近日，龍芯中科宣布3A3000四核處理器芯片完成流片并通過系統(tǒng)測試。根據(jù)現(xiàn)有的測試結(jié)果，龍芯3A3000達到了預定的設計性能目標。其中，綜合計算性能方面，在1.5GHz主頻下，GCC編譯的SPEC CPU 2006定點和浮點單核分值分別超過11分和10分；訪存性能方面，Steam分值超過13GBps。 龍芯3A3000的流片成功，標志著我國自主研發(fā)的高性能微處理器芯片，可以超越目前引進的同類芯片性能。龍芯CPU首席科學家胡偉武撰文披露了龍芯3號開發(fā)的歷程。
龍芯3A3000芯片
2016年是紅軍長征勝利80周年，2016年研制成功的龍芯3A3000處理器即以CZ80命名，每顆芯片的硅片上都刻有CZ80字樣。
1936年10月，紅一、二、四方面軍經(jīng)過艱苦卓絕的努力，三大主力會師，開創(chuàng)了中國革命的新局面。它雄辯地表明，只要堅持理想，實事求是，中國共產(chǎn)黨完全有能力摧堅于正銳、挽瀾于極危，從重大挫折中走出來。
2016年10月，以長征勝利80周年命名為CZ80的龍芯3A3000處理器研制成功。它雄辯地表明，只要堅持自主研發(fā)，進行持續(xù)改進，自主研發(fā)的CPU性能完全可以超過引進技術的CPU，滿足自主信息化需求。
2016年10月7日，我懷著虔誠的心情走進毛主席紀念堂，向毛主席匯報龍芯3A3000的研制成功。步出毛主席紀念堂，我感慨萬千。當十年前我開始龍芯3號研制時，完全沒有想到龍芯3號系列CPU發(fā)展道路之曲折，奮斗之艱辛，付出之巨大。
2006年9月13日，以長征勝利70周年命名為CZ70的龍芯2E通過科技部組織的驗收，時任科技部部長徐冠華親自參加了龍芯2E的驗收會。龍芯2E的研制是“十五”末國家863計劃緊急安排的一個任務。當時“漢芯”造假事件被曝光，加上“十五”863計劃早期支持的龍芯2C沒有達到合同要求的SPEC CPU2000分值300分的目標，自主處理器研發(fā)受到普遍質(zhì)疑。2005年4月，科技部高新司領導把我叫到辦公室，問我到2005年年底前能不能完成863計劃“十五”初制定的主頻1GHz、SPEC CPU2000分值達到500分的目標。我說剩下不到一年時間，肯定來不及。他說根據(jù)有關規(guī)定，項目時間到期后三個月內(nèi)（即2006年3月底前）提出驗收申請就算按時完成。我硬著頭皮接了該任務，因為我知道如果“十五”的任務完不成，那“十一五”國家是不是還支持自主CPU研發(fā)就成問題。經(jīng)過艱苦的努力，龍芯2E在2005年11月底交付流片（把設計好的技術文件交給芯片生產(chǎn)廠家進行生產(chǎn)），2006年3月18日流片成功，達到了技術指標。雖然達到這些指標有些勉強（SPEC CPU2000分值達到500分是計算所的編譯組做了很多編譯優(yōu)化實現(xiàn)的，但SPEC CPU的測試是允許進行編譯優(yōu)化的），但畢竟完成了指標。龍芯2E的意義從徐冠華部長參加完驗收會后接受新聞聯(lián)播記者采訪時說的一句話可以看出：龍芯2E的成功表明，我國在“十五”期間安排的自主CPU研發(fā)是成功的。這也為“十一五”期間國家繼續(xù)支持自主CPU研發(fā)打下了基礎。
2005年深秋，利用龍芯2E流片后等待芯片回來的時間我?guī)е糠铸埿菊n題組的骨干在香山別墅討論龍芯3號的結(jié)構(gòu)方案。香山別墅和香山飯店一樣在香山公園內(nèi)，但比香山飯店便宜而且清靜。香山別墅三天討論的成果是基本明確了龍芯3號系列CPU的可伸縮互連結(jié)構(gòu)以及基于目錄的Cache一致性協(xié)議。龍芯3號的互連結(jié)構(gòu)中，每個結(jié)點四個處理器核通過交叉開關進行全相連，結(jié)點間（不論片上還是片間）通過可伸縮的mesh網(wǎng)絡相連；多核的Cache一致性采用基于目錄的一致性協(xié)議，目錄設置在片上共享的最后一級Cache（LLC）上。上述結(jié)構(gòu)有別于當時主流的環(huán)狀多核互連以及基于偵聽的Cache一致性協(xié)議。現(xiàn)在看來，該結(jié)構(gòu)是成功的，目前商用主流處理器隨著核數(shù)的增加也越來越多采用可伸縮的互連結(jié)構(gòu)以及基于目錄的Cache一致性協(xié)議。
在香山別墅的討論中還明確了龍芯3號片內(nèi)集成內(nèi)存控制器以及HyperTransport（簡稱HT）接口。HT是AMD主推的系統(tǒng)總線接口。當時計算所高性能中心與AMD合作緊密，希望我們使用HT接口。此外HT接口比較開放，只要每年交5000美元就可以用于商業(yè)應用，但AMD開放的HT接口不支持多片互連的Cache一致性協(xié)議，我們自己進行了擴充。曾經(jīng)有一段時間，我后悔選擇了HT總線，覺得HT總線不如PCIE總線普及，一是HT總線沒有現(xiàn)成的PHY（片內(nèi)高速接口模塊）可以買到，每次工藝升級都需要定制HT的PHY，而PCIE的PHY有很多；二是PCIE接口的外圍器件很多，而HT接口的橋片只有AMD有。但現(xiàn)在覺得選用HT是對的。HT是系統(tǒng)總線，協(xié)議簡單高效，相當于Intel的QPI系統(tǒng)總線，而PCIE是IO總線，通過HT總線可以方便地把多片龍芯3號直連起來形成多路服務器。雖然每次工藝升級都要定制HT PHY，但可以使龍芯CPU不依賴別人的IP，自主性強。龍芯3號所有CPU中，沒有一款CPU需要到廠家merge第三方IP。尤其是龍芯3A2000和3A3000，除了廠家提供的標準單元庫、單/雙端口RAM以及低速IO單元，每一行代碼（包括CPU核、內(nèi)存控制器、HT控制器、互連網(wǎng)絡等）以及每一個定制模塊（包括多端口寄存器堆、鎖相環(huán)、HT PHY、DDR2/3 PHY等）都自主設計。至于外圍橋片，龍芯已經(jīng)開始研制并提供外圍橋片，橋片上支持足夠多的PCIE接口。以后不論AMD是否繼續(xù)發(fā)展HT接口，龍芯都能自成體系往前走了。
香山別墅會議的另外一個成果是明確了龍芯抗輻照CPU的發(fā)展。有一天晚上8點左右，我們正在會議室熱烈地討論龍芯3號的結(jié)構(gòu)，當時在計算所科研處工作的夏洪流和傅信國給我打電話說是要來跟我談一個項目的事。他們到香山別墅已是晚上9點多，我們就坐在香山別墅的走廊盡頭談，他們說科學院有一個抗輻照CPU的預研項目，希望龍芯課題組來承擔。我剛開始不愿意做，結(jié)果他們好說歹說地讓我勉強答應了，當時的一個理由是領導每年對他們爭取的項目經(jīng)費有要求，我如果不做這個抗輻照CPU項目，他們的任務就完不成了，我頭腦一熱就答應了?，F(xiàn)在龍芯抗輻照CPU已經(jīng)隨著以北斗為代表的多顆衛(wèi)星在天空翱翔，每年還為龍芯公司帶來較可觀的收入，成為龍芯公司的戰(zhàn)略產(chǎn)品并開始走向系列化。真是非常感謝夏洪流和傅信國那天晚上的苦口婆心。
在龍芯3號結(jié)構(gòu)基本確定后就展開了龍芯3號CPU的研發(fā)。但當時“十五”863課題結(jié)束了，“十一五”“核高基”（即“核心電子器件、高端通用芯片和基礎軟件產(chǎn)品”重大專項）課題遲遲啟動不了。為此，科學院對龍芯3號的研制給了500萬元的前期經(jīng)費支持（執(zhí)行期限2007年1月到2007年12月）。科技部高新司馮記春司長得知龍芯3號的第一款芯片龍芯3A1000已經(jīng)基本完成設計，但缺少流片費時，在863計劃內(nèi)緊急安排了2000萬的經(jīng)費支持龍芯3號的研制（執(zhí)行期限2008年1月到2010年12月）。原計算所所長李國杰院士曾經(jīng)在計算所中層干部會上當眾點我的名說，“胡偉武，你不能以任何經(jīng)費的理由放緩龍芯3號的研制，計算所就是砸鍋賣鐵也要支持龍芯的研發(fā)”，并在所內(nèi)設立了一個經(jīng)費沒有封頂?shù)恼n題，到2010年龍芯第一筆“核高基”課題經(jīng)費到賬時，龍芯課題組已經(jīng)預支了計算所七、八千萬元經(jīng)費。
