2002年 “龙芯”高性能通用微处理器研制成功

　　2002 年 9 月，我国首枚高性能通用微处理芯片—“龙芯 1 号”系列高性能通用微处理器（CPU）研制成功，这是中国科学院知识创新工程和国家“863 计划”的重大成果，标志着我国已初步掌握当代 CPU 设计制造的关键技术，改变了我国信息产业的无“核”历史。从“龙芯 1号”到“龙芯 3 号”的研制成功，龙芯团队用事实证明了 CPU 自主研发的道路是走得通的。

　　“龙芯 1 号”CPU 研制成功

　　CPU 的全称是 Central Processing Unit（ 中央处理器）， 它是计算机中最重要的部分。英特尔公司于 1971 年研制出第一个微处理器— 4004，1978 年诞生的 8086 处理器建立了目前应用最广泛的个人电脑的行业基础。

　　通用 CPU 是信息领域最基础和核心的芯片，是推动人类从工业社会走向信息社会的标志性生产工具。我国因缺乏独立自主的处理器设计技术，在信息产业上严重受制于人。如果不攻克通用 CPU 这个信息领域的最高峰，我们的指挥系统、武器装备、金融中心等关系到国家安全和社会稳定的领域和部门就难以有真正的安全，国家安全将受到严重威胁。

　　20 世纪 90 年代，中国科学院计算技术研究所（计算所） 的科研人员大多是做计算机的，真正懂芯片设计的人不多，因此几乎没有人认为所里能造出通用 CPU 来。但中国科学院计算技术研究所还是选择了通用 CPU 这一国家战略产品作为重要的攻关目标，于 2001 年成立了“龙芯”课题组。

　　计算所所长李国杰在选定项目负责人时定了几条标准：第一，要有扎实的学术基础和有望成为将帅人才的基本素养；第二，要有充分的自信心和想打胜仗的激情；第三，要有高度的责任感和完善自我的可塑性。他在主动请缨的年轻人胡伟武身上看到了这几点，但是否让这位“初出茅庐”的年轻人挂帅出征，李国杰考虑了很长时间。在慎重考虑后，李国杰认为做科学研究与做大工程项目不同，如果负责人从一开始就完全清楚每一步怎么做，那么创新的余地也很小了，应该给年轻人机会， 并且他也相信人才是“逼”出来的。就这样，重担压在了胡伟武的肩上。

　　“龙芯”课题组刚成立时，只有十来个人及一间几十平方米的实验室。胡伟武知道，计算所拿出创新经费的一半来做CPU 是顶着巨大压力的，如果做砸了，对不起纳税人。30 岁出头的胡伟武，带领“龙芯”团队从逻辑设计与验证做起， 按照稳扎稳打、步步为营的方针，从系统结构到 C 模拟器设计，再到 Verilong 设计以及 FPGA 验证，每一步都要经过反复论证。

　　“人生能有几回搏”—凡是走进“龙芯”实验室的人，都会看到墙上挂着的这几个曾经激励过曙光团队的大字。这是胡伟武经常对自己和项目组说的一句话，也是时刻激励着他忘我工作的强劲动力。对于项目组来说，早上 7 点上班，一直工作到深夜，那是再平常不过的事，连续三天三夜加班，也只能说是家常便饭。在方案最终交付的前夕，测试报告出了问题，胡伟武对项目组说：“不是 100 分就是 0 分！我们肩负的是历史的使命，因为我们要做出中国第一台不依赖于洋人 CPU 的计算机。”在最后的时间，项目组连续加班六天六夜验证调试，向国家交出了满意的答卷。

　　2002 年8月 10 日清晨2 点 1 分，这是一个中国信息技术领域永远铭记的时刻。“龙芯”投片成功了！

　　“龙芯 1 号”CPU 采用 0.18 微米 CMOS 工艺实现，定点字长 32 位，浮点字长 64 位，主频 266 兆赫，实际运行功耗小于0.5 瓦。其指令系统与国际主流的 MIPS 系列兼容，支持 Linux 操作系统、国际上流行的 VxWorks 实时操作系统和国产的女娲（Hopen）嵌入式操作系统等。

