中國＂龍芯＂漫漫征程路 - 全文

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　　2002年8月10日清晨6點零8分，“l(fā)ogin:”的字樣如約出現(xiàn)在用“龍芯1號”作CPU的計算機屏幕上。“龍芯”投片成功了!這是一個在我國計算機領(lǐng)域里值得永遠(yuǎn)銘記的時刻。從這一刻起，中國人結(jié)束了只能用洋人的CPU造計算機的歷史，中國人在信息領(lǐng)域的核心技術(shù)上受制于人的時代永遠(yuǎn)成為了歷史。

　　在IT硬件領(lǐng)域中，特別是在像CPU等核心技術(shù)上，我們跟國外有廠商有著較大的差距這個顯而易見，始終是技不如人。而CPU又是計算機中最為關(guān)鍵、最為核心的部件，缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的芯片尤其是中央處理器芯片，已成為我國計算機產(chǎn)業(yè)的一大“芯”病，這種局面也是國內(nèi)一些從事信息技術(shù)的科研人員一塊不能觸摸的傷口，是他們永遠(yuǎn)的痛。一方面是我們無比的自豪，中國終于擺脫了一大“芯”病;另一方面圍繞“龍芯”出現(xiàn)了一些質(zhì)疑，處理器芯片的市場競爭是異常激烈的，AMD和英特爾這對生死冤家已經(jīng)是一場好看的龍虎斗，“龍芯”如何才能出人頭地呢?“龍芯”如何融入全球產(chǎn)業(yè)鏈中去?“龍芯”有何種優(yōu)勢去和AMD和英特爾競爭?以及未來的發(fā)展方向?qū)⑹悄睦?

　　帶著這些問題，讓我們回顧“龍芯”發(fā)展歷程

　　一、龍芯處理器發(fā)展的漫漫長路

　　從2000年11月起，中科院計算技術(shù)研究所就已經(jīng)正式啟動處理器設(shè)計項目，并在2001年3月開始，由該計算技術(shù)研究所從事信息技術(shù)的科研人員，開始向我國無自主研發(fā)處理器的這塊未開發(fā)的領(lǐng)地進軍，并進行研制我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能通用CPU芯片。寄望于祖國和民族的興盛，他們把這一項目命名為“龍芯”!可以毫不夸張地說，龍芯雖然是一塊小小的處理器芯片，但是他卻承載著我國太多的期望和突破。

　　時過境遷，就在短短的幾年時間里，龍芯已經(jīng)從僅開始停留在處理器設(shè)計項目的藍圖里，轉(zhuǎn)而成為實實在在的處理器產(chǎn)品，從“龍芯1號”到“龍芯2號”再發(fā)展到前不久已經(jīng)準(zhǔn)備開始集中進行研發(fā)的下一代“龍芯3號”處理器，我們完全有理由相信中國龍芯處理器正在向著自己所預(yù)定和鋪設(shè)的道路一步一步的前進。

　　作為對于硬件資訊比較感興趣的消費者來說，僅僅知道中國龍芯處理器的型號、研發(fā)推出的時間段是完全不夠的，這也顯然也不能滿足一些讀者對于中國龍芯處理器有更深一步了解的要求。下面通過更加詳細(xì)的資料，讓我們了解一下中國龍芯處理器發(fā)展的漫漫征程!

　　1、“狗剩”誕生—龍芯1號 32位微處理器

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　　龍芯1號處理器

　　在2002年9月28日，對于中國處理器領(lǐng)域來說又是一個全新的起點，小名“狗?！钡闹袊谝活w通用式處理器芯片---“龍芯1號”終于展示在了世人的面前掀開了他神秘的面紗。此次發(fā)布小名為“狗?！钡腃PU是中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所歷時兩年、獨立研制成功的我國首枚高性能通用CPU?！褒埿尽钡某晒柺?，標(biāo)志著我國已經(jīng)結(jié)束了在計算機關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的“無芯”歷史。

　　這款芯片它采用了0.18微米工藝，包含近400萬個晶體管，主頻最高可達266MHz，已用于了國產(chǎn)龍騰服務(wù)器當(dāng)中，這也打破了我國長期依賴國外處理器產(chǎn)品的尷尬局面。雖然作為中國人第一次擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的處理器產(chǎn)品，但同時相關(guān)人員也保持著相當(dāng)清醒的頭腦，因為就技術(shù)和應(yīng)用的角度來看，龍芯一號與其主流的處理器產(chǎn)品還有著相當(dāng)大的差距，據(jù)了解龍芯1號僅相當(dāng)于中端Pentium 2的水平，主頻低其性能還相對較差，雖說如此，但我們也不能不承認(rèn)龍芯1號的推出可以算是其中國處理器歷史上一個新的里程碑。

