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胡伟武:我国手机CPU的自给率是0%
点击:  作者:胡伟武    来源:工业智能化 微信号  发布时间:2021-12-17 10:05:04

 

 

1210日消息,在2021凤凰网科技峰会的“‘突破:抢占智能时代制高点论坛上,龙芯中科董事长胡伟武围绕自主CPU发展道路的话题发表了演讲。以下是演讲内容(在不修改原义基础上有删改)。


大家好!我是龙芯的胡伟武,很高兴有机会在凤凰网给大家介绍一下我国CPU的发展情况,所以我的报告叫做自主CPU发展道路

 

什么是CPU?很多人说CPU就是芯片,这个说法也对也不对,我们先给一个稍微有点学术性质的定义。现在的计算机都采用一种冯·诺伊曼结构,这是美国一位数学家在上个世纪四十年代提出的结构,论文中说计算机由五部分组成:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备,其中运算器+控制器合在一起叫中央处理器,就是Central Processing Unit简称CPU,存储器我们知道,就是计算机中的内存条,输入设备和输出设备就是键盘、鼠标显示器,硬盘等,计算机就是这么组成的。

 

CPU在不同的阶段有不同的表现方式,可以体现为很多机柜,可以体现为一个芯片,也可以体现为一个IP

 

今天我们讲自主CPU什么是自主CPU?根据冯·诺伊曼的学术定义,(能够)自主研制运算器和控制器的叫自主CPU我国的手机芯片做得非常好,国内有不少做手机芯片的企业,国内手机芯片的自给率,尤其是里面的主处理器自给率超过20%计算机芯片的自给率可能也就是3%-5%。什么意思呢?计算机全球一年卖2.5-3亿台,中国要用掉5000万台,3%-5%就是每年用自己的芯片来做的计算机大概有200万台左右。但如果就CPU来说,我国手机CPU的自给率是0%,所有做手机芯片的都是买ARMCPU核来做芯片,我国计算机CPU的自给率至少有1%-2%。比如龙芯CPU的运算器、控制器都是自己做的,每年大概有100万片左右,除以5000万就是2%左右。

 

为什么要在概念上把芯片和CPU分得那么清?因为我们要看它的作用,就是看它的Outside。屏幕上列了两张表,一个是2017年的,一个是2018年的,都是从网络上找的数据,列了几个企业,有两个是做电脑的,其中联想是做计算机,Intel是做计算机芯片。有两个是做手机的,苹果做手机,展锐做手机芯片。两个是美国的,两个是中国的,两个是做整机,两个是做芯片。这里的数字单位都是亿美元,2018年人民币和美元的汇率是6.7,我们看到一个很奇怪的现象,电脑是做芯片的赚钱,我们来看Intel2018年赚了211亿美元,联想只赚了6亿美元2017年甚至有点亏损,所以我们觉得芯片很重要,全中国人民都觉得芯片很重要。

 

表面上看,凡是中国企业做的都不赚钱,不管是做整机还是做芯片,实际上IT产业是解决方案为王的产业。什么是解决方案?解决方案决定用户习惯和产业主导权,电脑怎么用谁说了算?Intel和微软说了算,电脑什么时候升级谁说了算?也是Intel和微软说了算,到现在为止,只要Intel和微软推出新的操作系统和CPU,全球的计算机产业都跟着升级。手机什么时候升级是GoogleARM和苹果说了算,中国不管是做手机芯片的、做整机的,至少对手机的大升级我们说了不算ARM最近推出ARMv9指令系统,全球手机肯定要跟着升级,Google推出一个新Android,全球的手机也要跟着升级。

 

我们看到实际上做芯片、做整机并不重要,重要的是控制解决方案,控制产业什么时候升级,中国IT产业的根本出路在于构建自己新的体系。我们知道现在全世界信息产业有两个美国主导的体系支撑:一个是Intel+微软,一个是ARM+Android,只要硅谷几个企业产品一升级,整个中国的信息产业跟着动,全世界的信息产业也会跟着动。我们要做大的解决方案,就是一个自己的生态,要构建独立于WintelAA体系的安全可控信息技术体系和产业生态,构建安全可控的信息技术体系是习总书记2016年对我们整个产业提的要求。

 

CPU的研制是一个复杂的过程,十九届五中全会提出要构建一个国内的大循环为主体,国际国内两个循环相互促进的新发展格局,我们就是要构建国内大循环。信息产业要构建国内大循环,我认为有三个主要的环节:

