国产CPU之最登“科”在即！二十年饮冰，热血难凉

作者 |  保尔

来源 | 格隆汇新股

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2002年8月，我国首款通用CPU龙芯1号正式流片，正式实现了零的突破。近20年后，“龙芯1号”背后的龙芯中科终于启动上市，拟于科创板挂牌上市。

“龙芯”是我国最早研制的高性能通用处理器系列，于 2001年在中科院计算所开始研发。龙芯中科先后完成中国首款通用CPU龙芯1号、首款64位通用CPU龙芯2B、首款主频超过1GHz的通用CPU龙芯2E、首款四核CPU龙芯3A的成功流片。

CPU负责在IT系统中运算和控制，是IT系统的大脑。就像人脑一样，CPU是IT系统最基础的核心硬件，却又是最复杂的芯片。CPU因研发门槛高、生态构建难，一直被称作IC届的“珠穆朗玛峰”。

尽管如此，中国的科学家和工程师们对CPU的研究从未停止。他们大约是这个国度里最聪明的人；另一方面，他们却又是一批甘愿破釜沉舟，数十年磨一剑的“傻瓜”。

CPU的危机

芯片的自主可控是IT系统自主可控的基础。在国际关系日益复杂的今天，芯片安全关系国家安全。

CPU芯片作为最关键的芯片，无疑是重头戏。但CPU的自主化率，却大大落后于其他芯片，整个市场由英特尔、AMD双雄高度垄断。

中国过去亦曾拥有自己的CPU。说起后来国产CPU如何错失发展时机，要追溯到上个世纪80年代。1975 年第一个桌面计算器Altair8800 的诞生，拉开了计算机微型化的序幕。英特尔借助成为当时的巨头IBM ，进入微机市场。由于市场初步形成，所以竞争格局尚未形成，不同流派的处理器百花齐放。CPU厂商包括摩托罗拉、 Zilog、仙童半导体、ADM等。这正是追赶国外技术的关键时期。可是“造不如买、买不如租”、“市场换技术”等方针路线在我国流行，因此CPU的技术发展并未受到重视，逐渐进一步落后于国外技术水平。

但幸好，二十世纪以来，CPU的自主可控重新得到了关注。2000年，一系列的国际事件促使一大批军工科研项目的重启。这亦是龙芯项目产生的背景。而2000年后，三次危机先后掀起了IT自主可控的浪潮。

2008年，微软“黑屏”事件发生。微软中国宣布，未通过正版验证的XP，电脑桌面背景将会变为纯黑色。用户可以重设背景，但每隔60分钟，电脑桌面背景仍会变为纯黑色。微软的黑屏计划，除了显露出微软并不重视计算机用户的物权，更是释放出一个重要的信号：尽管电脑装的是盗版软件，微软仍可随意支配该系统。这意味着，微软这个美国公司，可以随意操控中国用户的系统乃至窃取数据。

2013年，美国“棱镜门”事件发生。英国《卫报》和美国《华盛顿邮报》公开，美国国家安全局自 2007 年开始实施的绝密级网络监控计划“棱镜计划”，直接进入美国网际网络公司的中心服务器里挖掘数据、收集情报，包括微软、谷歌、苹果等参与其中。 2014年，中央国家机关采购中心公告禁止采购Windows 8操作系统。

基础软硬件国产化第三次浪潮，是中兴事件与华为事件。美国咄咄逼人、步步逼近的制裁举措，将出口禁令一再升级。芯片产业链的弱点暴露无遗。国产替代，成为政府以民间的共识。

在三次浪潮下，国产CPU群雄崛起，六大品牌先后登上舞台。国产 CPU 芯片发展出龙芯、飞腾、鲲鹏、申威、海光和兆芯六个主流的体系。

尽管如此，截至目前CPU市场的自主化程度仍不高。以服务器CPU为例。CPU占服务器的成本至少 40%，2019年全球服务器CPU市场规模接近三千亿人民币，光国内规模就达到500亿元。 而英特尔以先发优势和Wintel联盟一家独大，垄断了超过95%的国际市场和国内市场，是难以撼动的霸主。而我国的CPU国产化率还不到1%。

在PC桌面终端的CPU市场格局亦类似，由英特尔、AMD双雄高度垄断。国产CPU之路，仍道阻且艰。

CPU攻克的难点在哪里？

龙芯之父、龙芯中科的董事长、中国科学院计算技术研究所总工程师胡伟武指出： 目前我国芯片行业两大卡脖子问题，一是指令系统架构，二是生产工艺。 此外，胡伟武认为发展核心技术不要幻想“弯道超车”，像芯片这样的高复杂系统能力建设需要以30年为周期，既要撸起袖子加油干，还要耐着性子坚持干。

