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芯征程 | 技术断档20年，中国CPU还有机会吗？

晰数塔互联网快讯
2021-06-15 11:42

芯片，国之命脉。

这一枚小小的方块，竟卡住了我国无数尖端行业的咽喉，成了科技巨头们的阿喀琉斯之踵。

2021年，36氪重磅推出《芯征程》系列产业观察。本系列将对半导体产业上下游进行一次全方位的深度研究，包括不断突破摩尔定律极限的制造巨头、设备供应商、材料供应商、以及芯片设计企业。希望我们的内容能够为饱受“缺芯”困扰的中国产业界提供一些借鉴与参考。

2013，国家“核高基”计划逐步放弃了CPU芯片的自主研发路径，转而支持起海外技术引进。在这样的背景下，IBM、AMD等手握顶尖CPU芯片技术的海外巨头纷纷涌入，以合资公司、授权低端技术的模式横扫了国内市场。

这招釜底抽薪，无疑把当时一大批依靠国家补助为生的国产CPU逼上了绝路。而这其中，就有我们今天文章的主角——龙芯。

这是个埋头苦干了20年的国产CPU团队，它起源于中科院，几乎代表了纯国产CPU的最高水平。它有过诉讼缠身的困境、遭受过市场的“毒打”、也经历过从科研到企业的残酷蜕变。

它不仅从2013-2014年那场合资潮中幸存了下来，更在2015年实现企业盈亏平衡，摘掉了“补贴”的帽子。2019年全年，龙芯CPU出货量超过50万片。而到了2020年前九个月，这个数字飙升到了200万。

就在今年1月，中国证监会北京监管局官网披露，龙芯中科即将冲刺科创版IPO。

断档20年的中国芯片

中国的CPU技术从80年代开始断档。

在80年代之前，中科院计算所、国防科技大学、清华大学等科研机构从未间断对集成电路（芯片）的持续研究，在某些领域，我们甚至已与国外顶尖水平相差无几。

然而，随着集成电路技术的日益复杂，研究所需的资金投入增长惊人。80年代中期，在“造不如买、买不如租”、“市场换技术”等理论的影响下，国家陆续放弃了对大规模集成电路技术的研究，转而大量购买国外芯片产品。

彼时中科院计算所的研究员黄令仪在回忆起这段日子时，曾经痛苦地写下：“我知道他的意思了，一走出北楼门口，忍不住失声痛哭了，难道我们呕心沥血十几年创建的研究室就这样结束？计算所今后设计计算机的人真的只能看到黑匣子，而里面是什么都不懂了？难道计算所今后真的走向了’无芯’的未来？”

在接下来20年间，芯片技术突飞猛进，“美国硅谷”突然成为了全球最顶尖的科研创新场所，英特尔、AMD、IBM、摩托罗拉等企业乘势崛起，摇身一变成为垄断全球的芯片大亨，徒留中国一脸错愕。

在猛然意识到大规模集成电路的重要战略意义后，90年代，风气开始转变。2000年10月，中国提出“十五计划”，并将“大力发展集成电路”列入了十五计划纲要，国务院更是印发了18号文件，铁下心来大力扶持集成电路产业发展。

在这样的大背景下，无数人才、无数机遇齐齐涌入。

1999年，留美芯片设计师李德磊通过撬动日立的行业资源，将一整套为日立做CPU技术外包的团队收入囊中，并在2001年推出了中国第一块“国产”CPU芯片——方舟1号。

这是个受到倪光南院士力捧芯片项目，也是在断档20年后，中国大规模集成电路的首个产品。这款终结了20年“无芯史”的方舟芯片甫一面世便被推上了神坛，国家部委联合召开盛大的新闻发布会，出席代表阵容豪华，一夜之间将方舟芯片捧成了最闪耀的明星。

受方舟项目的刺激之下，中科院计算所、国防科技大学、无锡江南计算技术研究所等机构陆续成立了龙芯、飞腾、申威等CPU项目，一时间百花竞艳，好不热闹。

「龙芯」项目由中科院计算所孵化，计算所所长李国杰院士直接推动，研究员（同时也是日后龙芯的总设计师）胡伟武牵头负责。

胡伟武，图源：北京日报

想要造出一款CPU，光有政策、有热度还远远不够，还要有真金白银的研发经费，和一大批精通集成电路操作系统、编译、体系结构、I/O、软硬件、逻辑门、触发器、译码器的技术人才。

