中国自主研发的CPU问世 性能相当于英特尔PII

斑竹们都不在吧，眼不见为净吧。


中国自主研发的CPU问世 性能相当于英特尔PII

瞭望周刊


　　 这些天，中科院计算所在紧张地期待着，从生产线运回来的几十个投片将被一一插上计算机主板，进行调试，如果成功则意味着水平与英特尔奔腾2旗鼓相当的龙芯1--中国人自主开发的高性能通用芯片正式“新鲜出炉”，跨入规模化生产阶段。半年前，计算所曾向新闻界演示了龙芯的第一款“验证芯片”，但那仅仅完成了龙芯的逻辑设计工作，因为它是在一个可编辑的FPGA芯片上“烧制”出来的“样本”，仅此一份。之后，课题组对龙芯1进行了物理设计，形成了版图并拿到集成电路流水线上生产，行话称之为“投片”。这是龙芯1规模化生产前的必备工作。别看龙芯仅有指甲盖大小，但关系到中国的信息系统安全和信息产品安全。
　　
　　龙芯的主要设计者胡伟武在接受本刊记者采访时说，“我们一直是用心血浇灌龙芯，付出了难以想象的艰辛。”秉承老辈人的传统，他们给芯片取了个小名叫“狗剩”，希望“名字贱一点容易养大”。
　　
　　15个月，一群平均年龄不到30岁的年轻人终结了中国计算机产业“无芯”的尴尬历史。而我则在3个小时内，见到了关系“龙芯”命运的两个关键人物：中科院院士、计算所所长李国杰和主持芯片设计的年轻科学家胡伟武，听他们津津有味地谈龙芯诞生背后的故事，采访几乎成了一种享受。
　　
　　胡伟武告诉记者，中国科技界不缺精兵强将，缺的是统领三军的“帅”，而李国杰正是这样的一位“大帅”。他自认是一员“福将”。而李国杰在谈到胡伟武时，毫不掩饰自己的欣赏与爱护。
　　
　　回来整理采访笔记，发现他们的谈话有许多惊人的相通之处。尽管时空交错，尽管年龄相差23岁，他们的思想和精神却因龙芯而休戚相关。
　　
　　李国杰决定做芯片时，可谓背水一战。芯片的灵魂是设计和标准。而把芯片作出来不仅仅有逻辑设计、版路设计，还包括生产芯片必需的IP库和芯片加工厂参数的调整，这都是芯片公司的机密，花再多钱也买不到。他刚来计算所时，面临的最大问题是科研资源分散、低水平重复，研究人员各自为政，能申请到几万元、10多万元的项目就很满足了。
　　
　　李国杰认为，计算所应该在一些国家战略性的项目上集中力量，优化资源。尽管人们普遍认为计算所没有能力做芯片，但李国杰分析说，目前美国PC机普及率接近50%，而在中国才仅达3%左右，发展空间巨大。芯片产业的做大做强，必将带动整个信息产业的发展。未来10年，是中国芯片产业发展的关键阶段，想等到所有的科研条件都具备的时候再来做芯片，最好的时机也早已错过了。因此，李国杰认定高性能通用芯片是国家信息产业发展的战略所需。随即决定，拿出当年全所一半的运转经费1000万元来做龙芯。
　　
　　优良的技术路线
　　
　　年轻人的表现比李国杰预料的还好。仅用5个月，就设计出了第一款验证芯片。接着，又马不停蹄地开始做投片。从验证芯片到正式投片调试成功仅用了10个月。
　　
　　这就是龙芯的速度，连胡伟武自己也觉得吃惊。他认为，成功的原因首先在于，自始至终坚持了十分优良的技术路线。立项之初，李国杰确定的目标是“高性能、通用、一步到位”，在后来的摸索中，课题组又确定了兼容以及采用RISC结构这两个具体目标。
　　
　　中国人是否要自己做高性能通用芯片？不少人认为，处理器最大的市场在嵌入式方面，中国的处理器设计应该定位在嵌入式上，没必要也做不出通用处理器设计。诚然，嵌入式处理器的需求量很大，但大市场不一定能赚钱，小市场有时反而能赚大钱，因为后者是核心技术，别人做不了。英特尔就是一个典型的例子，英特尔处理器数量也只占全球市场的1.5%。其次，中国不是小国，核心技术自己不掌握不行。实际上，胡伟武认为，嵌入式处理器可做可不做，因为别人的嵌入式处理器价格很低，且不会卡我们。有的国外公司甚至主动提出，只要用其生产线，他们可以免费提供嵌入式的IP核。
　　
　　中国的芯片是否要和别人的兼容？胡伟武认为，能否兼容非常重要。回顾中国计算机发展的历史，应该说，我们的“祖上”也是挺“阔”的，直到20世纪80年代初，我们的处理器设计技术不比别人差多少。落到今天这个地步，很大程度上是吃了不兼容的亏。因为现在计算机中绝大部分费用不是花在硬件上，而是花在软件上。若不兼容，自己设计指令系统，只能图一时痛快；与其他主流指令系统兼容，确实很麻烦，有时为了一条指令就得修改数据通路，增加不少东西，但却可以一劳永逸。龙芯课题组有一个很精干的操作系统组，仅4个人，在3个月内搞定一切与软件有关的东西，就是得益于兼容设计。胡伟武一直很庆幸采用了兼容的做法，如果自己设计指令系统，绝不可能在短时间内获得完善。
　　
