雷峰網(公眾號：雷峰網)按：2021 年 12 月 9 日-2021 年 12 月 11 日，2021 第六屆全球人工智能大會（GAIR 2021）于深圳正式召開。歷經五年，見證數次潮水的轉向，成為目前為止粵港澳大灣區(qū)人工智能領域規(guī)模最大、規(guī)格最高的學術、工業(yè)和投資領域跨界盛會。

在大會第二天舉辦的“集成電路高峰論壇：國產高端芯片之路”上，匯聚來自學術界、產業(yè)界和投資界的 15 位大咖，共同探討了國產高端芯片的實力以及 RISC-V 帶給中國芯片的機會。

CPU 是一個復雜系統(tǒng)，在我們國家追求自主性的過程中，牽涉到三個維度的自主性，包括基于自主 IP 核的芯片設計、基于自主指令系統(tǒng)的軟件生態(tài)，以及基于自主材料設備的生產工藝。

一個芯片里集成大量的 IP 核，IP 核是否自主設計是最基礎的維度。指令集系統(tǒng)承載著軟件生態(tài)，軟件生態(tài)控制著產業(yè)體系，而產業(yè)體系是最大的卡脖子環(huán)節(jié)，基于國外指令集不可能發(fā)展自主的信息產業(yè)體系。由此，自主性顯得十分重要。

彭飛指出，中國一定要下定決心構建獨立于 Wintel 體系和 AA 體系之外的自主的信息技術體系和產業(yè)生態(tài)體系。

前兩大生態(tài)體系——X86 的生態(tài)體系和 ARM 的生態(tài)體系——是美國主導的信息化生態(tài)體系，未來要有基于我國的指令系統(tǒng)、國產的操作系統(tǒng)形成的，和這兩個生態(tài)體系平行的一套生態(tài)體系。

除了自主性，指令集的兼容性也很重要。龍芯中科基于二十年的CPU研制和生態(tài)建設積累推出的 LoongArch 指令系統(tǒng)，充分考慮兼容生態(tài)的需求，融合 X86、 ARM 等國際主流指令系統(tǒng)的主要功能特性，并依托龍芯研發(fā)團隊在二進制翻譯方面十余年的技術積累創(chuàng)新，可實現跨指令平臺應用兼容，從而達到融合生態(tài)的目的。

以下是彭飛在 GAIR 2021 的演講內容，雷峰網進行了不改變原意的編輯整理：

今天從 CPU 的角度介紹一下基于指令集的國內發(fā)展現狀。CPU 是一個復雜系統(tǒng)，在我們國家追求自主性的過程中，主要牽涉到三個維度的自主性：

1、自主 IP 核。

一個芯片會集成大量的 IP 核，CPU、GPU 僅是其中一個 IP 核，IP核是否能自主設計是考慮自主性最基礎的維度。

2、基于自主指令系統(tǒng)的軟件生態(tài)。

指令集是芯片對外的接口，同時是承載上面軟件生態(tài)的體系基礎。

過去，全世界基本上是基于兩大生態(tài)體系：一是基于 Windows+Intel，X86 架構的產業(yè)生態(tài)體系；二是 AA 體系，就是ARM+Android，ARM 架構的產業(yè)生態(tài)體系，分別在桌面服務器、移動設備領域構建出了兩大體系。我們國家要打造第三套信息化體系。

2020 年，龍芯中科正式推出了自主指令系統(tǒng) LoongArch，不包括國外任何授權，是跟 X86、ARM 平行的指令系統(tǒng)。

3、自主材料的設備工藝自主性。

現在外界常說的“卡脖子”問題，“卡”得最嚴重的就是這個維度。為什么會出現這種情況？

可能有兩方面原因：一是我國沒有承接國外先進的產業(yè)轉移。集成電路起源于美國，當集成電路生產，從美國向外產業(yè)轉移的時候，有的轉移到日本、轉移到韓國，有的轉移到我們國家的臺灣，但沒有轉移到中國大陸。

另一個是過去國家集成電路設計相對比較薄弱，不能通過設計帶動工藝的發(fā)展。不過，這幾年我國芯片設計能力有了大幅提升，通過芯片設計帶動整個工藝快速發(fā)展，從行業(yè)發(fā)展來看，雖然還有差距，但相信再過五到十年，這個差距可以補齊。

