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1、14（总 2488）科学技术部办公厅 2006 年 3 月 3日为了“龙芯”的跳动自主创新报告团系列报告之二胡伟武1由中科院计算所研制的龙芯 1 号是我国第一款自主研发的高性能通用处理器。在研制龙芯处理器的过程中我们对自主创新有着深深的体会。一、中国信息产业的发展必须走自主创新的道路微处理器是计算机系统及各类电子设备的核心，其设计和制造是技术实力的象征。因为缺乏自主的微处理器设计技术，我国信息产业1 胡伟武，中科院计算技术研究所微处理器技术研究中心主任。中许多核心技术及产品主要依赖进口，不仅经济上受制于人，而且信息系统的安全乃至国家安全也面临巨大威胁。微处理器芯片，特别是通用微处理器，价格很高
2、，一颗用于服务器的微处理器芯片价格高达几万元，占到服务器成本的70%以上。这里有两个数据，每年光是个人电脑和服务器中用的微处理器芯片，国外大公司就从中国赚走 100 多亿美元。 2004 年，我国芯片进出口贸易逆差高达 400 多亿美元，已经成为我国第一大进口货物。中国是个大国，文化和意识形态与西方发达国家有很大差异，核心技术是买不来的，更是拿市场换不来的。信息产业本应以高附加值为特征，但由于我国信息领域的核心技术基本上受制于人，导致信息产业的利润往往只有 2%-3%，我们的企业卖一台计算机，只赚两三百元，却帮外国人赚了几千元。从信息安全方面来说，目前信息战已成为威胁敌对国安全的重要手段，如果
3、我们不掌握信息领域的核心技术，我们的指挥系统、武器装备、金融中心等关系到国家安全和社会稳定的领域和部门就难以有真正的安全，我们的国家安全必将受到严重威胁。前些日子联想集团收购 IBM 公司的个人电脑（ PC 机）业务，这本是一个普通的商业行为，但美国政府对其进行了长时间的特别审查，一个很重要的原因就是担心收购之后电脑里可能会被安装特殊的后门从而威胁美国的国家安全，另一个原因则是担心今后联想制造的个人电脑会在美国市场占据优势从而影响美国企业的经济利益。最近美国政府又否决了香港文传公司收购美国全美达（Transmeta）公司的一个处理器型号的方案，尽管就其技术而言这个处理器已经落后而且没有被市场接
4、受。从美国政府对处理器核心技术（完全掌握在自己手里）所持的谨慎态度，也可以看出我国发展自主的处理器核心技术，该有多么的重要。正因为微处理器的重要性，国家科技部在 “十五”期间将微处理器列为重点发展方向。其实，我国在七、八十年代处理器的研制技术水平并不比发达国家落后多少。但是改革开放后，由于市场受到冲击，导致我国的处理器设计队伍逐渐整体垮掉。计算所于 2001 年成立龙芯课题组，开始进行高性能通用处理器的研制。2002 年研制出龙芯 1 号处理器，性能相当于 Intel 586 水平，完成了我国通用处理器从无到有的飞跃； 2004 年设计的龙芯 2 号处理器性能达到中档奔腾 3 处理器的水平；到
5、 “十五”末我们研制的龙芯2 号增强型处理器已经达到了中档奔腾4 处理器的性能。龙芯处理器的研发成功，标志着我国已经掌握了高性能通用处理器的核心技术，从此，我国信息产业就有了腾飞的基础、中国的信息安全也就有了基本保障！二、龙芯如何自主创新在龙芯处理器的研制过程中，我们深刻体会到，中国要攻克信息产业的核心技术，必须要结合中国国情，走有中国特色的自主创新之路。一方面要通过跨越创新实现核心技术的突破，在核心技术的研究方面在国际上占有一席之地；另一方面要坚持走中国特色的信息化道路，通过产业链的完善实现核心技术的产业化。在“十五”初期，比较主流的观点是我国应该研制专用的嵌入式处理器，很多人认为我国还不具