然而，龙芯团队的总研发费用只有区区200万元，其中100万还要留下来培养研究生，真正能用在CPU研发上的最多只有100万元——当时，英特尔仅一年的研发费用就高达40亿美元。

CPU是现代科技工艺的巅峰之作，其设计环节之繁琐、应用之复杂难以想象。面对上万倍的资源差异、几十年的领先优势，追赶起来谈何容易。

在那几年间，龙芯团队没日没夜地泡在实验室里，一点一点地抠代码、写文件、烧FPGA，每天三四点钟入睡，八九点就起来继续工作，有时凌晨在实验室里“手里扶着鼠标、靠在椅子上就睡着了”。

胡伟武回忆说，“我是容易受感动的人，看到这样的场景忍不住想落泪。但我还是狠下心叫醒他们，询问昨天晚上的进展并让他们接着干。”

由于实在缺少拥有实践经验的CPU物理设计人才，为了保证CPU项目的顺利推进，胡伟武甚至托人请动了在抗日战争中长大，曾经参与见证中国第一代微电子产业发展的泰斗级研究员黄令仪女士。

当时的龙芯团队中普遍有这样一种观点：我们现在落后这么多，别人不比我们笨，如果大家都一样一周五天一天8小时上班，恐怕很难赶上人家，唯有像当年搞“两弹一星”一样拼命，至少得累死一批人。唯有这样，我们才能不受欺负。

为了让研制出来的第一块CPU“龙芯1号”顺利长大，龙芯项目组内部甚至给这块芯片取了一个极具中国特色的小名——“狗剩1号”，希望名字贱一点容易养活。而“狗剩”的音译“Godson”也顺理成章地成为了龙芯最初的英文译名。

2002年8月10日，清晨6点08分。在龙芯FPGA样板点亮的一年以后，流片成功的“龙芯1号”CPU终于正式面世了。在中科院计算所北楼105房间里，那块搭载着“狗剩1号”CPU的计算机屏幕上，“login:”的字样如约而至，标志着第一块国产CPU的成功。

团队的欢呼声几乎冲破了天际，胡伟武迫不及待地抱起了键盘，用vi编辑下了龙芯1号产生的第一个文件。在那块窄小的屏幕上，他写道：

“The historical time of 6:08 on 2002.8.10 ends an era while begins a new one.”

（2002年8月10日，6点08分，一个崭新的时代开始了。）

震惊全国的“汉芯造假”

2002年，在“龙芯1号”项目跑通了之后，胡伟武带着团队乘胜追击，“龙芯2B”于2003年流片成功。

然而，在短暂的胜利之后，迎接龙芯团队的却不是鲜花与掌声，而是一段荆棘遍布的旅程。

2004年底，“龙芯2C”虽然流片成功，却因没有达到国家“863课题”合同要求的300分而没有完成验收，压在胡伟武身上的担子陡然重了起来。

上文提到，2000年底，国家将发展集成电路列入了“十五计划”纲要里，“863课题”中也对龙芯定下了“主频1GHz、SPEC CPU2000分值达到500分”的目标。

眼见着2005年“十五计划”收官在即，龙芯团队只剩下一年的时间。龙芯2C连300分都没有完成，下一代的“龙芯2E”要完成500分，谈何容易？

然而，这担子不抗不行。胡伟武深知，倘若“十五”的任务完不成，那“十一五”国家是不是还支持自主CPU研发，谁都不知道。

2005年11月底，“龙芯2E”正式交付流片，2006年3月流片成功，通过编译优化“勉勉强强”、“硬着头皮”达到了500技术指标。

然而不幸的是，恰逢其时，震惊全国的“汉芯造假事件”爆发。

在2000～2005这五年时间里，中国掀起了一场轰轰烈烈的“全民造芯”运动，各大“国产处理器”层出不穷，汉芯、龙芯、以及上文提到的飞腾、申威等都是出自这一时期。

热潮之下，免不了投机取巧、浑水摸鱼之徒。

当时，「汉芯」团队的负责人陈进通过从美国购买芯片，再雇人将芯片表面的原有LOGO用砂纸磨掉，然后加上「汉芯」的LOGO，摇身一变成为拥有“自主知识产权”的集成电路“重大突破”。汉芯项目也成功通过层层验收，成为国家级重点科技攻关项目。

