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小名叫“狗剩”的国产芯片长大了:龙芯是怎么炼成的?

返回列表 来源: 发布日期: 2021.07.06

“在取名时,大家给芯片取的小名叫‘狗剩’,寓意着容易养活,能健康成长。”龙芯中科技术股份有限公司董事长胡伟武在回忆“龙芯1号”的研制时表示。

2002年龙芯1号研制成功,2005年龙芯2号研制成功,2009年龙芯3号研制成功。2010年研制团队决定要市场化运作。2021年6月,龙芯中科科创板IPO申请获得上交所受理。龙芯中科拟募集资金总额为35亿元。

CPU是我国科技领域被“卡脖子”的关键点之一,尤其是通用CPU。在全球计算机领域,CPU商用市场基本被英特尔和AMD两家外国公司占据,其他厂商整体市场份额不超过1%。

不过,经过从2001年中科院龙芯课题组到现在20年的积累,龙芯中科在2020年底推出的龙芯3A5000达到了12/14nm工艺节点,虽然相比7nm工艺仍有差距,但其所生产的通用处理器性能已经逼近商用领域市场主流产品水平。目前,龙芯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。

胡伟武曾写过一篇《论龙芯的持久战》,在文中他表示,在战略上藐视它,在战术上重视它是我国发展自主知识产权微处理器和信息产业时应遵循的一个基本原则。

未来,龙芯中科能否扛起国产芯片的“大旗”?

20年不放弃 “龙芯”靠“三级跳”实现技术跨越

说起龙芯,不得不提起研发团队带头人胡伟武。

1968年,胡伟武出生在浙江省永康县的一个乡村教师家庭。小学三年级后,他在假期就要跟着大人到生产队挣工分,条件艰苦。受父亲的影响,他在小学和中学都是“学习尖子”。

1986年胡伟武以永康县高考状元的身份考入中国科技大学计算所。1991年9月,他免试直接攻读中国科学院研究生院计算机系统结构专业博士研究生,师从著名计算机专家夏培肃院士,获工学博士学位。

1996年3月,胡伟武就职于中国科学院计算技术研究所,历任助理研究员、副研究员、研究员、博士生导师、所长助理、副总工程师、总工程师等职务。

这时中国已经开始进入计算机时代,电脑在各个行业各个部门得到越来越多的应用。不过彼时基本上所有电脑中都是外国芯,中国是否应该发展自主处理器?当时社会上有一种流行观点认为,中国应该发展嵌入式处理器,没必要做通用处理器,因为通用处理器与国外差距太大,并且投入太高,还很难市场化,难以形成生态体系。

在1997年香山科学会议上,夏培肃院士、金怡濂院士(2002年度国家最高科学技术奖获得者)、周毓麟院士讨论我国高性能机发展,会上形成了一个结论:一定要做自己的CPU。

2001年,时任中国科学院计算技术研究所研究员的胡伟武等人在中科院成立了龙芯课题组,这就是龙芯中科的前身。

“我们2001年开始做龙芯CPU,当时我们的所长李国杰院士给了我100万,我们拿100万人民币做了一个原型系统,一种叫现场可编程的逻辑(门阵列)。把那个设计烧进去,把操作系统哗哗跑起来了,我记得那天是2001年8月19日。登录进去,我给李老师发了一个邮件,然后就拿那个成果找科学院汇报,要了500万,加上计算所匹配500万,总共1000万,做个龙芯1号。”胡伟武在一次公开演讲中表示。

2002年8月10日,“龙芯1号”研制成功,虽然在性能上它只能和上世纪的英特尔586相当,而且在当时还无法量产,但它是我国首枚完全拥有自主知识产权的通用高性能微处理芯片,它的出现打破了我国信息技术产业长期建立在外国核心技术之上的僵局。

根据胡伟武回忆,“龙芯2号”研究过程中最大的难点就是无处可学,“国外的核心技术不可能教给我们,我国芯片研究完全只能自己摸索,同时在研究过程中也存在资金不足的情况。但我们没有放弃,大家为了攻克难关日以继夜的熬过、艰辛过、困惑过,也吃过很多苦,但大家却认为当芯片研制出来时一切都是值得的。甚至在芯片取名时,大家给芯片取的小名叫‘狗剩’,寓意着容易养活,能健康成长。”

胡伟武在《论龙芯的持久战》中表示,龙芯团队采取了每十五个月左右性能提高3倍的“三级跳”技术指导思想。2003年10月调试成功的龙芯2B性能是龙芯1号的3倍,2004年12月调试成功的龙芯2C性能是龙芯2B的3倍,2006年3月调试成功的龙芯2E性能是龙芯2C的3倍。

小名叫“狗剩”的国产芯片长大了:龙芯是怎么炼成的?

通过上述“三级跳”,龙芯高性能通用CPU实现了跨越发展,在单处理器设计方面达到了世界先进水平。其中龙芯2E采用90纳米CMOS工艺设计和生产,内含5000多万个晶体管,最高主频达到1.0GHz,最高双精度浮点运算速度每秒40亿次,实测SPECCPU2000性能超过500分,达到中低档奔腾IV处理器的水平,并且具有功耗低、安全性高等特点。

2010年下海 最初靠工控类芯片养活自己,站稳了脚跟

胡伟武曾表示,做了20年CPU,前10年龙芯中科一直靠着国家给的4亿元经费,直到2010年成立公司走市场化的路线。

2005年和2009年,龙芯2号与龙芯3号研制成功。但与此同时,胡伟武不再满足让龙芯继续“呆在”中科院,他认为,产品需要市场的检验。“龙芯在科学院的体制内、在计算所继续做下去,已经没有意义了,因为CPU不是用来开鉴定会用的,也不是评职称用的,它必须在市场中让客户来评价。中国不缺院士,但缺个像英特尔这样的企业。”胡伟武曾这样公开表示。