6、备研制高性能通用处理器的能力。计算所所长李国杰院士从 1999 年开始就呼吁我们在 “十五”期间应该花大力气做通用处理器。说实话，当时即便我们一线的研发人员心里也没有很大的把握，但随着工作的深入和日渐扎实，龙芯1 号也就顺理成章地诞生了。到了在“十五”计划的最后一年，当时我们完成的龙芯2 号处理器达到中档奔腾 3 处理器的水平，我们在考虑 “十五”863 滚动项目时打算通过使用更先进的工艺技术，使龙芯2 号的性能达到中高档奔腾 3 处理器的水平。但是科技部高新司的领导经过分析认为我们应该走跨越创新的道路，要求我们把龙芯2 号增强型的性能指标定位到中档奔腾 4 处理器的水平。当时我们课题组有很多
7、同志都认为这个任务难以完成，但在科技部领导的大力支持和帮助下，经过深入分析和探索，制定了一条有一定风险但经过努力可能实现的技术路线。经过一年的努力，我们设计的龙芯2 号增强型已经完成设计交付流片。根据流片前分析的结果，完全能够达到预定的高设计目标。这两件事让我们明白一个道理，那就是，所谓不可能，是因为我们没有去做。人们常说 “事非经过不知难 ”。通过研制龙芯处理器我们认识到，实际上科研工作中也有 “事非经过不知易 ”，但是这个 “易”不是容易的“易”，而是长征过后感到 “万水千山只等闲 ”的易。正是基于这种自主创新的信心，我们制定了 “十一五”战略目标，争取“十一五”期间在多核处理器的设计方面
8、达到世界领先水平。为什么我们会提出这个目标呢？我们认为，目前微处理器的发展到了一个难得的转折期，由于物理极限和功耗等限制，过去走在前头的国外大公司必须调转船头，反过来走我们走的路；而我们正好可以不要拐弯，直接冲过去。我们认为，走有中国特色的自主创新之路就是要善于抓住机遇，发挥后发优势，另辟蹊径实现跨越发展。计算机领域有一条很重要的 摩尔定律：计算机性能每 18 个月就要翻一番，三年翻两番。根据龙芯的路线图，从龙芯1 号开始，我们利用 3 年时间，性能已经提高了 20 倍（当然龙芯 1 号基础较低） ；在未来的五年中，我们要争取做到每2-3 年性能提高 8-10 倍，实现比摩尔定律更快的跨越发展
9、。龙芯处理器的研制成功在国际上引起了很大反响。2005 年 7 月，美国著名的市场分析公司 In-stat 公司在权威刊物 微处理器报告 上发表文章，详细介绍了龙芯2 号的设计，文章中提到 “中国已经有设计世界一流的处理器的能力。 龙芯 2 号的设计说明中国人正准备生产不亚于世界上任何其他厂家的处理器 ”。英特尔处理器技术实验室主管也在 2005 年 10 月表示：“龙芯 2 号的突飞猛进让人感到惊异，其研发团队的设计和开发能力的提高相当迅速”。由于龙芯 2 号的影响及中国巨大的市场潜力，国外各大公司日益重视龙芯的地位，纷纷寻求与龙芯合作。但是，我们深知，光在研发方面得到国际承认是远远不够的，
10、龙芯的真正价值只有在市场上才能得以体现。在龙芯产业链的建设过程中，计算所积极帮助企业成为创新的主体。我们与江苏梦兰集团合作，在江苏省常熟市成立了梦兰龙芯产业化基地。计算所派出了大量技术骨干驻扎在常熟市工作 。现在梦兰集团已基于龙芯技术研制成功税控收款机、千元低成本电脑、网络监控设备等产品，并将在2006 年形成规模。此外，计算所还分别在长三角、珠三角以及京津唐地区成立了分所，通过人才和技术辐射帮助当地企业提高自主创新能力。三、坚持以人为本、加强创新团队建设龙芯课题组刚成立时，只有十来个人及一间五、六十平米的实验室。经过 5 年的发展已经成长为一支有着100 多人的富于战斗力的队伍。我们课题组有
11、两大特点：一是所有的核心研发人员都是国内培养的，二是主要由年轻人组成，全组平均年龄不到30 岁，同时我们的骨干队伍非常稳定。在龙芯的品牌效应下，我们研发人员的身价也迅速飙升，许多猎头公司找过我们，许以高薪，但没有人离开龙芯团队。那么，是什么使龙芯课题组具有这么强的凝聚力呢？一条重要经验就是：加强队伍的理想和作风建设，将课题组塑造成一支有灵魂的团队。在我们实验室的墙上有两句口号，分别是“人生能有几回博 ”和“求实求实求实创新 ”。我们课题组一直把 “人生能有几回搏 ”作为我们团队的座右铭。如何在现代社会中找到正确的人生目标，体现自身价值，这是我们青年科技人员至关重要的问题。一个人一辈子的时间其实