　　技術(shù)及應(yīng)用特點：

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　　龍芯1號處理器模塊

　　一般根據(jù)應(yīng)用模式的不同，將處理器分為通用CPU和嵌入式CPU，其實從結(jié)構(gòu)上看這兩者并無差異。通用CPU芯片的功能一般比較強，能運行復(fù)雜的操作系統(tǒng)和大型應(yīng)用軟件，嵌入式CPU芯片在功能和性能上有很大的變化范圍，相對來說比通用CPU更為復(fù)雜和強大。

　　龍芯一號處理器是一款既兼顧通用又有嵌入式CPU特點的新一代32位處理器，擁有32位MIPS指令系統(tǒng)，并采用一套簡單高效的動態(tài)流水線，支持亂序執(zhí)行和精確中斷處理，采用0.18微米 CMOS工藝制造，具有良好的低功耗特性，平均功耗0.4瓦特，最大功耗不超過1瓦特。因此，龍芯一號CPU可以在大量的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中使用。

　　不過在緩存設(shè)計上，龍芯一號有著明顯的缺陷，芯片內(nèi)只集成16KB容量的一級緩存(8KB指令+8KB數(shù)據(jù))，對于處理器當(dāng)中起到?jīng)Q定作用的二級緩存卻沒有設(shè)計在內(nèi)，而它的晶體管規(guī)模也僅有400多萬，這也是他處理器性能較弱的一個重要原因。

　　龍芯一號在通用CPU體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方面采用了許多先進的微處理器的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)，在動態(tài)流水線的具體實現(xiàn)和硬件對系統(tǒng)安全性的支持方面，有獨特創(chuàng)新，并申請了專利。 目前“龍芯”1號具有特殊的硬件設(shè)計，可以抗御緩沖區(qū)溢出攻擊。在硬件上根本抵制了緩沖區(qū)溢出類攻擊的危險，從而大大的增加的服務(wù)器的安全性。

　　因此，使用龍芯一號CPU可以構(gòu)成更為安全的網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)際防火墻、服務(wù)器網(wǎng)卡等對網(wǎng)絡(luò)安全有特殊需求的產(chǎn)品及應(yīng)用。基于龍芯CPU的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備可以滿足國家政府部門、廣大企業(yè)機關(guān)等對于網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)安全的需求。同時，“龍芯”還會利用小于0.5瓦的低運行功耗特點，進入Intel勢弱的嵌入式芯片應(yīng)用市場，以及廣泛應(yīng)用到手機芯片等通訊產(chǎn)品市場中。

　　此外，它還能可以運行大量的現(xiàn)有應(yīng)用軟件與開發(fā)工具。支持Linux、VxWork，Windows CE等操作系統(tǒng)?；邶埿疽惶朇PU的服務(wù)器，可以運行Apache Web、FTP、Email、NFS、X-Window等服務(wù)器軟件，雖然不能說是全方位的兼容，至少包括和兼容種類也有相當(dāng)一部分。作為第一款通用型CPU產(chǎn)品，龍芯1號雖然有這樣或那樣的一些問題和缺陷，但整體來看無論是在技術(shù)和應(yīng)用性上來說該處理器還是具有了相當(dāng)?shù)乃?，已?jīng)為中國自主研發(fā)的處理器產(chǎn)品添上濃墨重彩的一筆。

　　2、大幅提升—龍芯2號 64位處理器

　　其實“龍芯1號”的問世不僅僅在于中國自主研發(fā)處理器產(chǎn)品，而其更深層次的意義在于它捅破了困擾在中國科技技術(shù)人員心中的一層紙，憑借著自身的技術(shù)研發(fā)實力中國也可以自己生產(chǎn)制造出被國外壟斷的處理器產(chǎn)品，為下一步對于處理器的研發(fā)打下了更為堅實的基礎(chǔ)。

　　有了龍芯1號的研發(fā)實踐經(jīng)驗，中科院計算技術(shù)研究所的相關(guān)科技人員繼續(xù)努力，再次經(jīng)過了兩年多的艱苦奮戰(zhàn)，在2005年4月26日，龍芯2號處理器正式面世?！褒埿?號”的再次登場亮相，同樣給了世人一個驚喜，無疑使得中國龍芯處理器又邁上了一個新的臺階。不過龍芯似乎為了體現(xiàn)出完全本土話的感覺，都在其將其處理器都被賦予了體現(xiàn)一些有中國特色的名字作為昵稱或者說小名。龍芯1號被命名為了“狗?！?，而這塊龍芯2號，為了紀(jì)念***誕辰，特意將其命名為“毛澤東110”，意欲紀(jì)念這位中國的偉人!