在他的坚持下,龙芯中科应运而生,2010年公司开始市场化运作,对龙芯处理器研发成果进行产业化,龙芯1至3号也成为了龙芯中科的主力产品。

2012年,龙芯中科遇到了问题,基于龙芯CPU的龙芯电脑项目产业化没做起来,国家支持也没了,龙芯处于“断粮”的困境。

胡伟武不断反思,到处找项目。他发现,在英特尔等巨头看不上的小而散的工控领域,存在着市场机遇。

龙芯中科将产品类别分为工控类芯片、信息化类芯片和解决方案三类,其中,工控类与终端等领域的应用场景包括如网络设备、行业终端、智能制造等;信息化领域的应用场景包括桌面和服务器等。通过在工控领域的持续深耕,2015年,龙芯中科实现了盈亏平衡。

招股书显示,龙芯中科研制的芯片中,龙芯1号系列、龙芯2号系列主要面向工控类应用;龙芯3号系列主要面向信息化应用(其中工业级产品面向高端工控类应用)。

值得注意的是,信息化类芯片在龙芯中科总收入的占比逐年升高,如2018年工控类芯片收入占比54.25%,2020年则降低至15.66%;2018年信息化类芯片收入占比25.95%,2020年则跃升至73.21%。

截至目前,龙芯中科掌握指令系统、处理器核微结构、GPU以及各种接口IP等芯片核心技术,在关键技术上进行自主研发,是国内极少数使用自主架构研制通用处理器的企业,也是极个别在股权结构方面保持开放、未被整机厂商控制的企业。

值得关注的是,龙芯中科研发了自主的龙芯指令系统LoongArch,并研制了基础版操作系统、编译工具链、Java虚拟机等关键基础软件,建立了完整的基础软件技术生态体系。

招股书显示,龙芯中科2018年、2019年、2020年全年营收分别为1.93亿元、4.86亿元、10.82亿元;归属母公司的净利润分别为790.33万元、1.93亿元、7179.85万元。

根据龙芯中科招股书,该公司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,属于电子信息产业的核心领域。龙芯中科主营业务收入主要来自于处理器及配套芯片产品销售和解决方案业务,公司核心技术产品收入在近三年来占营业收入比例始终在99%以上。

龙芯中科表示,基于龙芯CPU的电脑产品使用体验已经达到市场主流水平,产品在电子政务、能源、交通、金融、电信、教育等行业被广泛应用。目前,与龙芯中科开展合作的厂商达到数千家,下游开发人员达到数十万人,基于龙芯通用处理器的自主信息产业生态体系正在逐步形成。

与英特尔和AMD差距正在缩小 有望摆脱芯片“卡脖子”困境

谈起芯片,国人最关心的是中国何时能摆脱被“卡脖子”的困境,生产出一流的芯片。

对此,龙芯中科在招股书中表示,相较英特尔、AMD、ARM公司等国际CPU龙头企业,其在产品的研发销售规模、客户对产品的认知程度、市场知名度和商用领域的应用软件生态等方面均有差距。

据了解,在全球计算机领域,CPU商用市场基本被英特尔、AMD两家占据。其中,英特尔依靠其强大的X86生态体系,在通用CPU市场占据领先地位,市场份额常年保持在80%左右,AMD近期追赶势头明显,而其他厂商整体市场份额不超过1%。

龙芯中科在招股书中表示,目前国内市场对进口通用处理器过度依赖,多数通用处理器产品需要从境外采购,桌面市场主要为英特尔、AMD占领;服务器市场则主要为英特尔垄断。我国对进口通用处理器的过度依赖已经成为我国信息产业发展的一大软肋。近些年,受国际供应链不确定性影响,部分企业的CPU供应也成为问题。近两年,采用国产CPU的桌面产品发展迅速,但市场份额仍不足5%。

技术上,目前市场广泛认为AMD的7nm芯片代表着CPU市场的最顶尖水平,相比之下,龙芯中科在2020年底推出的龙芯3A5000达到了12/14nm工艺节点,与顶尖水平仍有差距。

除了技术,还有资金和人力上的差距。新京报贝壳财经记者梳理发现,截至2020年年底,英特尔的资产总额达到1530.91亿美元,员工数量超过11万人。而龙芯中科招股书显示,龙芯中科拟在科创板发行股票数量不超过4100万股,拟募集资金总额为35亿元。而截至2020年底,龙芯中科资产总额16.56亿元,员工数量为647人。

虽然仍有差距,但差距正在缩小。

龙芯中科自主研发的芯片已经在各个领域取得了应用。东方证券研究所研报显示,龙芯系列CPU芯片广泛应用在航天、车载导航、交换机、军用电脑等领域。2015年发射上天的2颗北斗导航卫星的核心芯片使用的就是中国特制的“龙芯”系列专用CPU,可在高辐射极温条件下稳定运行。国产陆军和海军装备上使用的北斗导航一体化终端设备中使用的就是“龙芯1B”嵌入式CPU,在芯片国产化进程中,国产CPU在军用领域已经逐渐代替国外CPU。

“应用生态的建设是通用处理器企业取得商业成功的关键。目前全球IT领域,微软与英特尔形成的Wintel体系,谷歌与ARM形成的AA体系。跟随这两个体系,只能做芯片或整机产品,而无法构建自主的软件生态。为了打破现有体系的垄断,公司致力于打造独立的生态体系。公司围绕信息系统和工控系统两大平台开展下游产业链建设工作。以龙芯中科的Loongnix和LoongOS为基础,持续完善基础软件,开展应用生态建设。”龙芯中科在招股书中表示。

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