在龍芯3號研制過程中，作為中法兩國在IT領域戰(zhàn)略合作的一部分，科技部安排龍芯CPU在意法半導體流片。2006年10月26日，在胡錦濤總書記和希拉克總統(tǒng)共同見證下，中國科學院與意法半導體在人民大會堂簽署了關于龍芯CPU戰(zhàn)略合作的文件?；邶埿?E的成功，意法半導體還花三百多萬美元授權費購買了龍芯2號系列產(chǎn)品的授權，其中龍芯的第一個產(chǎn)品芯片龍芯2F于2007年7月31日流片成功，目前仍在大量應用中。后來意法半導體由于自身業(yè)務的原因終止了購買龍芯2號系列的產(chǎn)品授權，計算所收回了龍芯2號的產(chǎn)品權利并同意不再收取剩余的三分之一左右授權費，但我們從龍芯2F的研制中學會了意法半導體的芯片質(zhì)量管理，學會如何把一個樣品變成產(chǎn)品。龍芯CPU在意法半導體的流片一直延續(xù)了下來，龍芯3A1000即使用意法半導體的65nm工藝流片。
不記得經(jīng)歷了多少加班加點，龍芯3A1000于2008年底交付流片。只記得流片前的幾個月每天晚上十點開例會安排工作。晚上十點例會是非常高效的一種工作方法，會后大家把有關設計在EDA服務器上跑起來再回家，第二天早上上班時剛好跑出結(jié)果來；如果是早上上班后開始在EDA服務器上跑，基本上大半天就在等待服務器運行出結(jié)果中度過。在此后龍芯CPU問題的攻關中，一直沿襲了晚上例會安排工作的方法。
2009年5月20日龍芯3A1000晶圓生產(chǎn)下線，9月28日樣片回來，成功啟動操作系統(tǒng)，主頻800MHz-1GHz。這是龍芯CPU第一次啟動多核操作系統(tǒng)，免不了調(diào)一通。印象最深刻的是10月2日晚上熬了個通宵，一起的有王劍等人，剛開始是挨個核跑單核操作系統(tǒng)，把每個核都跑一遍，再把多核操作系統(tǒng)搞穩(wěn)定，一直到第二天早上才弄完。
中國科學技術大學的陳國良院士曾經(jīng)在2007年用三百多顆龍芯2F搭建了峰值性能達到1TetaFLOPS的高性能計算機KD50。在龍芯3A1000出來以后又用80顆龍芯3A1000搭建了KD60高性能計算機。在KD60運行LINPACK過程中，總是出現(xiàn)偶發(fā)性錯誤。這個錯誤如果單個芯片跑一個月也碰不上一次，只有像KD60這樣80多片一起跑才會一天碰到一次。有三個多月的時間，我們一直進行各種嘗試，試圖定位該錯誤并明確其機理。現(xiàn)在只記得2010年春節(jié)的大年三十晚上還在跟當時負責軟件的高翔商量進行各種嘗試，縮小搜索范圍。一直到春節(jié)后才定位了這個錯誤，錯誤的原因是當訪問Cache失效，從內(nèi)存回填（Refill）數(shù)據(jù)時，同時回填一級和二級Cache，通常為了提高性能，這是應該的。但在某種極端情況下出現(xiàn)了錯誤，即二級Cache的回填由于二級Cache忙需要等待，而處理器核得到一級Cache回填數(shù)據(jù)后繼續(xù)運行，該數(shù)據(jù)被修改后再從一級Cache中替換出來寫回二級Cache，替換回來的新數(shù)據(jù)寫到二級Cache后，從內(nèi)存回來的老數(shù)據(jù)再回填二級Cache把新數(shù)據(jù)沖掉了，從而引起錯誤。這個問題以及其它的小問題導致龍芯3A1000進行了第一次改版并于2010年5月中旬流片，10月底第一次改版流片成功，然后開始了小批量生產(chǎn)。
龍芯3A1000在2012年又進行了第二次改版。第二次改版主要是雙路直連時在特定訪問序列下導致兩片間的互連網(wǎng)絡死鎖。大致機理是HT協(xié)議的虛通道只有三個，分別是POST、NONPOST、RESPONSE，而龍芯的片上網(wǎng)絡協(xié)議AXI有五個實通道，分別是讀請求、寫請求、寫數(shù)據(jù)、讀響應、寫響應。于是在通過HT傳輸Cache一致性協(xié)議時，就將寫請求與寫數(shù)據(jù)合并一個通道，讀響應與寫響應合并一個通道傳輸。Cache一致性協(xié)議要求寫響應不能被堵，而讀響應通道發(fā)出的二級Cache給一級Cache的一致性請求有時會因為一級Cache處理不過來而被堵住，這時就會順帶堵死寫響應通道，導致死鎖。當時解決的辦法是在HT原有三個虛通道的基礎上增加了第四個虛通道并且允許寫命令與寫數(shù)據(jù)之間插入寫響應包。3A1000的第二次改版還解決了HT互連時一個異步握手的問題。3A1000的第二次改版于2012年2月下旬流片，2012年8月中旬流片成功。至此龍芯3A1000就很穩(wěn)定了,至今還是龍芯銷售的一款重要芯片，尤其是在工控領域。
現(xiàn)在回頭看，龍芯3A1000的研制是成功的。3A1000是我國第一個四核CPU芯片。在3A1000的研制過程中，我們掌握了多核CPU的片內(nèi)互連及Cache一致性技術，以及片間多路互連技術。直到今日，龍芯仍然是唯一能支持多路服務器的自主CPU。在最近國外CPU企業(yè)對中國企業(yè)的CPU技術授權中，支持多路服務器的技術受美國政府限制還是不能給中國的。龍芯3A1000的處理器核沿襲了龍芯2E和龍芯2F的處理器核結(jié)構(gòu)，雖然在MIPS64兼容性方面有較大改進，性能只進行了局部優(yōu)化。龍芯3A1000處理器核的性能略高于Pentium III的水平，在2006年龍芯2E剛出來時這個性能還說得過去。龍芯3A1000仍沿用該處理器核有點慢了，但在應用比較固定的很多領域還能用，按理說龍芯的下一款CPU應該致力于處理器核的性能優(yōu)化，大幅度提高通用處理性能，但在學院派的思想主導下，隨后的龍芯3B走了彎路，使龍芯遭受了挫折。
龍芯3B的研發(fā)得到“核高基”重大專項的支持，是在龍芯團隊轉(zhuǎn)型成立公司（龍芯中科技術有限公司）以及有關部門大力展開自主基礎軟硬件應用試點的背景下展開研制的。2010年把龍芯課題組轉(zhuǎn)型成立公司是下了很大決心的，當時已認識到不能腳踩兩只船，辦企業(yè)和做研究不一樣，即使嘔心瀝血，也是九死一生，因此一定要專心，要求絕大多數(shù)技術骨干都從計算所辭職。像張戈25歲就已經(jīng)是副高職稱，是學術上很有前途的苗子，也毅然從計算所辭職。下這么大決心，與我當時擔任全國人大代表，對中央以企業(yè)作為創(chuàng)新主體，科技創(chuàng)新要為經(jīng)濟社會發(fā)展服務的精神非常了解有很大關系。尤其是在“十七大”報告中，傳統(tǒng)的“科教文衛(wèi)”不再單獨作為一個板塊，科技創(chuàng)新直接在經(jīng)濟發(fā)展的第一部分來描述，對我觸動很大。龍芯公司的成立得到很多領導專家的支持。除了李國杰所長的大力支持外，路甬祥院長專門批示，要求科學院有關部門落實龍芯團隊的股權激勵。原國家外專局局長馬俊如從2006年起就曾多次對我說，龍芯在科學院里面已經(jīng)做得很好了，不能再好了，要想更好，就必須下海辦企業(yè)；在成立企業(yè)后馬局長又給了我很多指導。工信部的電子司司長丁文武也給了我很多鼓勵。
龍芯3B的研發(fā)工作在2008年底龍芯3A交付流片后開始全面展開。首款龍芯3B1000繼續(xù)基于65nm工藝，目標主頻800MHz-1GHz，八核結(jié)構(gòu)，每個核包含兩個256位向量部件，峰值浮點性能達到128GFLOPS，這在當時處于世界領先行列。龍芯3B1000于2010年6月20日左右流片，2010年11月底回來第一批芯片。但第一批芯片回來測試并不順利，連操作系統(tǒng)都啟動不了。很快就找到了原因：由于芯片可測性設計部分的邏輯設計錯誤，在功能模式下誤把內(nèi)存引腳置為測試狀態(tài)，導致芯片訪問不了內(nèi)存，通過FIB（用離子束改變硅片上的連線）修復后功能正常。