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　　龍芯2號處理器

　　相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用特點：

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　　龍芯2號處理器是國內(nèi)首款64位高性能通用CPU芯片，它不再沿用龍芯1號的32位MIPS指令架構(gòu)，而是升級到64位MIPS指令架構(gòu)，這一技術(shù)環(huán)節(jié)的提升不疑增強了龍芯二號的性能潛力。它采用先進的四發(fā)射超標(biāo)量超流水結(jié)構(gòu)，片內(nèi)一級指令和數(shù)據(jù)高速緩存各64KB，龍芯2號暫時還未直接集成二級緩存，看來在處理器的二級緩存上，龍芯發(fā)展還是有一些不暢，不過還好，他支持片外二級高速緩存最多可達8MB，比龍芯1號有了明顯的進步，這或許更多出于成本考慮。為了充分發(fā)揮流水線的效率，龍芯2號實現(xiàn)了先進的轉(zhuǎn)移猜測、寄存器重命名、動態(tài)調(diào)度等亂序執(zhí)行技術(shù)，以及非阻塞的高速緩存和取數(shù)操作猜測執(zhí)行等動態(tài)存儲訪問機制。

　　它仍采用0.18微米 CMOS標(biāo)準(zhǔn)單元工藝制造，與龍芯1號相比沒有差異，不過龍芯2號最高頻率可達到500MHz，功耗3W--5W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國外同類芯片。設(shè)計人員稱龍芯2號是一款在設(shè)計SPEC CPU2000分值可達到300分以上的64位通用處理器芯片。據(jù)了解，是2002年9月28日發(fā)布的“龍芯一號”實測性能的10到15倍，完全可以媲美Intel Pentium 3，甚至超過1.3GHz的威盛處理器的2倍至3倍，這樣的技術(shù)性能對于龍芯來說已經(jīng)相當(dāng)?shù)牟诲e。

　　龍芯2號處理器它支持64位Linux操作系統(tǒng)和X-window視窗系統(tǒng)，運行全功能的Mozilla瀏覽器、多媒體播放器和一些辦公套件，比32位的“龍芯”1號更流暢地支持視窗系統(tǒng)、桌面辦公、網(wǎng)絡(luò)瀏覽、DVD播放等應(yīng)用，并具備桌面PC的基本功能，尤其在低成本信息產(chǎn)品方面具有很強的優(yōu)勢。在應(yīng)用前景上，也有大幅度的提升，據(jù)了解龍芯2號的主要應(yīng)用目標(biāo)是Linux桌面網(wǎng)絡(luò)終端、低端服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)防火墻、路由器交換機、多媒體網(wǎng)絡(luò)終端機、無盤工作站等。

　　二、龍芯處理器走向何方——龍芯3號處理器將達64核 部分兼容x86

　　中科院龍芯主設(shè)計師胡偉武在其《龍芯3號多核處理器設(shè)計及其挑戰(zhàn)》的報告中指出，龍芯3號多核處理器結(jié)構(gòu)特征是多平臺并行虛擬機結(jié)構(gòu)，第一階段到2008年做8～16核，第二階段到2010年做32～64核。

　　能使用45納米技術(shù)

　　龍芯3號多核處理器系列主要面向服務(wù)器和高性能機應(yīng)用，部分低端龍芯3號也可以面向部分桌面應(yīng)用。

　　胡偉武稱:“龍芯3號在策略上伸縮設(shè)計、有限實現(xiàn)，比如結(jié)合工藝和應(yīng)用，桌面應(yīng)用則四核就夠了?！?/p>

　　2006年10月26日，中科院計算所和意法半導(dǎo)體簽署合作開發(fā)多核處理器協(xié)議，其中便涵蓋45納米技術(shù)的合作，龍芯2號則會進一步采用65納米技術(shù)。