 

1)基于自主IP核的芯片。现在我们做芯片可以买别人的IP来攒芯片,其实不难,如果买ARMIP,买ImaginationIP来做手机芯片,相信一两年就够但做ARM那样的CPU核没有五到十年是不行的。恰恰是芯片的IP决定芯片的性能、成本、功耗、安全性,当然IP分为软IP和硬IP,屏幕右上角的方块就是IP,中间的版图也可以抠出一些硬IP,所以芯片的研发要IP自己来做

 

2)基于自主指令系统的软件生态。X86承载着电脑的生态,ARM承载手机的生态,软件生态包括什么?包括操作系统,像WindowsAndroid,数据库比如Oracle中国的企业要做产品,融入X86ARM的生态是相对容易的,比如手机芯片,Android一跑起来,所有APP都能跑,但基于自己的指令系统建自己的生态是很难的。

 

3)基于自主材料和设备的生产工艺。我们知道境内的生产工艺像14纳米已经很稳定了,7纳米也研发成功了,生产工艺是不错的,但是关键是材料和设备受制于人,光刻机、光刻胶。我们做芯片设计有几个不如境外工艺的地方,IP不够全,因为需要自己造IP性能不够高,要通过优化设计提高性能。当然,我们还是需要在自主的工艺,在材料和设备上还是需要攻关。

 

基于自主IP、基于自主指令系统、基于自主的材料和设备这三个基于就是今天信息产业要形成国内大循环的痛点和堵点。

 

我们要解决这些问题、发展核心技术,我认为改革开放以来只有两条路线:一个是市场换技术。另一个是市场带技术,就是通过体制内市场引导带动技术进步,再参与体制外市场竞争。

 

今天我们发展CPU也存在两条路线。现在我们确实看到,因为中国要发展自主CPU已经成为国家战略,境外的主要CPU企业都是通过合资或者授权,境内也有很多企业觉得这个好,这条路当然也是对的。为什么呢?我们CPU需要融入业务生态,如果不和X86ARM兼容就没有软件可跑连一个浏览器都跑不起来,所以这条路有好几个企业在做。当然也有龙芯这样的企业,包括太湖之光,强调都是要自己做CPU、自己的指令系统,并且在应用中不断演进,强调要建自己的生态,我们叫做第三套生态体系,独立Wintel体系和AA体系的第三套生态体系。

 

时间是核心技术产业最重要的门槛,因为我们迭代和试错需要时间。三流产品全球能做,中国人民已经做透了,二流产品有钱加上手艺,需要人才才能做,我们正在大力发展,一流产品需要有钱、有手艺还要有长期积累才能做。

 

我们现在是第三轮迭代,上了三步台阶。整个十二五期间我们在很多重要设备,比如电力设备、轨道交通设备等等中应用,到了2015年,我们每年销售几万片CPU,从零开始。第二轮试错是2016年到2019年电子政务中应用,2019年每年CPU出货几十万片。第三轮试错是2020年到2022年,我认为三年就够,在金融、教育、电子政务中应用。2020年开始我们就上百万片,全面推广。

 

试什么错呢?一个是试性能,一个是试生态。在这个过程中技术平台和产业链不断完善,性能不断提高,应该说现在的龙芯CPU已经逼近市场主流产品的性能,及格了,几千家企业形成了产业链,一个新的产业生态正在形成。

 

我们自主CPU和国外先进水平主要差距在什么地方?当时我们重点做的是高性能的浮点峰值性能,计算机里用的是通用处理性能。比如当时Intel芯片是四核的时候我们做了八核,Intel当时的运算通路是128位,可以做两个64位的运算,当时我们就做256位,可以做四个64位的运算,通路比他们宽一倍,核数比他们多一倍Intel主频是3个多G,我们是1G,确实看起来峰值性能不错。但我们计算机用的是通用处理性能,那些上浮点运算的是专用处理性能。神威太湖之光做到世界第一,我们中国人都以此为自豪,但它不跑浏览器也不跑Office,通用处理性能需要平衡,计算、缓存的平衡。

 

我们知道2005年前后全球的市场从单核向多核发展,英特尔做四核我们做八核,其实核多是好办法,就是人多力量大。

 

我们的设计能力不行还是工艺不行?一说起CPU就经常说我们工艺不行,好像所有东西都怪到工艺上,比如Intel130纳米工艺,现在都是10纳米、7纳米,奔腾IV主频做到3.8G。我们2010年四核的龙芯主频是1G,如果把当时Intel市场主流产品降到1G我们的性能仍然只有他们的1/5。什么叫做1/5?跑相同的程序我的时间是他们的五倍。