這是一個重大的打擊，龍芯歷史上從來沒有犯過這樣簡單的錯誤，而且在同一時期流片的龍芯1A、龍芯2I等芯片也出現(xiàn)了由于簡單工作失誤引起的錯誤。究其原因，是龍芯團隊在2010年初從課題組管理機制轉(zhuǎn)向公司管理機制的過程中，原來“作坊式”的設計流程被打破了，“工業(yè)化”的設計流程沒有建立起來。在課題組階段，我作為課題組長，每顆芯片從結(jié)構(gòu)設計、邏輯設計、功能驗證、可測性設計、定制設計、物理設計各個環(huán)節(jié)從頭盯到尾，及時協(xié)調(diào)各組的配合，關注每一個細節(jié)，因此沒有出現(xiàn)管理上的錯誤。而在3B1000的研制過程中，龍芯課題組轉(zhuǎn)型成立了龍芯公司，我的主要精力轉(zhuǎn)向公司，芯片研發(fā)的總協(xié)調(diào)人缺位，導致頻頻失誤。痛定思痛，從此我著手芯片研制的質(zhì)量體系建設，建立了“五步法”（立項、方案、簽核、測試、結(jié)項）研制過程，并詳細規(guī)定了每個階段的研發(fā)和審核內(nèi)容。在此后龍芯公司進行的幾十次流片中，沒有出現(xiàn)過嚴重的質(zhì)量問題，而且比我作為課題組長天天盯著效率高很多。
龍芯3B1000首款流片不成功促使我們馬上進行改版，好在只要改一層金屬，時間和費用上都比較省。3B1000的第一次改版2011年2月初流片，7月初回來，調(diào)試比較順利。但在壓力測試時又出現(xiàn)死機現(xiàn)象，經(jīng)過幾個月的攻關發(fā)現(xiàn)又是死鎖問題。大致機理是一個處理器核訪問其它結(jié)點的內(nèi)存時，寫地址和寫數(shù)據(jù)是分開發(fā)出的，結(jié)果在另外一個結(jié)點的處理器核也過來訪問內(nèi)存，而且同時有幾十個這樣的互相訪問時，寫地址過去了但寫數(shù)據(jù)互相堵住，導致死鎖。避免死鎖的辦法是要求寫地址和寫數(shù)據(jù)保持原子性，即必須一起發(fā)出和傳輸。為此龍芯3B1000進行了第二次改版，于2011年12月初流片，2012年4月底回來。從此達到穩(wěn)定狀態(tài)。
在掌握65nm工藝的基礎上，我們于2009年11月開始評估32/28nm工藝，并準備把它作為龍芯CPU的下一個工藝結(jié)點。2010年12月選定意法半導體與三星合作的32nm工藝并開始八核3B1500的設計。3B1500基于3B1000的設計，主要通過工藝升級提高性能，同時做了局部的性能優(yōu)化，尤其是在處理器核中增加了私有二級Cache。2012年1月中旬完成3B1500的設計并交付流片。2012年8月底拿到樣片，初步測試正常，頻率從3B1000的900MHz提高到1.25GHz（最高可達1.5GHz）。在經(jīng)過測試后對該芯片進行了萬片規(guī)模的小批量生產(chǎn)。在應用驗證過程中，出現(xiàn)了在很大的應用壓力下個別芯片不穩(wěn)定現(xiàn)象。剛開始覺得是個體問題，后來出現(xiàn)的次數(shù)多了，開始于2013年1月31日組織人員攻關定位問題，查找機理。也是每天晚上召開例會討論，安排各種嘗試，在這個過程中發(fā)現(xiàn)了幾個軟硬件磨合的問題并通過軟件調(diào)整后，出問題的概率小了很多，但問題如幽靈般還在。直到2013年4月12日，才抓到了該問題。這個問題是從3B1000到3B1500改版過程中引進的，為了提高性能，處理器核收到多個維護Cache一致性的無效請求時，原來每兩拍才能處理一個，改成可以連續(xù)處理，導致清除LL/SC同步指令的同步位llbit時錯了一拍，誤把IO DMA引起的Cache無效請求當作0號處理器核的Cache無效請求（IO DMA的編號剛好為0，與0號處理器核區(qū)分不開），通過軟件調(diào)整可以規(guī)避此問題。經(jīng)過批量測試，原不穩(wěn)定現(xiàn)象消失。
為了從根本上消除該問題和其它一些小問題，我們對3B1500進行改版。改版時根據(jù)生產(chǎn)廠家的建議，工藝從32nm遷移到28nm，于2013年4月底流片，10月底收到樣片，功能正常，但成品率極低，與廠家確認后明確是廠家生產(chǎn)問題。廠家又建議我們恢復到32nm工藝流片，并以某種方式補償此次流片費用，于是又再次改版，于2015年1月底流片，2015年6月下旬收到樣片，測試后功能正常，而且成品率正常，目前已經(jīng)量產(chǎn)。
龍芯3B的研制過程真是一波三折。出現(xiàn)過龍芯從課題組向公司轉(zhuǎn)型過程中的管理問題，生產(chǎn)廠家引起的問題，多核互相訪問引起的死鎖問題，處理器核Cache一致性引起的問題。在解決了一個個問題后總算取得了成功。
但龍芯3B的主要問題不在研制過程中，而是剛開始定方向就出了很大偏差。主要問題在于雖然龍芯團隊從課題組轉(zhuǎn)型成為了公司，但龍芯3B的研發(fā)還保持著學院派導向，過度追求多核以及浮點峰值性能的單一指標，通用處理性能不足，滿足不了在“十一五”期間展開的自主CPU應用和試點對性能的要求。
龍芯3B在學術上是成功的，3B1500峰值浮點運算速度達到160GFLOPS，現(xiàn)在拿出來也不丟人，當時在國際上算高的。論文分別被國際頂級會議Hotchips和ISSCC錄用，龍芯3B的報告引起了很大反響，美國IT Times對此專門進行了報道，MIT也發(fā)表評論，認為龍芯3B的浮點性能超過了同期的Intel處理器。但3B1500的通用處理能力比3A1000提高得不多，通過每個處理器核增加128KB的私有二級Cache以及主頻及內(nèi)存頻率的提高，3B1500的單核通用處理性能比3A1000提高了30%-50%，但與國外主流產(chǎn)品的性能差距還很大。
SPEC CPU是一組國際上公認的測試通用處理器性能的測試程序。2006年SPEC CPU2006剛出來時，廠家公布的SUN的blade服務器單核性能為2-4分左右，高端Pentium IV的分值是10來分。2006-2013年是國外主流處理器通用處理性能高速增長期，在主頻不怎么提高的基礎上，通過微結(jié)構(gòu)優(yōu)化，廠家公布的SPEC CPU2006單核分值提高到50分左右，平均提高了5倍以上。當然廠家公布的分值都是經(jīng)過精雕細刻編譯優(yōu)化（包括使用向量和多核加速）的，一般我們使用gcc編譯出來的單核分值需要把這些廠家自己公布的分值打7折左右，大致是20-40分。2013年以后，國際單核性能的提高趨緩，每代提升5%就不錯，已經(jīng)到了天花板。SPEC CPU先后發(fā)展了1989、1992、1995、2000、2006五個版本，開始時每三年更新一版，后來五、六年更新一版，到2006年后就沒有更新。從中也可以看出，CPU的通用處理性能到2010年前后已經(jīng)到了天花板，運行SPEC CPU2006的時間就夠長了。
“十一五”期間，多核CPU成為國際學術界的熱點研究方向。因此，學院派思想主導的國內(nèi)CPU在“十一五”期間都放松了單核性能的提高，而是轉(zhuǎn)做多核，而且核數(shù)做得比國外還多。2006年研制成功的龍芯2E的通用處理性能與市場上主流X86處理器差1-2倍（與龍芯2E微結(jié)構(gòu)相同的龍芯3A1000在900MHz時SPEC CPU2006單核分值為定點2.4分，浮點2.3分），但龍芯CPU的單核性能從2006年的龍芯2E到2013年的龍芯3B1500只提高了50%左右；而在此期間市場主流X86處理器的單核通用處理性能提高了5倍以上。也就是說，“十一五”期間我國CPU通用處理性能被國外大幅度拉開了距離，從相差1-2倍到相差一個數(shù)量級。
技術上的差距體現(xiàn)在市場上就是不好用?！笆晃濉逼陂g，國家有關部門在涉及國家安全的領域開始了自主CPU應用試點，大量的應用往基于自主CPU和操作系統(tǒng)的計算機上移植。在2011-2013年的三年中，以嵌入式計算機為代表的裝備類應用取得了不少成功；而以通用PC和服務器為代表的信息化類應用雖然通過基礎軟硬件的磨合優(yōu)化取得了較大進展，但由于自主CPU的性能基礎與國外產(chǎn)品有數(shù)量級差距，在很多應用中遭遇性能瓶頸。