　　“ 龙芯 1 号”CPU 的研制成功， 表明我国已开始掌握CPU 设计的核心技术，结束了中国人不能设计通用 CPU 芯片的历史。

　　“龙芯”提升我国信息产业的自主创新能力

　　“龙芯”系列处理器芯片产品包括 32 位和 64 位单核及多核CPU/SOC，主要面向国家安全、高端嵌入式、个人电脑、服务器和高性能机等应用，有“龙芯 1 号”小 CPU、“龙芯 2 号”中CPU 和“龙芯 3 号”大 CPU 三个系列。

　　“龙芯 1 号”的主频是 266 兆赫，于 2002 年起使用。“龙芯2 号”最高主频为 1 吉赫，“龙芯 3 号”于 2010 年推出产品，是一款多核心 CPU 芯片。从“龙芯 1 号”到“龙芯 2B”，性能提高 3 倍，到“龙芯 2C”又提高 3 倍，再到“龙芯 2E”，又提高3 倍，发展速度是摩尔定律的 4 倍以上。从“龙芯 1 号”到“龙芯 3A3000”，SPEC CPU 标准程序测试结果表明，“龙芯”CPU的性能提高了 120 倍。

　　目前，“龙芯 3A4000”的研发正在稳步推进中，就模拟的结果来看，“龙芯”团队依靠微结构优化，可将性能提升约30%。3A4000 研发成功之后，“龙芯”会以 3A4000 的内核开发一款 16 核服务器 CPU，采用 14/16 纳米工艺，主频有望达到 2 吉赫～ 2.4 吉赫，SPEC2006 定点（单线程）成绩达到 20 分以上（GCC 编译器）。对于党政办公和普通用户日常使用而言，3A4000 和 3C5000 将实现从可用到好用的跃迁。

“龙芯”CPU 性能提高了 120 倍

　　“龙芯”从 2001 年立项，2010 年成立公司做产业化运营， 到 2015 年实现盈利，2017 年实现自有利润研发运转，已经过去了 17 个年头。都说“十年饮冰，难凉热血”，“龙芯”走过了饱受质疑的 17 年，仍然保持初心，立志让中国人用上自己的CPU。目前，“龙芯”的 3 种处理器各有所长，在各自领域都做出了一些特色。

　　从 2015 年起，中国航天科工集团公司同“龙芯”合作开展了自主可控信息系统迁移示范项目，完成了 18 个国家级的涉密应用系统的国产化迁移，通过集团内部试点，部署了千余台自主可控计算机集群，初步实现了自主可控信息系统上线运行的“国密网”。2018 年，“龙芯 3A3000”发布，这是一款工业核心板，主要针对工控领域。“龙芯”的这款板卡采用高抗震、全表贴、模块化设计，具有高性能、高国产化、高稳定、高可靠等特点，可广泛应用于国防、政府、科研、医疗、电力、通信、交通等领域。

　　“龙芯”的3A3000+7A 处理器COMe 方案国产化程度很高， 特别是采用了 7A1000 桥片顶替了过去的 AMD780E，实现了主芯片全国产化。除了主芯片实现国产化外，3A3000+7A 处理器 COMe 方案中还使用了国产的存储芯片，是模块板载处理器、桥片、存储等主芯片全面实现国产化的一套解决方案。

　　“龙芯”未来要坚持走自主可控之路

　　近年来，“龙芯”在技术上和产业化上都获得了成功。在技术方面， 随着 3A2000/3B2000 和 3A3000/3B3000 两代产品的迭代演进，实现了 CPU 技术上的大跨越，在采用同一代制造工艺的情况下，CPU 性能提升了 2 ～ 3 倍，基本满足了党政办公电脑的需求。

　　在产业化方面，3A2000/3B2000 以及 3A3000/3B3000 系列处理器在多个国产化项目中实现了批量部署和应用。

　　在 2017 年第十二届“中国芯”评选上，“龙芯”的 3A3000处理器被评为最具潜质产品，中科曙光的 3B3000 服务器、中科龙安的“龙芯”国产大数据一体机、南京龙渊众创的基于国产“龙芯”芯片的无线模块都被评为最具创新应用产品。此外， “ 龙芯”还应用于包括北斗卫星在内的十几种国家重器中，并且已走向国际。

　　十几年来，“龙芯”始终坚持自主创新，已经掌握计算机软硬件的核心技术，并在自主创新之路上越走越远，未来“龙芯” 的目标是进入民用市场，为国产芯片在民用领域的大规模产业化而努力！

　　（图文 / 中国科学院计算技术研究所）

　　本文摘自《改革开放40年科技成就撷英》，经中国科学技术出版社授权发布