龙芯：选择完全自主的道路

处理器的开发，包括指令集架构优化、处理器内核开发和终端芯片设计。

其中，指令集架构是第一步。如果CPU产品是摩天大楼，那么指令系统架构，就是绕不开的地基。

目前，CPU主要有两种指令集架构：复杂指令集架构CISC以及精简指令集架构RISC。CISC阵营中，x86架构一枝独秀，而RISC包括ARM、MIPS、RISC-V、Alpha、Power 等。

我国并不拥有主流的自主研发指令系统架构的专利权。如果要追本溯源从头开发，工作量十分庞大。 在这种情况下，如何打好“地基”，成了国产CPU首先面临的难题。 这六大CPU厂商，分别选择了不同的道路。其中，龙芯于2011年购买了MIPS专利获得授权，拥有能兼容MIPS的自研指令集。

其他引进X86架构以及获得ARM授权的厂商，仍有被断供的危险。这些授权依旧是他人的专利，尽管在商业上暂时可以使用，但是授权有可能被停止，因此并不是真的“国产自主”。而龙芯中科属于自主设计企业，拥有100%的源代码，技术自主和技术可控的程度极高。

图：不同授权比较

来源：华泰证券研究所

但是借助MIPS架构，龙芯面临着第二个难题——生态。

生态，甚至超越技术，成为商业化最核心的因素。

英特尔之所以独大，最重要的原因是其与微软共同建立的Wintel联盟。

英特尔采用的是x86指令集。x86 架构是目前唯一的主流复杂指令集（CISC）。事实上，精简指令集（RISC）相较于CISC而言，效率更高、工艺简单而且成本低。CISC的通用性不佳，日趋复杂的指令系统不仅带来效率的低下，还使系统结构的复杂性增加。从技术指标上来看，RISC整体胜过CISC，因此被学术界普遍认为将代替CISC成为主流。英特尔为了实现向后兼容，因此选择坚持CISC，并通过与微软构建起的生态打败了诸多RISC厂商。 可以说，在CPU市场上，生态大于技术。

如今，x86 架构市场庞大，从传统 PC 到数据中心规模的服务器 都在使用基于 x86 架构的处理器，同时相关软件带动的应用服务也有长达40年的优化发展历史；ARM架构下庞大的移动和智能设备市场应用成型，都具备生机勃勃的生态。

而基于MIPS的应用寥寥。龙芯为了高度自主，可谓是选择了一条最难行的道路。 当然，龙芯努力地搭建生态，以弥补不足。如今，在服务器领域，龙芯致力于 Linux 生态体系的兼容优化，提供操作系统和底层软件兜底服务，在PC领域，龙芯 CPU 已经支持主流的整机、操作系统、办公软件、浏览器、输入法和部分设计工具等常见软硬件，覆盖了基本的办公需求。

但整体来看，生态薄弱的问题依然深刻影响着龙芯的商业化进程。

从“不可用”到“能用”

再到“好用”

早在2002年，CPU龙芯1号已经流片成功，成为我国首款通用CPU。

但是经过十余年的发展，一直到2015年以前，龙芯的CPU仍然是被称作“难用”。以龙芯的3A1000/3B1500的单核为例，SPEC CPU 2006分值只有 2-3 分。根据东方证券研究所，在用处理器打开一个20M的测试文档，用时竟然超过半分钟。

但功夫不负有心人，2016年，龙芯推出第二代高性能处理器产品——基于最新架构GS464E的四核处理器3A2000/3B2000。该产品采用国内中芯国际的 40nm工艺生产，访问内存性能提升了10倍之多，基本能耗与3A1000相当的情况下，综合性能提升 2-4 倍，基本达到了 i3-550 的水准。同样是打开 20M的测试文档，该产品所耗用的时间缩短至 6秒。可以说， 处理器的性能得到大大提升，终于到达了“可以使用”的程度。

此后，龙芯的发展明显提速。2019-2020年，龙芯先后推出第三代产品 3A/B4000、3A/C5000、7A2000。其中，3A4000继续使用 28nm工艺，主频 2.0GHz，采用全新架构，集成了全面优化的GS464v 处理器核，性能比3A3000/3B3000再提升一倍左右。新产品打开 20M 的测试文档时间，已经少于1秒，可以对标主流产品，达到了“好用”的标准。

从0的突破，到“好用”，龙芯花了近二十年的时间。

目前，龙芯已经形成了多产品矩阵，包括面向行业应用的专用小 CPU（龙芯1号），面向工控和终端类应用的中 CPU（龙芯2号），以及面向桌面与服务器类应用的大 CPU（龙芯3号）。

但龙芯仍有很远的路要走。龙芯的优势在于单核性能较高，但多核能力较弱，服务器CPU性能，逊色于华为、海光、飞腾等厂商的服务器 CPU 性能。同样迫切的，还有生态构造的问题。

国产之芯，任重道远。