消息一出，全民哗然。

当时的市场并不理解“自主可控”的重要意义，在“造不如买、买不如租”的思想指导下，耗资巨大的CPU自主研发项目本就争议缠身，汉芯事件一曝光，龙芯、飞腾、申威统统被拉下了水，质疑之声不绝于耳。

在“十五计划”的863课题结束后，“十一五”的“核高基”课题（核心电子器件、高端通用芯片和基础软件产品重大专项）却迟迟启动不了。

海外的CPU研发进程一天都没有停止，我们本已落后不少，如今再一耽搁，只怕追赶起来更为困难。

幸运的是，当时的中科院领导顶住了压力，紧急拨给了龙芯团队所急需的500万元的前期研发经费，督促龙芯加快“龙芯3号”的研发。

在“龙芯3号”的第一款芯片“龙芯3A1000”完成设计，却因缺少流片费用而无法投产时，科技部高新司冯记春在863计划内紧急安排了2000万经费，全力支持龙芯的研发。

当时的中科院计算所所长李国杰甚至在会议上当众表态，“胡伟武，你不能以任何经费的理由放缓龙芯3号的研制，计算所就是砸锅卖铁也要支持龙芯的研发。”

一直到2010年，“十五计划”结束的5年之后，龙芯团队才收到了第一笔“核高基”的课题经费。而在此之前，龙芯课题组已经预支了计算所近8000万元的研发经费。

顺便一提，2010年，英特尔全年研发费用为65.7亿美元。

龙芯的十年研发，却还抵不上英特尔一个月的研发费用。

卡住脖子的不是芯片，而是操作系统

从2006年开始，市面上陆续出现了使用“龙芯2E”、“龙芯2F”的电脑，它们大多是袖珍主机或者一体机，由中科院和江苏梦兰合资的龙梦公司生产，运行Linux操作系统，价格低廉。

比如，搭载“龙芯2F”的福珑2F迷你电脑，售价仅为人民币1800元，远低于市场同类产品。

2007年的龙芯电脑，图源：人民日报

然而，在Windows系统独霸天下的电脑市场，运行Linux系统的龙芯电脑始终难以打进主流市场。

芯片与操作系统是强绑定的，如果芯片是一片土地，那么操作系统就像一棵大树，我们所使用的视频、文字、浏览器等应用就像是大树上的果子。

正如橘生淮北，同样的树木移植到另一片土地上就会无法生长，同样的操作系统也无法跨芯片使用，更别谈那些长在树上的“果子”了。

因此，在微软Windows与英特尔芯片结成强绑定的这几十年里，这棵树苗已经长成了枝繁叶茂、荫蔽四方的庞然大物，树枝上结满了各式各样的“果子”，从Word文档、PPT幻灯片、到迅雷下载、暴风影音、QQ、Photoshop……

终端用户不关心芯片、也不关心操作系统，他们需要的只是树上的果子。

只要微软一天不给龙芯授权，龙芯的电脑就一天不能用Windows系统，也就无法面向最广大的消费用户。

“走！下海去”

“龙芯在科学院里面已经做得很好了，不能再好了，要想更好，就必须下海办企业。”

——这是原国家外专局局长马俊如时常对胡伟武说的话。

一直以来，龙芯都只是中科院里的一个课题组项目，既不自负盈亏，也无真正的生存压力。

学院研究环境给予了龙芯宽松的成长空间，让尚处襁褓中的国产CPU有了喘息之机。

可随着龙芯项目的进一步成长，商业化、市场化的需求日益迫切——正如一条逐渐成长的大鱼，已无法在窄小的鱼缸中继续生活。

2009年，“龙芯3号”的第一款龙芯3A1000正式投产，这款芯片采用65nm制程，是我国第一个四核CPU芯片，也是唯一能支持多路服务器的自主CPU，它标志着龙芯CPU商用步伐的又一重要里程碑。