12、很短暂，能够真正做事的时间就更少了，在有限的时间内能够做一两件写入历史的事情真的是一种幸运。所以，研制龙芯对于我们而言更意味着一种责任，要对国家和民族负责，要对历史负责。记得我们最早开始做龙芯1号时，是计算所用 200 万自己的经费开始干的，那时没有人相信中国人能够作出通用处理器，但是我们做到了。现在国家“十一五”规划和中长期科技规划中明确提出了要大力发展我们自己的高性能通用处理器，面对这样的重任，我们不敢躲避，更不能畏缩。作为科技人员，既然投身于科研，就意味着应当放弃物质上的高要求。作为一名高级知识分子，我们追求更多的是精神层面上科研的硕果；在物质层面上，我们并没有太高的要求，只要能够体现出
13、我们对于社会的价值就足够了，按照我们李国杰所长的话说只要能生活得体面一些就可以了，那么什么叫体面的生活呢？那就是在中关村能够打的起 1 块 6 的出租车。龙芯课题组的另一个重要经验是：非常重视党建工作，充分发挥党员先锋模范作用，坚持用 “毛泽东思想 ”来武装课题组。在龙芯课题组，每个党员的工位上，都贴有 “我是党员”的标志牌，时刻提醒自己作为党员的责任。在每次项目取得重大进展时，龙芯课题组全体党员都去天安门广场看升旗并参观毛主席纪念堂。第二个口号是 “求实求实求实创新 ”。很多人都问我 “你们讲了那么多的创新，你们到底怎么做的？ ”其实，这句话就是最好的回答，不断地积累，实践中提高。我们最开始
14、做龙芯1 号时，也面临着基础薄弱的问题。就国内环境而言，计算所的结构设计和系统设计是强项，但是芯片设计是弱项。在启动龙芯1 号的芯片设计工作时，我们一开始就选定了当时比较先进的 0.18 微米工艺，国内极少有人作过，所以我们选择了一个较为稳妥的技术方案，把龙芯1 号的芯片设计一方面包给一家美国公司去做，与此同时我们自己去做。在与美国公司的交互过程中，我们抓住一切机会去了解设计流程和技术思路等细节，最后我们自己完成的方案比美国公司的方案还要好，面积小而且性能更稳定。就这样，我们完成了第一步的技术积累。做龙芯2 号时，我们为了提高性能，采用了四发射、乱序访存等先进结构，可以说比任何通用处理器都不差
15、，从技术规格上讲已经进入了世界一流通用处理器的行列。但这样也为芯片设计工作增添了巨大的技术难度，其中有一个多端口的寄存器堆，必须做全定制设计。当时，我们没有这方面的技术力量，怎么办？我们也通过一边包给国外有经验的设计公司，一边自己开发的方法，突破了技术难点，并且建立起了我们自己的全定制队伍。当初我们让别人做的是0.18 微米工艺的，而现在我们已经能够自主开发 0.13 微米和 90 纳米工艺的多端口寄存器堆了。龙芯的成功实践充分展示我们的芯片设计能力。当初我们开始做龙芯 1 号时，都没有任何的经验，但现在我可以说，至少在国内，我们龙芯的芯片设计队伍已经不逊色于任何一支团队。这样的进步就连我们李
16、国杰所长也很吃惊。这五年中，我们不仅做出龙芯处理器，更重要的是我们在芯片的设计方法和思路上也实现了创新。在龙芯2 号处理器的研发过程中，由于我们的设计目标很高，任务又非常紧迫，我们意识到在方法上自主创新的迫切性。现有市场上的工具和方法已经不能满足我们的设计需求，需要开辟一条全新的设计思路，建立一套新的设计方法。从2002 年末到 2004 年初，我们初步完成了 “半层次化设计方法 ”的建立，它不同于传统的设计方法，是完全适用于龙芯处理器研发的独特方法，一方面使我们的设计周期大大缩短，另一方面设计性能显著提高。直到现在我们还在根据不同的设计要求，不断改进和完善这套设计方法。之后我们课题组又开发了 “随机指令序列验证平台 ”、浮点模块的标准形式化验证等一系列国际领先的验证方法，为龙芯2 号增强型处理器的开发打下了坚实的基础。龙芯研发的经验告诉我们，只有坚持不懈地进行知识和技术积累，认真分析自身的问题，结合我们的需求，自主创新才能成功。因为龙芯处理器的研发成功，党和人民给了我们很高的荣誉。党和国家领导人先后参观了龙芯的演示。龙芯1