由于自主CPU的通用處理性能不夠，2013年起，“核高基”基本上放棄了CPU自主研發(fā)路線，轉(zhuǎn)而支持引進國外CPU技術的路線。以IBM、AMD、威盛、ARM為代表的國外/境外CPU趁虛而入，紛紛尋求與國內(nèi)企業(yè)合資或開放技術授權的方式，把原來的產(chǎn)品搖身一變成為自主CPU（操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫也有類似情況）。這使得主要靠國家支持進行研發(fā)的龍芯CPU陷入了巨大困境。
雖然當時對“核高基”支持引進CPU不滿，但究其原因，還是我們自己在“十一五”“核高基”支持的龍芯3B上沒有擺脫學院派的慣性，走了彎路，滿足不了當時迫切的自主信息化市場需求。問題還是出在我們自己身上?！笆濉逼陂g負責863計劃的科技部高新司領導在龍芯2C沒有達到預期技術指標，龍芯2E立項專家提出19條反對意見的情況下作為非共識項目支持龍芯2E的研發(fā)，給了我們一次改進的機會。而這次，機會沒有了，需要我們自己想辦法。
痛定思痛，知恥后勇。2013年5月，龍芯公司結(jié)合市場需求對CPU的研發(fā)路線進行了認真調(diào)整。一是龍芯3號系列多核CPU不追求核的個數(shù)而是大幅度提高單核性能，放棄高性能機專用CPU的研制，暫停16核處理器研制，重點把雙核、四核處理器做精做透。二是龍芯2號系列SOC芯片不追求“大而全”的復雜度，而是重視結(jié)合用戶需求定義芯片，以及SOC片內(nèi)互連的通暢性。三是龍芯1號系列結(jié)合特定應用，如宇航、石油、流量表等研制專用芯片，專用芯片產(chǎn)業(yè)鏈短，容易形成技術優(yōu)勢并快速形成銷售（如面向宇航應用的龍芯1E和1F已經(jīng)為龍芯公司帶來持續(xù)穩(wěn)定的銷售收入）。種瓜得瓜、種豆得豆。從2014年下半年開始，龍芯研發(fā)和市場結(jié)合的作用開始顯現(xiàn)，2014年龍芯公司銷售收入比2013年增長51%；2015年在2014年基礎上再增長57%，為龍芯公司的可持續(xù)發(fā)展奠定了良好的基礎。龍芯公司逐漸擺脫國家項目的支持，能夠主要通過市場銷售養(yǎng)活團隊和產(chǎn)品研發(fā)。
龍芯3A2000芯片
基于上述對龍芯CPU研發(fā)路線的調(diào)整，2013年5月，我們暫停了已經(jīng)完成主要設計的16核龍芯3C處理器流片，開始四核3A2000處理器的研發(fā)。核多了沒有用，單核必須要強。就像體育比賽，靠人多取勝的只有拔河（相當于計算機中的高性能計算機），絕大多數(shù)項目要靠運動員個人素質(zhì)。3A2000主要目標就是大幅度提高單核性能，使單核通用處理器性能提高3倍以上。當時龍芯公司承擔了基于某境內(nèi)40nm LL工藝的高可靠嵌入式CPU研制項目，雖然工藝性能不高，甚至比我們原來用的65nm GP工藝還慢30%，但至少流片的錢有地方出了，我們就基于該工藝研制3A2000。當時還有一個重要決定就是保持3A2000與3A1000的引腳兼容，這樣龍芯客戶中基于3A1000研制的已有上百種板卡解決方案可以直接通過換焊3A2000來提高性能?；诰硟?nèi)工藝、通過微結(jié)構(gòu)優(yōu)化大幅提升性能以及與3A1000引腳兼容說明3A2000開始擺脫了學院派慣性，走出結(jié)合用戶需求研發(fā)CPU的關鍵一步。
2013年初，在龍芯最困難的時候，中科院計算所孫凝暉所長在所里資金本身就很困難的情況下，拿出500萬元支持龍芯3A2000處理器核GS464E的前期研發(fā)。雖然與研制3A2000所需要的上億元經(jīng)費相比，500萬顯得很少，但在龍芯最困難的時候得到來自龍芯“娘家”計算所的支持，覺得非常溫暖。
事實上2012年初龍芯公司在香山飯店召開年度規(guī)劃會時就決定對GS464處理器核（龍芯2F、2H、3A1000、3B1000、3B1500等都基于GS464微結(jié)構(gòu)）進行優(yōu)化，形成新一代龍芯微結(jié)構(gòu)GS464E。GS464處理器核一直是我自己維護，其中有一半左右代碼（包括流水線控制部分如寄存器重命名、亂序發(fā)射隊列、寄存器堆控制、重排序緩存，以及訪存部分如地址運算、一級數(shù)據(jù)Cache、TLB、訪存失效隊列、最后一級共享Cache）是我自己寫的，2012年上半年我在機房中花了整整兩周時間為GS464升級為GS464E打好必要的基礎（我當時說要把馬的架子變成駱駝的架子，先要把一個訪存部件升級為兩個訪存部件）后，把維護和升級處理器核的任務移交給汪文祥和吳瑞陽。這很可能是我最后一次有機會寫龍芯CPU的代碼了?，F(xiàn)在回憶起來，能夠在機房中心無旁騖地寫代碼真是莫大的幸福，有無比的成就感，但我不能讓自己成為龍芯CPU發(fā)展的瓶頸。而且經(jīng)過多年實踐的鍛煉，龍芯的年輕人已經(jīng)充分地成長起來了。龍芯3A1000、3B1000和3B1500都是我自己當技術負責人，3A2000開始由年輕人擔任芯片的技術負責人，3A2000的技術負責人是王煥東，3A3000的技術負責人是楊梁。承擔國家項目也主要由年輕人作為項目負責人。
GS464E對GS464的改造是全方位的。在指令系統(tǒng)方面，我們在MIPS64 R3的基礎上進行了擴展（MIPS指令系統(tǒng)的授權允許用戶進行擴展）并形成龍芯指令系統(tǒng)LoongISA，除增加一些基礎指令外，還有支持云計算的虛擬化擴展，以及加速X86和ARM二進制翻譯的擴展。在微結(jié)構(gòu)方面，除了前述的把訪存功能部件從一個增加到兩個外，還把Cache行大小從256位增加到512位，最后一級Cache從四路組相聯(lián)提高到16路組相聯(lián)，增加了多個層次的預取，把重排序緩存ROB從64項增加到128項，重命名寄存器個數(shù)從64個增加到128個，亂序發(fā)射隊列由原來的定點和浮點各16項增加到定點16項（3A3000增加到32項）、浮點24項（3A3000增加到32項）、訪存32項，重新構(gòu)建了整個轉(zhuǎn)移猜測模塊。此外，用大量的測試程序?qū)ξ⒔Y(jié)構(gòu)進行了細節(jié)的磨合，局部優(yōu)化達到三十多處。3A2000的多核互連模塊和內(nèi)存控制器也進行了性能優(yōu)化。尤其是內(nèi)存控制器的優(yōu)化，可以大幅度提高訪存頻率和效率。2014年7月，RTL代碼凍結(jié)。
3A2000除了使用流片廠家提供的標準單元庫、Memory Compiler生成的RAM、低速IO單元以及efuse單元以外，包括鎖相環(huán)、HT PHY、DDR2/3 PHY、多端口寄存器堆、CAM、溫度傳感器等宏單元都是我們自己定制的，沒有使用任何第三方的宏單元模塊。因此，全定制工作量也不小。
3A2000的物理設計采取了很多優(yōu)化措施，初步建立起一套在主流EDA工具基礎上的In-House的流程和工具，包括統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫支撐的設計平臺，基于觸發(fā)器聚類的定制時鐘設計，深度層次化設計等。這套In-House的流程和工具比純粹依賴EDA工具的單元級設計流程提升性能20%左右。
2014年11月初，3A2000交付流片。這次流片共有龍芯的三款芯片一起拼了個全掩膜。由于流片前的功能驗證非常充分，尤其是在3A2000驗證過程中，王朋宇負責的驗證組完善了龍芯指令級隨機驗證環(huán)境，從原來只覆蓋用戶態(tài)指令到覆蓋核心態(tài)指令以及例外處理，大大提高了3A2000的功能驗證覆蓋率。物理設計和檢查也精雕細刻，我們對3A2000流片成功很有信心。
經(jīng)過幾個月的焦急等待，2015年4月10日晚飯后，終于拿到了3A2000的盲封樣片，連夜進行調(diào)試，到第二天早上三點多成功運行操作系統(tǒng)。隨后的測試一切順利：在運行了包括SPEC CPU2000、SPEC CPU2006、Unixbench等大型程序后，功能未見異常；主頻可以達到1GHz；SPEC CPU2006單核分值達到6-7分，是3A1000的3倍左右，尤其是以STREAM測試表征的訪存帶寬大幅度從3A1000的不到1GB/s上升到10GB/s，與市場主流處理器基本持平。在基于龍芯3A2000的桌面終端上進行各種辦公應用，覺得流暢多了。有部分芯片在較高電壓下運行不穩(wěn)定，當時并沒有引起重視。