在此鼓舞之下，2010年初，龙芯团队下定决心，技术骨干们集体从中科院计算所辞职“下海”，将「龙芯」从课题组转化为公司形式，变成了如今人们所熟知的「龙芯中科」。

这本该是令人兴奋而惊喜的好消息，然而，谁都没有想到，龙芯史上最深的一个“坑”、最残酷的一次挑战、最惨痛的一个教训，竟然来得那么快。

由于刚刚转向公司管理，龙芯团队原有的“作坊式”的设计流程被打破，专业的公司化工作流程却没有建立起来，各方人员手忙脚乱，失误频频。

2010年6月，龙芯3B1000送去流片，却因一个极其简单的低级错误而导致流片失败，送回来的样片连系统都无法正常启动。

这是龙芯历史上第一次出现这样简单的工作失误，却不是最后一次。与龙芯3B1000同一时期流片的龙芯1A、龙芯2I等芯片，全部都出现了类似的低级失误，致使大量流片费用全都打了水漂——对于一家自负盈亏的企业来说，这样的打击无疑是巨大的。

然而，管理上残留的“学院派”并不是把龙芯逼上绝路的罪魁祸首。

真正把龙芯逼到绝境的，是脱离用户需求，产品方向走上了“学院派”。

在“十一五”期间，多核CPU成为了国际学术界的热点研究方向。受学院派思想主导的龙芯团队脱离了市场需求，在龙芯3B芯片的设计之初就把研发重心放在了多核上，而且盲目追求“核数做得比国外还多”。

2013年，一波三折的“龙芯3B”终于正式面世，龙芯团队磕磕绊绊地拿出了当时国际上最高峰值浮点运算速度（160GFLOPS）的芯片产品，其论文不仅被Hotchips、ISSCC这些顶级国际芯片会议录用，还在学术界引起了巨大的反响。

然而，由于过度追求多核、浮点峰值性能这些单一性能指标，“龙芯3B”的通用处理性能严重不足，和2006年的“龙芯2E”相比只提高了30%-50%。

可这7年之间，英特尔等市场主流的CPU的单核通用处理性能却足足提高了500%以上。

7年前，“龙芯2E”的性能还只是和国外领先水平差了1-2倍；可7年之后，“龙芯3B”的性能足足差了一个数量级，追赶无望。

技术上的差距体现在市场上就是不好用，甚至是不能用。由于“纯国产”CPU无法满足通用处理器的性能要求，从2013年开始，国家的“核高基”计划陆续放弃了CPU自主研发路线，转而开始扶持起了“CPU技术引进”型企业。

广阔的中国市场打开，迎面涌来的是海量商机。IBM、AMD、英特尔、威盛、ARM等一大批海外巨头全都坐不住了，纷纷来到中国寻求合资与技术授权，「芯片合资潮」瞬间模式横扫了国内市场。

此时的龙芯虽然已经转型成为一家自负盈亏的企业，却依旧主打的是“国产替代”市场，在涉及国家安全的通用PC和服务器市场实现自主可控，主要靠国家支持进行研发。

对于龙芯来说，“核高基”放弃了自主CPU的支持无异于釜底抽薪，把困难重重的「龙芯中科」逼上了绝路。

在事后谈起这段日子时，胡伟武回忆道，“‘十五’期间负责863计划的科技部高新司领导在龙芯2C没有达到预期技术指标，龙芯2E立项专家提出19条反对意见的情况下作为非共识项目支持龙芯2E的研发，给了我们一次改进的机会。”

“而这次，机会没有了，需要我们自己想办法。”

痛定思痛，知耻后勇。2013年5月，龙芯迅速调整产品方向，暂停了已经完成主要设计的16核“龙芯3C”，开始回头重启四核“龙芯3A2000”的研发，放弃高性能机专用CPU的研制，重点把双核、四核处理器做精做透。