　　是步步为营还是跨越式前进？课题组决定稳扎稳打。采用从系统结构设计，到C模拟器设计，到Verilog仿真，到FPGA验证，到标准单元投片，再到全定制投片的方法。在系统结构方案确定后，首先设计了一个Cycle-by-cycle的C语言模拟器，该模拟器详细描述了龙芯处理器的系统结构，能够模拟处理器每一拍中每一位信号的变化，并验证设计的正确性，发现错误及时纠正，确保联调时基本一次成功。若是当初采取跨越式的设计方法，直接进行逻辑设计，恐怕会欲速则不达，因为越上层的设计，调试越容易，而越底层的设计，调试越困难。
　　
　　人必须要有点精神
　　
　　“犯强汉者，虽远必诛”。背后是骏马、雄狮，一幅威武的西征军队图。胡伟武把这幅图画放在自己的便携式电脑的屏幕保护程序上。“有人说中国人做不出自己的芯片。我就不信那个邪。我常常跟我的学生讲，国家是每个人的国家，每个人都有责任为国家的发展出力。国家发展好了，你的日子自然好过了。我经常出国，在印度这样的国家我每天靠56美元的补贴能过得非常舒服，而在美国，每天补贴84美元却过得很拮据--国力强弱对比关系到每个人。”
　　
　　有趣的是，李国杰也非常强调对国家、对民族的责任感，他认为衡量一个科研人员的水平高低，不仅应当看他的技术实力，还要看他是否具有将个人价值融入为祖国繁荣富强而奋斗的责任感，是否具有自立于世界民族之林的自信心。李国杰回忆起当年他领导研制曙光计算机的岁月，深有感触地说，要做成任何事业，最不可少的是激情。回国后，国家给我个任务，研制出自己的高智能计算机。有人对我的能力也表示怀疑，说李国杰在国外只会写点文章，从来没有做过机器，他能搞出什么来！就是在那样的背景下，我拉了一个队伍，埋头苦干，分析计算机的核心操作系统，最终把它搞明白了。1992年3月11日，我们开了誓师大会，选拔了一支“轻骑兵”，一共6个人杀到美国去，租了个房子搞研究。主要是想利用那里的研究氛围。他们出发的时候，大家颇有“风潇潇兮易水寒，壮士一去兮不复还”的意味，然而他们最终凯旋了！我们称之为“洋五七干校”，一天工作16个小时以上。并且借用了容国团的“人生能有几回搏”来鼓舞士气。就是靠着这种“不达目的不罢休”的坚定信念，凭着一番报效国家、民族的激情，我们作出了曙光计算机。1999年我来时，计算所正处于最低谷，靠什么能够重振计算所的辉煌？惟一可以凭借的就是信念。
　　
　　现在，“人生能有几回搏”被贴在龙芯实验室的墙上。胡伟武说，15个月来，课题组的成员付出了难以想象的艰辛，尤其是在验证芯片几次调试的阶段。好多人都有调试程序的经验，但很少有人调试过操作系统，而在一个本身就可能出错的处理器上调试过操作系统的人更少--挑战就在这里，当出现一个错误时，应用程序、操作系统以及处理器本身都是怀疑的对象，需要多方面的协调及分析。我们曾经在C模拟器、Verilog模拟环境、以及FPGA验证系统上分别都运行了LINUX操作系统，每次都是连续几天几夜的鏖战。
　　
　　2001年8月19日，胡伟武他们设计的龙芯成功地把LINUX操作系统boot起来。当“login”的(用户登录)提示符出现在屏幕上时，计算所北楼309房间一片欢呼。
　　
　　龙芯让他们自豪。尤其是龙芯的系统结构设计值得称道，可以说目前世界上最先进芯片的系统结构技术，该有的龙芯都有，不少地方还有创新。最令胡伟武得意的是，龙芯中还专门针对网络攻击进行了安全设计。他解释说，缓冲区溢出是一种非常普遍、非常危险的漏洞，是目前大多数网络攻击所采取的办法。在各种操作系统、应用软件中广泛存在。利用缓冲区溢出攻击，可以导致程序运行失败、系统死机、重新启动等后果；更为严重的是，可以利用它执行非授权指令，甚至可以取得系统特权，进而进行各种非法操作。龙芯通过允许操作系统对堆栈段的取指进行限制，可以有效防止利用缓冲区溢出技术进行的网络攻击。
　　
　　我不是睡眠最少的
　　
　　在课题组中胡伟武的睡眠至少不是最少的，但也有一个星期没有正经睡觉的经历。尤其是在8月19日龙芯诞生前的那个星期，更是紧张得像打仗，看看他记忆中的日记吧--8月12日，星期日。下班前得知第二天有领导要来所里检查工作，决定冒险把原来定的联调时间提前一周，希望一次成功。但怕万一失手会影响士气，只找了几个骨干在星期一晚上开始联调。即使发现一个很小的错误，也要修改，而修改一次设计再形成新的FPGA烧制文件，需要至少8个小时。只有一天24小时全拿来工作，才能保证有两次修改机会。
　　
　　8月13日，星期一。凌晨四点，把FPGA文件写入FPGA，没有任何动静。很快就用逻辑分析仪发现了问题。原因是启动时与主板握手机制有缺陷，导致主板一直没有撤掉复位信号。赶快修改，12点形成了新的FPGA烧制文件，写入后还是没有任何动静。晚上接着调试，发现芯片插卡上有两个焊点短路，去掉后主板的液晶显示器上如约显示出“GODSON”(龙芯的英文译名)字样，立时爆发出一片欢呼。
　　
　　8月14日，星期二。我们决定连续作战，到晚上11点左右，成功地运行经过改造的主板上的BIOS系统，相当于一个简单的操作系统，又是一片欢呼，这时课题组的其他成员才知道，我们