2015年5月，經(jīng)過ATE測試臺成測的一批芯片回來測試，發(fā)現(xiàn)功能測試結(jié)果與ATE測試臺測試結(jié)果不一致，即部分芯片通過ATE測試后功能還是不正常，這是3A2000完成產(chǎn)品化的嚴重障礙（即通過測試后提供給客戶的芯片中有一部分可能是壞的）。通過調(diào)整ATE向量，ATE測試與功能測試的一致性增強，但還有部分芯片不完全一致，總體感覺N管偏快的工藝穩(wěn)定性明顯增強。為了更好地分析原因，6月初請廠家把第一次流片中6個hold的晶圓調(diào)整工藝角開始生產(chǎn)。
經(jīng)過繼續(xù)深入的分析，發(fā)現(xiàn)兩個明顯現(xiàn)象：一是N管偏快的芯片穩(wěn)定性好很多，ATE測試和功能測試比較一致；二是通過改善主板電源穩(wěn)定性，有利于芯片穩(wěn)定。雖然機理不是很清楚，但在當時巨大的市場壓力下（采用引進技術的CPU到處攻擊龍芯性能不行，要求有關自主化應用放棄龍芯，使用引進技術的CPU），決定結(jié)合已有的現(xiàn)象進行改版流片，一是更換定制的電容更大的DECAP替換廠家提供的DECAP以抑制動態(tài)壓降（定制的DECAP電容比廠家提供的DECAP電容提高一個數(shù)量級），這會帶來抗ESD能力下降的風險，但我們經(jīng)過分析覺得風險不大（事后流片回來進行了ESD實驗，抗2000V人體模型沒問題）；二是根據(jù)負責全定制工作的鐘石強的建議調(diào)整了定制寄存器堆的字線和位線配合時序（增加了20ps左右的裕量），因為仿真發(fā)現(xiàn)N管偏快有利于定制的寄存器堆字線和位線時序配合，與實驗現(xiàn)象符合。3A2000的第一次改版只改了6層掩膜板，于9月初完成改版設計并交付流片。
2015年11月初，6個調(diào)整工藝角的芯片回來，經(jīng)過大量的ATE測試和功能測試，確定寄存器堆是部分芯片功能不穩(wěn)定的主要原因。ATE測試發(fā)現(xiàn)不同工藝角芯片的寄存器堆MBIST測試在1.30V到1.50V的不同電壓下出錯，功能測試出錯電壓則比寄存器堆低100-150mV，有較強的一致性，但機理仍不清楚。
2016年1月11日下午下班前，我跟范寶峽、蘇孟豪在討論蘇孟豪通過JTAG通路（這是預留的除了正常的ATE測試外的另外一條測試通路）以Scan Collar方式測試寄存器堆沒有發(fā)現(xiàn)錯誤的問題，并了解到楊旭審查版圖發(fā)現(xiàn)寫端口的位線的延遲在其它端口寫相反值及讀端口旁路讀時是最差情況，我馬上叫蘇孟豪用最差情況向量通過JTAG端口進行測試，很快就復現(xiàn)了寄存器堆出錯的問題并經(jīng)過進一步分析搞清楚了寄存器堆寫出錯的機理：在寄存器堆寫端口寫入過程中，要求位線比字線先到，字線與位線之間保持必要的延遲差才能保證寫入的正確性，但在位線負載大時（其它寫端口寫相反值及其它讀端口讀旁路）位線延遲變大，字位線延遲差太小，導致寫寄存器堆出錯。提高電壓會進一步減少字線與位線的延遲差，因此更容易出錯。
真是柳暗花明，困擾我們大半年的3A2000產(chǎn)品化問題終于搞清楚了，尤其是這說明我們在2015年9月份在機理不清楚情況下的改版是正確的。而且這個測試向量提供了一種在已有芯片中把不穩(wěn)定的芯片篩選掉的辦法，這是龍芯3A2000產(chǎn)品化過程邁出的重大一步。
2016年2月8日是春節(jié)，3A2000第一次改版的芯片在2月4日完成封裝，為了在春節(jié)前完成3A2000第一次改版芯片測試，孫凱軍專門到封裝廠等待封裝好的芯片，拿到芯片時已經(jīng)是下午6點多，直飛北京的飛機已經(jīng)沒了，半夜到上海倒了一次飛機，5日上午到北京，馬上安排測試，確實寄存器堆的問題大大緩解了，穩(wěn)定性大幅度提高。春節(jié)上班后我們又組織攻關解決了一個軟硬件磨合的問題，到2016年2月22日，完成3A2000的初步產(chǎn)品化工作，開始對外銷售芯片（原來一直只能以樣片方式贈送給客戶試用）。
2016年3月中旬，3A2000進行再次改版，這次改版是全掩膜改版（原來是三個芯片拼了個全掩膜），除了進一步增加寄存器堆字線和位線的延遲差以外，還修改了其它幾個小問題。2016年7月下旬，芯片回來后經(jīng)測試，原來的定制模塊問題不復存在，芯片功能正常，而且ATE測試與功能測試一致性好。目前3A2000已經(jīng)進入量產(chǎn)階段，其中經(jīng)過測試支持通過直連形成多路服務器的芯片成為3B2000。
在隨后的應用推廣中，3A2000與3A1000保持引腳兼容以及軟件兼容體現(xiàn)出巨大優(yōu)越性，很多客戶直接在原來3A1000的主板上換焊3A2000芯片，只需通過簡單的BIOS和內(nèi)核調(diào)整，就可以大幅度提升性能。龍芯的整機廠家迅速升級了部分原來基于龍芯3A1000的計算機并進行了應用試點。在2016年6月進行的某辦公應用試點驗收會上，有關部門和專家認為，基于3A2000的計算機使自主化辦公應用從“基本可用/可用”提高到“基本好用/好用”。
龍芯3A3000是在2015年5月臨時安排研制的。2015年5月初，我去常熟跟龍芯夢蘭公司的張福新、吳少剛等人討論3A2000整機解決方案的研發(fā)。大家對3A2000大幅度提升性能都很高興，大大增強了信心。同時張福新他們提出，由于我們使用境內(nèi)的40nm低速工藝，而引進ARM和威盛的CPU都使用境外28nm高速工藝，雖然3A2000在微結(jié)構(gòu)上已經(jīng)超過了引進的ARM和威盛的CPU，由于主頻偏低，3A2000在綜合性能上還是吃虧（1.0GHz的3A2000處理器核SPEC CPU2006分值為6-7分，而1.6-2.0GHz的ARM和威盛處理器核SPEC CPU2006分值達到8-10分），建議龍芯也盡快使用境外工藝提升頻率。經(jīng)過認真討論，我們認為如果我們采用Intel的Tick-Tock（嘀嗒）研發(fā)策略，應該可以很快推出主頻1.5GHz以上，綜合性能超過2GHz的ARM和威盛的處理器。Tick指的是結(jié)構(gòu)不變，通過工藝優(yōu)化提升性能；Tock指的是工藝不變，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升性能。Tick-Tock策略可以把兩個芯片流水推進，加快進度的同時降低技術風險。
3A2000主要是通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升性能，屬于Tock；3A3000則直接采用3A2000的源代碼，通過工藝優(yōu)化提升性能，同時繼續(xù)保持與3A2000的引腳兼容，屬于Tick。因此，3A3000在功能上沒有什么風險，主要是工藝移植的風險。當然，3A3000在微結(jié)構(gòu)上還是做了適度增強：一是結(jié)合3A2000的性能瓶頸分析把定點/浮點發(fā)射隊列從16/24項增加到32/32項，二是把最后一級Cache從4MB提高到8MB。到6月底，完成了RTL源代碼修改，隨后全面展開物理設計。
3A3000物理設計中繼續(xù)需要定制包括HT-PHY、DDR-PHY、鎖相環(huán)、多端口寄存器堆、CAM等全定制模塊。由于3A2000中的全定制模塊出過問題，3A3000的全定制模塊檢查特別嚴格。除了加強設計仿真外，還讓原龍芯全定制組的組長楊旭（現(xiàn)在是龍芯中科公司全面負責生產(chǎn)的副總）重新披掛上陣，進行背靠背的復查。緊趕慢趕，于2016年1月底完成了全定制設計的簽核和復查評審。
3A3000物理設計中另一個難點是時序收斂。3A3000使用的28nm FD SOI工藝晶體管確實比3A2000使用的40nm LL快60%左右，但連線延遲大，而且互相干擾也大，廢了很多周折。楊梁率領物理組在2016年春節(jié)期間也沒有休息，終于在2016年2月中旬交付流片。