与此同时，龙芯将聚焦点从科研挪开，回到产业，回到商业落地，针对宇航、石油、流量表等特定产业、特定应用研制基于“龙芯1号”的专用芯片。由于专用芯片产业链短，能够让龙芯形成技术优势，并快速形成销售。

为了省下流片的费用，当时龙芯中科还承接了一个“基于40nm工艺的高可靠嵌入式CPU研制”项目，用实验中的技术免费流片。

而在最困难的时候，龙芯甚至还不得不向“娘家”中科院计算所借了500万元，以缓解研发的燃眉之急。

功夫不负有心人，在熬过了整整一年多的至暗时刻后，从2014年下半年开始，龙芯的一系列调整开始有了回报。

2014年，龙芯中科全年营收同比增长51%；2015年再增57%，并顺利跨过了盈亏平衡的门槛，摘掉了“国家补贴”的帽子，能够通过市场销售养活产品和研发团队。

2016年底，具有里程碑意义的“龙芯3A3000”也正式研发成功，这款芯片跟2013年的“龙芯3B”相比，不仅通用处理性能飙升了5倍以上，更是在不少领域超过了同类型的四核“合资CPU”。

2016年10月7日，当胡伟武走出人民大会堂，回忆起过去这十年风雨时，他感慨万千：

“当十年前我开始龙芯3号研制时，完全没有想到龙芯3号系列CPU发展道路之曲折，奋斗之艰辛，付出之巨大。”

所幸，一切都是值得的。2019年全年，龙芯CPU出货量超过50万片。而到了2020年前九个月，这个数字飙升到了200万。

侵权风波

其实龙芯从诞生之初，便时常被负面消息缠绕着。而其中影响最大、持续时间最长、最饱受争议的，就是龙芯和MIPS之间的恩恩怨怨。

弄清楚MIPS之前，首先要弄清楚什么是“指令集”。

指令集是一套软件，位于芯片和操作系统之间。芯片使用的是“硬件语言”、操作系统使用的是“软件语言”，指令集的作用可以理解为二者之间的“翻译官”。

指令集和芯片、操作系统都是强绑定的，英特尔的x86指令集与Windows系统绑定、ARM的指令集与安卓系统绑定。

而指令集就像一门语言，有自己的单词、句子、语法规则。英特尔和ARM的指令集就像是「英语」，现在全球都在使用这门语言，用的人多了自然就强大起来。你现在手机、电脑上的所有应用，都是在这个语言体系里长出来的。

理论上任何人都坐在家里都可以设计出一门自己的语言——就像《星际迷航》《魔戒》等文学作品里，作者也会为克林贡人、精灵、矮人设计它们自己的语言。但这些编出来的语言并不会有人去大规模使用。

这就是龙芯在2000年项目最开始之时遇到的第一个问题。

龙芯的指令集，要用哪一个？

20年前的芯片市场，可比现在热闹多了。当时，英特尔还是高性能计算领域的后起之秀，其x86虽然势头正猛，却离今天垄断全球的霸主地位相差甚远。

市场上各类架构百花齐放，不仅有英特尔的x86，还有IBM的Power指令集、DEC的Alpha指令集、SUN的SPARC指令集等等。当时，连苹果都来凑了个热闹，拉上IBM、摩托罗拉一起搞了个PowerPC架构（芯征程 | 苹果造芯30年）。

