战略选择

与国内其他集成电路企业相比，龙芯有“一个唯一”与“三个不同”，如图2所示。“一个唯一”是龙芯完全自主，是国内唯一基于自主指令系统构建开放产业体系的企业。第一个不同，是与国内多数集成电路企业购买商业IP进行芯片设计不同，龙芯二十多年来积累了上百种IP模块，实现了芯片更高的自主性。图2中展示的芯片框图，是龙芯3A5000芯片，它里面有上百种IP模块，均是龙芯自研。第二个不同，是与国内其他的CPU企业主要基于ARM或者X86指令系统最终还是会融入国外信息技术体系不同，龙芯采用自主的指令系统，并掌握了CPU的关键设计技术和软件，这是非常难的，但是龙芯做到了。第三个不同，是与国内多数CPU设计企业要依靠境外的先进工艺提升性能不同，20多年来龙芯通过设计优化和自主IP积累，摆脱了对境外最先进工艺的依赖，性能的提高主要来自于芯片内部微结构的优化与迭代。

图2 一个唯一、三个不同

龙芯最鲜明的特点是：二十多年来一直坚持核心技术自主研发。因为自主研发，可以不断迭代；因为自主研发，才能技术创新；因为自主研发，关键技术不被卡脖子。五年来龙芯CPU单核性能提升了10倍以上，主频提升1.5-2倍，设计提升4-5倍，如图3所示。

图3 龙芯自主CPU

龙芯大家庭中，有近三分之一是女性工作者，非常有战斗力。龙芯的文化是精神“硬”才能技术“硬”，核心技术研发需要花费大量时间，在这个过程中，如果耐不住寂寞，经不起诱惑，恐怕坚持不了十年、二十年......所以说别人创业烧的是钱，龙芯人创业烧的是青春。龙芯在长期发展中锻造了一支有灵魂、能战斗、能啃硬骨头的团队。龙芯的宗旨是坚持为人民做龙芯，从根本上解决为谁做龙芯的问题，这是龙芯生存和发展的基础。
二、“龙架构”工业生态
当前，对全球工业格局有较大影响的四个国家：德国、美国、日本、中国。德国RAMI4.0以数字工厂为核心，并以其工业3.0的数字化水平为基础，建立起了强大完善的工业生态基础；美国的SMS模型强调产品、工程、订单三个维度的架构，强调基于标准建立“智造生态”，而IIRA模型强调架构，要求企业具有良好的标准和信息基础；日本的IVRA模型把人作为资产纳入生产模型，前提是日本企业对人机关系的理解和产品精益的思维。这几个国家的工业模型都有自己的基础和标准，我们无法直接套用，还需要结合我国工业的实际情况，探索、实践出适合中国工业数字化道路的模型。

我国工业生态体系应该建立在自主软硬件的平台之上，工业数字基座包括自主 CPU和操作系统，工业数据库、组态、工业协议、仿真分析、数字孪生等等，国产软硬件是可以满足大部分工业场景需求的。

在自主工业生态建设的过程中，龙芯的愿景是未来能够为国际市场的自动化产品及数字化服务提供商提供中国自主可控的底层融合服务。目前，龙芯有三大芯片产品系列。一是面向桌面和服务器应用的龙芯3号CPU系列，应用于工业计算机和工业服务器；二是面向工控和终端应用的龙芯2号SOC系列，集成了丰富的IO接口，功耗也比较低，非常适合生产自动化领域的控制器、网关，以及多种边缘设备；三是面向嵌入式专门应用的龙芯1号MCU系列，如32位MCU产品，在五金家电等领域应用广泛。多年来龙芯自研了很多IP模块，这间接地保障了供应链安全。

图4 龙芯CPU三大产品系列

20多年来龙芯已经完成了CPU的性能补课。2002年龙芯推出的龙芯一号，其单核性能与当时的市场主流产品相差20多倍；2021年龙芯推出的3A5000，其单核性能已接近市场主流产品的性能；未来两年龙芯还将继续迭代，逐渐达到单核性能的“天花板”。

龙芯也有自己的基础版操作系统，有面向桌面的和服务器的Linux系统。在自动化领域，也有面向工控应用的轻量级操作系统，客户可以基于基础版OS完成现场的工业应用定制。

总的来说，龙芯自主工业产品包括但不限于以下三大类：一是龙芯的工业计算机、工业服务器，包括高性能的工业数据终端和工业控制器；二是中高端控制设备，以及工业网络通信设备；三是工业安全设备，有不少基于龙芯平台开发的工业安全产品，例如防火墙、交换机以及工控密码机等，如图5所示。

图5 龙芯自主工业产品

三、工业典型应用场景
龙芯在工业中的应用场景非常丰富。能源领域，龙芯CPU在新能源、传统发电、输变电等领域中实现了批量应用。交通领域，也有不少龙芯嵌入式计算机、通信设备在运行服务。智能制造领域，龙芯的控制器也开始展现实力，不仅在流程工业提供保障，也在离散工业场景中发挥作用。

未来的数字化工厂，应该也能看到龙芯的身影，如图6中红色标注所示，现场设备中，PLC、工业网关、路由器，以及各类工控机、监控设备、上位机和电脑等，都是龙芯提供服务的场所。

图6自主数字化工厂

基于龙芯3系列芯片的高端控制器逐渐开始成熟，同时龙芯工业计算机和服务器也开始承载越来越多的业务系统，如监视系统、数字孪生系统等。

自主化装备是工业数字化、智能制造的主要载体和价值创造的核心，中国工业的发展要行稳致远，“稳”源自于技术自主，重点实现自主工业底层技术；“远”源自于生态自主，打通软硬件一体化平台。龙芯愿意在自主可控工业底层技术、数字化经济生态建设中勇攀高峰，与自动化领域同仁们一起向全球产业链中高端进发!

报告人简介
杜安利，龙芯中科技术股份有限公司副总裁、中国自动化学会女科技工作者工作委员会委员、中国自动化学会“智向未来”自动化与人工智能专家、工业控制系统产业联盟常务理事、中国自动化产业联盟常务理事、工业控制计算机专委会专家委员。致力于促进国产嵌入式软硬件生态的发展与建设，重点关注能源、交通、网安、数据通信及工业控制等重要领域；全面参与了龙芯处理器产业生态建设工作，现负责“龙芯”系列处理器在行业的生态建设与产业化。