2016年6月端午假期期間，龍芯3A3000完成晶圓生產(chǎn)并進行了中測，剛開始比較順利，已經(jīng)調(diào)試完成大部分向量，只是測試我們自己研制的鎖相環(huán)時發(fā)現(xiàn)鎖相環(huán)輸出時鐘有不穩(wěn)定現(xiàn)象。6月中旬拿到盲封芯片，測試發(fā)現(xiàn)只有在低于0.8V的低電壓下芯片才能正常工作，經(jīng)過兩周的分析發(fā)現(xiàn)還是寄存器堆的問題，這次是讀出電路的問題，讀電路譯碼時產(chǎn)生了毛刺，把別的字的內(nèi)容耦合到讀出字內(nèi)容來了。好在該問題只需要修改一層掩模版。
2016年9月13日，修改寄存器堆問題的改版芯片回來。這次測試非常順利，很快就運行了SPEC CPU2000和SPEC CPU2006等大型程序，均未發(fā)現(xiàn)異常。主頻可以達到1.5GHz以上。進一步的測試結(jié)果比想象的好，一是內(nèi)存頻率可以達到750MHz以上，而且信號眼圖還非常好，STREAM測試帶寬達到13GB/s；二是雖然主頻只提高了50%，但綜合SPEC CPU2006和SPEC CPU2000分值可以提高60%，其中SPEC CPU2006單核分值為定點11分以上、浮點10分以上，四核分值為定點36分，浮點33分；三是可以運行在很低電壓下，例如運行在1.0V電壓下主頻1GHz時功耗還不到3A2000運行1GHz時的一半。對于復雜應用（如打開幾十MB的復雜文件），3A3000的用戶體驗比3A2000有顯著提高。
2016年10月17日，龍芯3A3000通過了龍芯公司質(zhì)量體系要求的商業(yè)級產(chǎn)品的鑒定檢驗摸底測試（工業(yè)級產(chǎn)品鑒定檢驗工作正在同步展開），表明龍芯3A3000可以進入批量生產(chǎn)狀態(tài)。目前3A3000已開始小批量生產(chǎn)，其中經(jīng)過測試支持通過直連形成多路服務器的芯片成為3B3000。
龍芯3A3000運行SPEC CPU2000定點分值1100多分，浮點分值1700多分，運行一遍不到一個半小時（如果使用計算所的編譯器進行優(yōu)化，定點和浮點分值還分別可以提高15%和30%以上）?；叵?002年龍芯1號剛誕生時，運行一遍SPEC CPU2000需要近三天時間，龍芯2C由于SEPC CPU2000分值沒有達到863課題合同要求的300分而沒有完成驗收，龍芯2E費了九牛二虎之力才勉強達到500分，真是“向來枉費推移力，今日中流自在行”。
在3A2000和3A3000的研制過程中，有兩點深刻體會。一是CPU的可調(diào)試性設計很重要，3A2000和3A3000的全定制問題和若干其它問題的定位，都是基于通過JTAG接口控制的預先設計的調(diào)試模塊，該調(diào)試模塊可以控制和讀出CPU內(nèi)部所有觸發(fā)器和RAM的內(nèi)容，比起以前調(diào)3A1000、3B1000和3B1500方便多了。二是境內(nèi)工藝的一致性比境外工藝有一定差距，包括不同批次的一致性，仿真模型和實際晶體管參數(shù)的一致性都和國外工藝有一定差距，設計時要多留些裕量，蒙特卡羅仿真也要把參數(shù)波動范圍設大一些。
3A3000研制成功對自主CPU來說具有里程碑意義。首先，3A3000的通用處理性能已經(jīng)跨過了國際通用處理器性能的第一個門檻，其單核SPEC CPU2006性能已經(jīng)不低于ARM用于服務器的高端處理器、Intel的低端系列（凌動系列）處理器以及威盛處理器（這些處理器在1-4核環(huán)境下2GHz時單核SPEC CPU2006性能一般在8-10分之間，如果核數(shù)更多，由于最后一級Cache巨大，性能會有所提高），而且3A3000的訪存帶寬已經(jīng)與AMD以及Intel的高端系列（酷睿系列）持平。這樣的性能玩復雜的3D游戲可能還有差距，但對于以黨政辦公為代表的事務處理應用是足夠了（如果軟件做適當磨合優(yōu)化，3A2000就夠了）。龍芯3A3000跨過了國際通用處理器性能的第一個門檻后，也為下一步跨越第二個門檻（即達到Intel和AMD主流處理器的性能）打下了堅實的基礎。其次，3A3000的通用處理性能超過了目前靠引進ARM和威盛技術發(fā)展的國內(nèi)同類（四核）CPU?！笆晃濉遍_始的自主信息化應用試點發(fā)現(xiàn)第一代自主CPU通用處理性能不夠的問題后，國內(nèi)CPU研制單位均展開了第二代CPU的研發(fā)，并衍生出三條不同的技術路線。第一條是以龍芯和申威為代表的“研”的路線，即通過分析第一代產(chǎn)品應用中發(fā)現(xiàn)的問題進行自主研發(fā)升級。第二條是“攢”的路線，即使用國外的處理器核“攢”SOC，并在此基礎上對處理器核進行局部優(yōu)化。第三條是“O（ODM）”的路線，即中國人掏錢請外國人干，目前主要是把國外/境外已有的現(xiàn)成設計直接拿過來換成中國的品牌。由于自主研發(fā)路線在“十一五”期間走了彎路，很多人對自主研發(fā)路線產(chǎn)生了疑慮，覺得此路不通，因此“核高基”在“十二五”期間主要支持以ARM的處理器核“攢”SOC的路線和“O”威盛的路線為主。一是錢多，二是引進別人的產(chǎn)品省時間，加上龍芯3A2000與境內(nèi)工藝磨合，在產(chǎn)品化方面花了較多時間，從2014年年底到2016年年初大約一年半的時間，采用引進技術的CPU大肆攻擊自主CPU性能不行，要求在已有的自主信息化試點中換掉龍芯（而且確實換掉了一些），給龍芯造成很大壓力。
3A3000的通用處理性能超過引進的ARM和威盛技術的CPU，加上前些日子使用申威處理器的“太湖之光”高性能機取得世界第一的好成績，充分說明不論是通用CPU還是高性能機專用CPU，自主研發(fā)的道路都是走得通的，不僅安全性好，性能也高。尤其是通過自主研發(fā)形成持續(xù)改進能力后，未來的后勁更足?？梢哉f，在與引進CPU的技術路線的斗爭中，龍芯3A3000是抗日戰(zhàn)爭的石牌保衛(wèi)戰(zhàn)，是解放戰(zhàn)爭的濟南戰(zhàn)役，拉開了自主CPU戰(zhàn)略反攻的序幕。尤其值得指出的是，龍芯3A3000的研制沒有得到任何國家項目的補助，是完全由企業(yè)自己掏錢研制的自主通用CPU，也具有里程碑意義。
根據(jù)Tick-Tock策略，我們制定了龍芯3號系列下一步研制計劃。四核龍芯3A4000為Tock，繼續(xù)使用目前的28nm工藝，爭取主頻達到2GHz以上，SPEC CPU2006單核分值達到20分以上。3A4000的主要結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括：增加256位的向量指令，增加片內(nèi)安全機制，以及進一步通過微結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高流水線效率，爭取每GHz的單核SPEC CPU2006分值達到10分（目前3A3000每GHz的單核SPEC CPU2006分值為7分，ARM的高端處理器為5-6分，X86主流處理器為10-15分）。目前3A4000的研制工作已經(jīng)展開。在3A4000之后將研制Tick階段的新一代處理器，初步考慮使用16nm或14nm的工藝以及3A4000的處理器核研制16核的龍芯3C。經(jīng)過3A4000的又一輪優(yōu)化，龍芯的處理器核微結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本到位，是時候把2013年5月暫停的16核龍芯3C重新提上日程了。