　　龍芯優(yōu)勢在于低功耗

　　龍芯2E工作在750MHz下時，CPU、北橋和內(nèi)存條功耗一共只有7.5W。媒體播放較Pentium 4要快一些。

　　多核處理器的發(fā)展趨勢就是處理器結(jié)構(gòu)正處在轉(zhuǎn)折期，主頻至上的時代已經(jīng)結(jié)束。摩爾定律關(guān)于主頻部分的終結(jié)，晶體管資源還在增加，性能功耗比繼性能價格比后成為重要的設(shè)計指標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)和媒體的普及導(dǎo)致計算機應(yīng)用的變化。

　　“主頻的游戲已經(jīng)結(jié)束了，并行結(jié)構(gòu)我們很有機會?！焙鷤ノ湔f，“我們設(shè)計的方法很正確，有10個核以上，國外廠商更多運用靜態(tài)電路，不可能把10個100W核集成在一起，不可能為了追求極端的性能犧牲功耗。”

　　龍芯3號部分兼容x86

　　龍芯3號的一個目標(biāo)是要建設(shè)和諧的計算和諧，一是指人機和諧，串行程序并行化的問題;另一個是指機機和諧，就是兼容問題。

　　計算所人士說，關(guān)于是否兼容的問題，去年在計算所開了四五次會議討論。不兼容Wintel體系，意味著軟件上的相對匱乏;兼容，一來難以繞開專利瓶頸，二則跟蹤容易越跟越遠(yuǎn)，因為Wintel不是一個固定的死東西，且歷史包袱也不少。

　　目前龍芯2號暫時沒有兼容的打算，而龍芯3號則會嘗試采取類似全美達處理器的思路去兼容x86，至少部分兼容。

　　龍芯3號面臨的挑戰(zhàn)

　　胡偉武指出:研發(fā)團隊的理想是使所有可執(zhí)行文件可以在龍芯上正確快速地運行，要做一個多平臺并行虛擬機結(jié)構(gòu)，一方面通過進程級虛擬機實現(xiàn)Linux上的x86兼容，另外把虛擬機自動并行化。

　　他同時坦言，多核結(jié)構(gòu)的物理設(shè)計方法非常難，如果把16個64位龍芯的核放在一起，反而會成為最大的瓶頸，就像茶壺里倒餃子根本倒不出來的。如果封裝1千個核心，真正傳遞的信號就幾百個，需要把I/O做得很快，否則“里面快外面慢”。要建設(shè)高速傳輸?shù)沫h(huán)境，高速緩存的設(shè)計等問題非常難。

　　高性能CPU少不了和代工廠的密切合作。CPU本身的設(shè)計還是由計算所完成，同時意法半導(dǎo)體今后會在物理設(shè)計方面給于計算所更多的支持。

　　結(jié)語

　　中國工程院院士、聯(lián)想漢卡發(fā)明人倪光南指出：IT核心技術(shù)的掌握關(guān)系到國家的信息安全，因此，IT核心技術(shù)中國非做不可。

　　一位網(wǎng)友在搜狐博客網(wǎng)上這樣寫到：很希望看到中國自己的CPU，不管它的性能怎樣，只要它上市，我就會買。身為開發(fā)人員，深深地能夠理解作為中國的開發(fā)人員所擔(dān)負(fù)的歷史責(zé)任。既然沒有機會加入到CPU的開發(fā)中，那就在他們辛勤工作的時候默默支持吧!多么樸實的言語，但展現(xiàn)的卻是國人高昂的愛國激情!

　　“龍芯”的問世不僅僅在于中國自主研發(fā)出了自己的CPU產(chǎn)品，其更深層次的意義在于它穿透了困擾在中國科技人員心中的一團迷霧，憑借著自身的技術(shù)研發(fā)實力，中國同樣可以自己研發(fā)生產(chǎn)出被國外壟斷的產(chǎn)品。目前有不少年輕人，對國貨表現(xiàn)出一貫的不信任，尤其數(shù)碼產(chǎn)品等。日本人就很善于引進外國技術(shù)，然后學(xué)習(xí)、模仿、創(chuàng)新，中國人同樣也有這種精神。中國既然可以在艱難條件下研發(fā)兩彈一星，在航天領(lǐng)域與美國、歐洲并肩前進，那么在芯片研制領(lǐng)域也一定可以做到!

　　“龍芯”是我們自己的孩子，我們要用心去愛護他。雖然他現(xiàn)在還不如Intel，但至少目前還沒有幾個國家能夠生產(chǎn)出這種暫時不如Intel的東東!這就是我們的驕傲!我們是龍的傳人，不是東亞病夫!我們堅信“龍芯”的成功是必然的!我們期待著“龍芯”帶給我們更多、更大的驚喜!