 

所以从三个方面让我们看到,要提高通用处理性能、要提高单核性能,要通过设计能力的提高,而不是依靠工艺提高性能。我们决定练好内功,通过设计优化提高单核通用处理性能,不是把核弄得很多。经过这么多年的努力,我们终于完成了性能上的技术补课。屏幕上是IntelCPU性能提高图,绿色的部分是从1985年到2003年每年性能提高52%,确实一年就翻一番。2003年到2010年每年性能提升23%2010年到2015年每年性能提升12%2015年之后每年性能提高3%,确实Intel已经逼近天花板。经过多年的补课,我们到了灰色的部分,现在市场上Intel灰色的阶段的CPU其实还在用,我们只要再有一两年就可以达到红色的区间。

 

刚才讲的是CPU的性能,还有对CPU最重要的软件生态。说实话,CPU指令系统是绕不过去的话题。我们做CPU到底应该是兼容国外的指令系统还是我们自己做自主指令系统?各有各的道理,要是自己做的话没有可跑的软件,要是兼容的话又受制于人,总是很难的。龙芯CPU基于自主指令系统做自己生产,有没有办法一个自主指令系统既自主又兼容?我们2020年推出自主指令系统,我们领(悟)出了一个道理,指令系统是计算机系统里最基础的语言,就是软硬件界面和语言,就像英语和汉语这些自然语言一样。我们知道可以基于英文写文章挣钱,甚至拿诺贝尔奖都是可以的,我们可以用英文写小说发行赚钱,但中国人不可能基于英文构建出我们的民族文化,中华民族的文化唐诗、宋词、元曲、先秦散文肯定得构建在汉语上,所以如果信息产业只满足于做产品,那就可以和ARMX86兼容,但如果中国人立足要做自己的生态体系,再难也得做自己的指令系统。

 

刚才说过,指令系统要自己做就有一个兼容问题,经过多年的积累,我们想到了一个方法,就是充分考虑兼容需求的自主指令系统。我们从基础指令系统加上一些扩展,大概将近2000条指令,现在芯片也出来了。

 

还有微软操作系统的问题,其实操作系统有两种模式:一种是微软模式,一种是Android模式Android模式就是由一个企业提供基础操作系统,Google提供Android是免费的、开源的,把它做成产品操作系统。龙芯也提出了基础操作系统,包括操作系统企业、整机企业可以基于龙芯这样的基础操作系统做自己的产品,这个也走通了,涉及到浏览器、Java虚拟机等等核心模块都要掌握。

 

我们建党百年的时候龙芯也进入了新阶段,从Inside到了Outside,经过20年的发展,到了2021年自主CPU基本完成技术补课。百万片规模的应用验证了自主CPU的成熟度,CPU处理性能达到市场主流产品水平,操作系统成熟度接近Windows XP的程度。现在差的是产业链和生态,所以十四五期间我们要努力完成三个转变:从技术补课到生态建设者转变,从政策性市场向开放市场转变,从跟随性发展的必然王国到自主发展的自由王国转变。

 

这个事情不仅要撸起袖子加油干,还要耐着性子坚持干。我认为自主CPU发展需要三十年,现在我们已经发展了二十年,正在呈现出加速发展的态势。

 

有没有办法避免上述耗时的多轮试错?不用爬楼梯,一步就上?发展核心技术只有一步一个脚印地追赶,不能幻想弯道超车,在不断试错中改进是复杂系统创新的必要过程,好的体制机制和更多的经费可以加速试错迭代,但不能取代试错迭代。浮躁会让我们的产业发展走入误区,反而发展得更慢。两弹一星的先辈们和改革开放头三十年发展的主力军几亿农民工,靠的都是5+2、白加黑的追赶,我们今天也没有取巧的理由,因为有些表面上的直道我们以为是抄了近道,其实是更弯的弯道。

 

我们走市场带技术的道路,通过自主研发掌握CPU的核心技术,建立自主可控的信息技术体系,我们失去的只有锁链,得到的将是整个世界。如果我们还是走市场换技术的道路,通过引进国外的技术发展所谓的自主CPU产品只是将一副锁链,换成另外一副锁链。

 

作者/胡伟武  文字整理/王欣   来源/凤凰网科技

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