由于每种指令集都注册了技术专利，没有得到授权无法直接使用。尤其是x86指令集，英特尔已经将围绕x86的所有专利全都注册了个遍，围得像个铁桶，完全无法切入。

几经商议之下，龙芯最后将目标投向了既能用在机顶盒、桌面电脑，又能用在高性能服务器里的MIPS指令集，采用了“MIPS兼容”的模式：

1、超过专利保护期的MIPS指令集已经公开，可以直接使用；

2、还在专利保护期内的部分，龙芯采用自己的结构实现了MIPS指令系统，可以理解为一个是普通话，一个是四川普通话。

在龙芯只是一个科研项目时，这种做法并不会引来多少非议，然而随着龙芯逐渐走向商用，美国MIPS公司逐渐关注到了大洋彼岸的龙芯。

MIPS要求龙芯支付100万美元的技术授权费用——对于当时的中科院计算所来说，这无疑是笔天价——双方多次协商会谈，却始终没有达成协议。

据当时的媒体报道，2005年时，龙芯曾与微软接洽，力争得到微软Windows CE嵌入式操作系统的合作授权，最后却因MIPS专利纠纷问题而最终没有成功。

搭载Windows CE系统的学习机，图源：知乎osnine

一直到2006年，龙芯才最终通过和意法半导体合作的方式，获得MIPS专利的使用权。

虽然一开始采用的是MIPS兼容模式，但是在这20年间，龙芯其实从未停止过对自主研发指令集的探索。早在”龙芯2号”中，龙芯团队就加入了自研的多媒体编解码指令集LoongMMI。而在“龙芯3号”中，龙芯团队又加入了二进制翻译指令。

同样在这20年间，随着英特尔的x86架构一骑绝尘，MIPS生态逐渐衰弱了下去，MIPS的专利权也几经易主，辗转流落到了几个公司手上，最后被美国初创Wave Computing收入囊中。

趁着这一机会，2015年——就是龙芯公司正式迎来盈亏平衡的那一年——在“龙芯3A2000”的发布会上，龙芯正式发布了LoongISA指令集，其中既包括500多条MIPS64命令，也包括1400多条龙芯新增的指令。

2021年4月，在Wave Computing申请破产重组一年后，龙芯更是正式拿出了自研LoongArch指令集，并宣布公司一年前发布的“龙芯3A4000/3B4000”全部支持该指令集。

目前，这两款龙芯CPU已经搭载在了联想长风、天玥、同方、方正、海尔等品牌的台式电脑、笔记本电脑、服务器等设备上。

汉芯风波在前，MIPS风波在后，此后的龙芯在专利问题上变得越来越谨小慎微，绝不轻易对外公布指令集的细节，以防再度惹上官司。有时哪怕是开发者们向龙芯索取信息，也往往会吃个闭门羹。

然而，就在几天前的6月2日，龙芯再度卷入了MIPS侵权风波中。上海芯联芯公司发布公开声明称：

1、芯联芯自2019年起已取得MIPS在中国的独家、永久和不可撤销的经营权，龙芯中科未向芯联芯支付足额的技术授权金，目前双方在香港进入审理仲裁阶段；

2、龙芯中科公司“彻底抛弃MIPS，发布自主指令系统LoongArch”的报道宣传偏离事实；

3、龙芯中科只公开了LoongArch的部分源代码，不具备行业公信力，涉嫌侵权。

对此，龙芯中科公开回应称：芯联芯公司向龙芯中科的合作伙伴、社会公众不断发布各种恶意中伤、诽谤龙芯中科。龙芯中科已经采取法律行动。

龙芯中科回应原文，图源：龙芯中科公众号

尾声

面对龙芯，“不吹不黑”是最好的态度。毕竟这个时代里，为任何市场化的企业扣上“民族希望”的大帽子，都将会是一种捧杀。

客观来讲，龙芯CPU目前切入的依旧是一个小市场，即便现在年出货量突破200万片，有了联想长风、天玥、同方、方正等一些列电脑品牌方采用，它在技术、管理、人才、以及产品、生态、市场占比上，都与国际顶尖水平差了一个量级。

然而，这不代表龙芯毫无技术亮点，是只懂“圈钱骗补”的PPT项目；也不代表龙芯的技术领先全球，承载着民族振兴的新希望。

它所代表的仅仅是，自研CPU很困难，但已经有人在做了。

参考资料

1、《2019龙芯产品发布暨用户大会合作伙伴联合发布基于龙芯平台最新产品》 2、《甘当20年备胎的龙芯能有什么坏心思呢》guee 3、《尴尬中国芯：龙芯CPU的艰涩之旅》财经文摘 4、《回望50年》黄令仪 5、《我们的CPU》胡伟武 6、《我们的龙芯1号》胡伟武 7、《我们的龙芯3号—致龙芯15周年》胡伟武