十年以來，我們先后研制了龍芯3A1000、3B1000、3B1500、3A2000/3B2000、3A3000/3B3000五款龍芯3號系列芯片，大的流片版本12個，小的流片版本（只改幾層掩膜板）6個，碰到了各種各樣的問題，經(jīng)歷了很多坎坷。為什么龍芯CPU的研制經(jīng)歷這么多坎坷呢？除了龍芯的質(zhì)量流程需要持續(xù)改進以外（最近結(jié)合3A2000和3A3000的全定制問題正在舉一反三，并完善全定制流程），究其根本原因，是因為我們堅持芯片中的核心模塊自己研制。前面提到的龍芯3號研制過程中碰到的問題，都是包括CPU、HT控制器、內(nèi)存控制器、全定制寄存器堆、全定制鎖相環(huán)等核心模塊內(nèi)部的問題，并不是把這些模塊“攢”在一起產(chǎn)生的問題。這些問題，如果購買商業(yè)IP（如ARM的CPU，Imagination的GPU等）來“攢”芯片一般不會碰到。自從2001年開始研制CPU以來，我直接或間接負責了近百次流片，流片后碰到的問題除了極個別外，都是核心模塊內(nèi)部的問題。
龍芯長期堅持芯片中的核心IP自己掌握。這些核心IP包括CPU核、內(nèi)存控制器、DDR2/3/4的PHY、互連網(wǎng)絡、HT控制器、HT PHY等，最近還展開了GPU的研發(fā)，只有少量的外圍IP使用商用IP。不是吃飽了飯沒事干，而是我們使用別人的IP吃過虧。2003年我們剛開始研制龍芯2號時委托一個很有名的EDA和設計服務公司定制一個3寫6讀寄存器堆，在交付流片后發(fā)現(xiàn)其中的電源地嚴重缺失，跟他們交涉時他們說這個不會有問題，導致龍芯2號系列的第一款芯片龍芯2A流片失敗，后來我們自己定制了該寄存器堆才使龍芯2B流片成功。龍芯3A1000剛開始研制時曾經(jīng)使用過商業(yè)DDR2/3 PHY，我們在檢查中發(fā)現(xiàn)了一些問題，但廠家覺得沒問題不愿意修改，后來3A1000流片時同時流了使用商用DDR2/3 PHY和自主研制DDR2/3 PHY的兩個版本，并在使用自主DDR2/3 PHY的版本流片成功后確定使用自主DDR2/3 PHY的版本進行量產(chǎn)。龍芯3A1000和3B1000曾經(jīng)使用過商業(yè)的內(nèi)存控制器，但商業(yè)的內(nèi)存控制器滿足不了高性能CPU的帶寬要求（使用商業(yè)內(nèi)存控制器的SOC在雙通道下不可能做出龍芯3A3000 的13GB/s實測帶寬來），因此從3B1500開始自主設計內(nèi)存控制器。龍芯2H集成了商用的GPU核，該GPU核有 Android操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序，但我們需要Linux的Xserver驅(qū)動，廠家自己開發(fā)不了，我們希望廠家把內(nèi)部配置寄存器如何使用的手冊給我們，我們自己開發(fā)，可是廠家說這是商業(yè)機密，不愿意給，至今龍芯2H只有在Android上有3D驅(qū)動，Linux的Xserver驅(qū)動只有2D的。
一是吃過虧，二是覺得洋鬼子干得還不如我們，所以就自己干。在國際上，雖然Nvidia巴心巴肝地幫Intel做配套GPU，Intel還是堅持自己做GPU；雖然Imagination巴心巴肝地幫ARM做配套GPU，ARM也堅持自己做GPU；雖然開源的火狐瀏覽器很不錯，谷歌還是堅持自己做Chrome。蘋果和高通公司都是在ARM的架構(gòu)授權下自主設計處理器核，其性能遠高于ARM的處理器核。他山之石、可以攻玉。只有技術上不受制于人，才有產(chǎn)業(yè)上的主動權。
做任何事情，依靠別人總是容易一些，完全靠自己則困難得多。但依靠得多了，吃過虧后才明白還得靠自己。毛主席在青年時期也沒有想過要革命，想著改良主義可以救中國，后來才覺得馬克思主義是“山窮水盡諸路皆走不通了”的選擇；建黨后在陳獨秀領導下在湖南搞工人運動，光大的罷工就舉行了十多次，結(jié)果是罷工受鎮(zhèn)壓，工人領袖被殺；國共合作期間依靠國民黨的武裝干革命，結(jié)果蔣介石發(fā)動“四一二”政變殺共產(chǎn)黨人；好不容易上井岡山建立了自己的軍隊，找到了武裝奪取政權、農(nóng)村包圍城市的道路，卻被那些在上海租界呆不住跑到井岡山避難的書生們輕松地奪了權，不得不進行兩萬五千里長征；經(jīng)歷千難萬險與四方面軍會師了，還差點被貪心不足的張國燾武力扣押。吃了這么多虧后，毛主席在以后的革命和建設中就牢牢掌握了主動權，包括國共第二次合作時堅持獨立自主的山地游擊戰(zhàn)，反對共產(chǎn)國際的“一切通過統(tǒng)一戰(zhàn)線”的錯誤主張；重慶談判堅持保留邊區(qū)和軍隊；建國后先是抗美援朝，后是中蘇論戰(zhàn)。等等。
在中國的近代史上，我們有三次向外國老師學習的經(jīng)驗，每次都是受老師欺負吃了虧后走上自力更生的道路。第一次是洋務運動，晚清時期中國海關關長都是英國人擔任的，是中國歷史上最開放的時期，卻被西方列強欺負得水深火熱，毛主席領導共產(chǎn)黨推翻了三座大山，解放了中國人民。第二次是建國后向蘇聯(lián)學，一邊倒，結(jié)果蘇聯(lián)在中國的土地上又想建聯(lián)合艦隊，又想建長波電臺，毛主席拒絕后蘇聯(lián)又撤專家又逼債，毛主席還是領導中國人民自己搞了“兩彈一星”，建立了自主可控的工業(yè)體系。第三次是改革開放，我們學習西方的管理理念和科學技術，剛開始覺得挺好的，現(xiàn)在有點覺得吃虧了（像我這樣氣性大的覺得忍無可忍了，很多人覺得還可以再忍忍）。2011年我國IT產(chǎn)業(yè)百強企業(yè)的利潤總和是蘋果公司的40%（我剛開始覺得華為是通信企業(yè)，可能不算在IT百強里面，后來查到華為也算在這里面時很有挫折感）?？偸锹爩＜艺f，我國跟美國的經(jīng)濟互相依賴，美國也不敢把我們怎么樣，可是當美國制裁中興時，我們不得不認慫，中興公司定期向美國商務部報告工作，以獲得延期制裁。美國可以通過不賣元器件在三個月之內(nèi)把國人引以為豪的華為、聯(lián)想、中興等企業(yè)搞死，十大軍工集團有大半開不了張，我們有哪種產(chǎn)品不賣給美國企業(yè)，會把美國的Intel、IBM、谷歌、微軟、蘋果搞死呢，我們頂多能把沃爾瑪搞得比較難受。現(xiàn)在想想，毛主席周總理帶著全國人民勒緊褲腰帶煉鋼鐵、打油井、發(fā)展兩彈一星，建立起自主可控的工業(yè)體系真是無比英明。
正如改革開放進入深水區(qū)，容易改的都改完了，剩下都是難改的；創(chuàng)新也進入深水區(qū)，容易創(chuàng)新的都創(chuàng)完了，剩下難創(chuàng)新的，需要十年磨一劍的積累。我們的IT產(chǎn)業(yè)先學會了用國外的芯片在主板上“攢”系統(tǒng)，后來又學會了用國外的IP在硅上“攢”系統(tǒng)。掌握這些簡單技術后，下面該深入到CPU、GPU這些復雜的核心模塊中去了。這些復雜的創(chuàng)新不是領導重視、錢多、人多就能一下子干出來的，還需要時間來磨，在探索和試錯過程中不斷演進。領導重視、人多、錢多可以加速探索和試錯的過程，但不能消除這個過程。中國航天建空間站，先來個天宮一號試試看，再來個天空二號（還分兩期）接著試，最后再發(fā)射正式空間站，也是這個演進的道理，不是缺錢，也不是領導不重視。CPU是超復雜系統(tǒng)，超復雜系統(tǒng)只能走進化論的道路，在產(chǎn)業(yè)化實踐中通過長期演進發(fā)展起來。即使在這個過程中，得到別人的源代碼，也只能加速自主研發(fā)的進度，取代不了自主研發(fā)的工作。更何況復雜系統(tǒng)是很難消化吸收的，即使拿到國外CPU的源代碼，每一行都看得明白，但把幾百萬行代碼拼在一起就不知道是干什么的，就像我們可以打開一頭豬的大腦看得清清楚楚，但不知道豬在想什么。很多人現(xiàn)在還寄希望于引進國外技術發(fā)展我國的CPU，那是因為吃洋鬼子的虧沒吃夠。須知天上是不會掉餡餅的，要發(fā)展以自主CPU和操作系統(tǒng)為代表的基礎軟硬件，我們必須克服急躁情緒，克服崇洋情緒，發(fā)揚愚公移山精神，堅持實事求是作風，在自主創(chuàng)新實踐中不斷發(fā)現(xiàn)問題，在解決問題過程中不斷提高能力，才能保障國家安全和支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
龍芯今年15歲了。中國共產(chǎn)黨在15歲的時候完成了舉世矚目的萬里長征，建立了陜北根據(jù)地，取得了生存的基礎，但共產(chǎn)黨長征的目的決不僅僅是建立一塊根據(jù)地活下來，而是以此為基礎解放全中國。龍芯在15歲的時候完成了3A3000的研發(fā)，跨越了國際上通用CPU的第一個性能門檻，性能超過了引進設計的CPU，龍芯公司實現(xiàn)盈利，取得了生存的基礎，但龍芯的目標絕不是為了生存和掙錢，而是為了建立自主可控的信息產(chǎn)業(yè)體系。目前我國的信息產(chǎn)業(yè)主要建立在以Wintel體系（Intel的CPU和微軟的Windows操作系統(tǒng)）和AA體系（ARM的CPU和谷歌的Android操作系統(tǒng)）為代表的國外基礎軟硬件平臺上。要改變我國信息產(chǎn)業(yè)和信息安全受制于人的局面，不能只著眼于單項技術的突破和產(chǎn)品市場占有率的提高，必須建立起自主可控的信息技術與產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系，形成與Wintel體系和AA體系“三足鼎立”的局面，才能掌握產(chǎn)業(yè)發(fā)展主導權，消除安全隱患。如果我們沒有建立起自主可控的IT產(chǎn)業(yè)體系，繼續(xù)在已有的Wintel體系和AA體系中當“馬仔”，是難以實現(xiàn)中華民族的偉大復興的“中國夢”的。反之，只要我們堅持自主創(chuàng)新，打通技術鏈，完全可以在局部指標不如國外產(chǎn)品的情況下，建設出優(yōu)于國外產(chǎn)品的應用系統(tǒng)。須知判斷技術是否先進的標準，不是看其跟美國人跟得緊不緊，而是看其跟應用結(jié)合得緊不緊。
古人說“事非經(jīng)過不知難”。但只要認真去做，也有“事非經(jīng)過不知易”的道理。龍芯3號系列CPU通用處理性能在從2013年起的不到四年時間提高到了原來的五倍以上，充分說明了這個道理。2001年我們開始研制龍芯CPU的時候，很少人相信我們能夠做出來，在整個“十五”期間，網(wǎng)絡上“龍芯打假”的言論層出不窮，但我們堅持做出來了，方法是在別人都不信的情況下，做給他看。2006年我們開始推廣龍芯CPU應用的時候，也很少有人相信龍芯能用起來，不知受了多少奚落和冷嘲熱諷，甚至有人說，如果龍芯能夠賣得出去，他就從此倒立著走，但龍芯公司現(xiàn)在能夠通過龍芯CPU的銷售養(yǎng)活自己了，方法還是在別人都不信的情況下，做給他看。今天我們說要建立自主可控的信息產(chǎn)業(yè)體系，還是多數(shù)人不信，無非是認為做生態(tài)太難，自己肯定做不好，不如跟著別的老大當個馬仔，所以總說與X86和ARM兼容生態(tài)好，總之是一種畏難情緒。對付信心不足，我們還是老套路，做給他看。世界上做CPU的企業(yè)中，凡是不做生態(tài)（DEC、IBM、HP、SUN、SGI）或者跟生態(tài)（AMD、威盛）的CPU企業(yè)都活不好。八十年前幾萬衣不蔽體的紅軍剛到陜北時有誰相信這幫泥腿子能解放全中國？改革開放初期以能買到日本彩電為榮的中國人有幾個相信今天中國的制造業(yè)產(chǎn)值已超過美國加日本的總和？在建立自主信息產(chǎn)業(yè)體系方面，我們要在自己內(nèi)部肅清一切軟弱無能的思想，就像毛主席說的：“我們的同志，在困難的時候，要看到成績，要看到光明，要提高我們的勇氣”。
八十年前，當衣不蔽體的幾萬紅軍完成兩萬五千里長征時，他們是中國最生氣勃勃，具有百折不撓的獻身精神，真正的民族精英。他們是懷著對革命的堅定信念，在崇高理想的指導下走完長征的。同樣，自從2001年開始龍芯處理器研發(fā)以來，龍芯人也是懷著堅持自主創(chuàng)新、保障國家安全、支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的堅定信念走了一條別人沒有走過、多數(shù)人不信能走通、非常艱難的“長征”。十五年來，很多龍芯的技術骨干都把人生最美好的青春獻給了龍芯的“長征”。加班加點仍是龍芯研發(fā)人員的常態(tài)，而龍芯的薪酬長期低于同行業(yè)水平，有些人三十多歲就出現(xiàn)了各種健康問題。不少龍芯的技術骨干都接到過獵頭公司百萬年薪的電話，但龍芯團隊的核心骨干非常穩(wěn)定。為了龍芯的產(chǎn)業(yè)化，很多技術骨干都毅然放棄中科院的事業(yè)編制，辭職到龍芯公司。人都是有私心的，但我敢保證龍芯人的私心相對少一些；大家離毛主席要求的“一個高尚的人，一個純粹的人，一個有道德的人，一個脫離了低級趣味的人，一個有益于人民的人”都有差距，但我敢自豪地說龍芯人的差距相對小一些。后之視今，尤今之視昔。我相信，我們的后人會像我們今天崇敬長征的英雄、崇敬抗美援朝的英雄、崇敬兩彈一星的英雄一樣，來崇敬今天在建立我國自主可控的信息產(chǎn)業(yè)體系道路上歷經(jīng)艱難險阻完成新長征的我們。
龍芯十五年的堅持來自中國科學院的光榮傳承。中科院計算所是我國計算機事業(yè)的搖籃，經(jīng)歷了“完全自主但沒有市場化”的第一個三十年，為兩彈一星做計算機；也經(jīng)歷了“完全市場化但喪失自主性”的第二個三十年，創(chuàng)辦了聯(lián)想和曙光，為了與市場接軌，研發(fā)工作忍痛從CPU和操作系統(tǒng)中退出。我們是中國第三代計算機人，任務是在市場化條件下實現(xiàn)自主性，保障國家安全和支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我的導師夏培肅院士是我國計算機事業(yè)的重要奠基人，她多次對我說過，這輩子最大的心愿就是把中國的計算機事業(yè)搞好，她們這代人沒搞好，希望我們搞得比她們好。李國杰院士曾經(jīng)在一次自主可控行業(yè)的大會上動情地說：我的導師夏老師（李國杰院士也是夏培肅院士的學生）已經(jīng)九十歲了，干不動了；我也七十歲了，快干不動了；如果到胡偉武這一代我國的CPU和操作系統(tǒng)還沒有發(fā)展起來，中國的IT產(chǎn)業(yè)就沒戲了。龍芯團隊有一個老研究員黃令儀老師，今年八十歲了還天天在屏幕前拖著鼠標查版圖。有一次我請黃老師參加某用于安全領域的芯片研發(fā)工作時，黃老師脫口而出：胡老師，我這輩子最大的心愿就是匍匐在地，擦干祖國身上的恥辱；我是親眼見過我的同胞被日本鬼子的飛機炸死的。前輩的精神感染了我們，前輩的榮光照亮了我們前進的道路，讓我們咬著牙關，勇往直前！
龍芯十五歲了。2001年8月19日清晨當屏幕上第一次出現(xiàn)“godson login”時的那聲歡呼已經(jīng)遠去，在雨中登黃山的臺階上高唱《真心英雄》時的那種豪情已經(jīng)消退，夜深人靜時在計算所北樓長長的走廊盡頭泡方便面記憶已經(jīng)模糊，但龍芯人“為人民做龍芯”的初心未改，“十年磨一劍”的執(zhí)著依舊，“人生能有幾回搏”的奮斗長在。我們已經(jīng)走在“以安全可控為主題、以產(chǎn)業(yè)發(fā)展為主線、以生態(tài)建設為目標”的新長征道路上。迷失方向時，堅持從國家和人民的角度（而不是自己的角度）做出選擇就是我們心中的“北斗星”。長征的道路蜿蜒曲折，不僅有芳草鮮美、落英繽紛，更有沼澤沙漠、雪山草地、豺狼虎豹，因此前進的路上就要苦我們的心智、痛我們的體膚。龍芯走自主研發(fā)道路，比直接引進處理器芯片或者引進處理器核的道路見效慢一些，在路上會被別人暫時超過心里著急；走市場化道路，要結(jié)合客戶需求把短板補齊，比起在計算所做研究時只關注幾個有顯示度的指標來，在顯示度方面差一些；要建立自主軟硬件體系，比只在單一領域做單一產(chǎn)品難度大很多。這就要求我們在前進的道路上不僅要有沖天的豪情，艱苦奮斗、奮勇爭先，而且要有鋼鐵般的意志，做到專心致志、持之以恒、精益求精，直至取得最后的勝利。我們是“苦命”而光榮的龍芯人，雖千萬人吾往矣。
我們正在前進。我們正在做我們的前人從來沒有做過的極其光榮偉大的事業(yè)。我們的目的一定要達到。我們的目的一定能夠達到。