在 70 年代，美國硅谷的各種芯片蓬勃發(fā)展，當時芯片設計還不是美國一家獨大，日本、歐洲、韓國都有芯片設計能力。Intel 曾在 70 年代向日本公司授權，讓其采用兼容 Intel 的架構設計 CPU，這些 CPU 既便宜又好用，后來還反銷到美國。1986 年，美國揮起了制裁的大棒。

回顧那段歷史可以發(fā)現，美國制裁他國高端芯片的發(fā)展并不新鮮，歷史在反復上演。為什么會出現這樣的情況？

當時日本犯了一個最大錯誤，就是只重視 CPU 產品的研發(fā)，忽視生態(tài)主導權。如果一直做生態(tài)里某一款產品，會難以實現超越。因此，掌握生態(tài)主導權極其重要。

1982 年，NEC 生產的個人 PC 用的是 Intel 的芯片，1985 年換成了自研芯片，1986 年又換回去了。為什么？因為制裁失去了生態(tài)的主導權，這給我們很大的啟示。

中國一定要下定決心構建自己的信息化生態(tài)體系，前兩大生態(tài)體系，X86 的生態(tài)體系和 ARM 的生態(tài)體系是美國主導的信息化生態(tài)體系。希望未來基于我們自己的指令系統(tǒng)、國產操作系統(tǒng)形成和這兩個生態(tài)體系平行的一套生態(tài)體系，它是產業(yè)的基礎，在別人的基礎上蓋房子總是不牢靠的。

目前基于自主 CPU 的發(fā)展情況是怎么樣？

左圖是龍芯 3A5000 芯片結構圖，這里每一個方塊其實都是一個 IP，這些 IP 都是完全自主設計、自主演進，左下角羅列了芯片里面的 IP 核。

右上角反映了近十年自主 CPU 的發(fā)展速度，第一代 3A1000 跑分是 2-3 分，經過近十年的快速迭代，現在能達到 30 分（目前國際主流 CPU 跑分在 20-40 分之間）。右下角圖片是芯片產業(yè)里性能提升的曲線，可以看到，前幾年呈現線性快速增長，越往后增長越緩慢，龍芯CPU也即將達到性能增長的頂端。

指令集是信息產業(yè)繞不過去的話題，前面提到，我國不可能基于國外的指令系統(tǒng)構建自己的產業(yè)生態(tài)體系，就像中國人可以用英語閱讀和寫作，但是用英語構建我們國家的文化體系、構建民族文化是不可能的。

另一方面，應該如何考慮指令集的自主和兼容性？過去十幾年，業(yè)界一直在爭論這個問題，兼容性和自主性孰優(yōu)孰劣？兼容有兼容的好處，可以直接利用現有生態(tài)里的軟件產品，有現成的生態(tài)，一開始發(fā)展速度可能會快一些，但最大的問題是受制于人。

那么，我們能否做到既自主又兼容的指令系統(tǒng)？從龍芯過去二十年的發(fā)展來看，這是可以做到的，重點是要打造“3+3+3”的核心能力。一是三大編譯器，GCC、LLVM、GOLANG。二是三個虛擬機，Java、JavaScript、.NET。三是三個翻譯器，實現對 MIPS、X86、ARM 的二進制翻譯，直接運行其應用軟件。

目前，龍芯中科推出了自主指令系統(tǒng) LoongArch ，包括基礎架構部分和向量指令、虛擬化、二進制翻譯等擴展部分，近2000條指令，是充分考慮兼容的指令系統(tǒng)。

LoongArch的特點主要表現在兩個維度：一是用戶態(tài)，二是核心態(tài)。LoongArch 是一個精簡指令系統(tǒng)，32 位長指令、32 個通用寄存器、32 個浮點寄存器。用戶態(tài)是給編譯器、程序設計者使用。核心態(tài)在內存管理、控制寄存器的數量、規(guī)格都進行了大量的創(chuàng)新性設計，是符合現代操作系統(tǒng)的設計。

我們對 LoongArch 的性能進行了測試，在相同 IP下，一個用 MIPS 指令集，一個用 LoongArch 指令集，可以看到，動態(tài)指令數下降了 15% 到 20%，總體性能提升了 12% 左右。

LoongArch 指令系統(tǒng)能夠支持二進制翻譯，融合了 X86、ARM、MIPS、RISC-V 指令系統(tǒng)的主要功能特性。

自主指令系統(tǒng)的生態(tài)是如何構建的。龍芯中科推出了二進制翻譯器，又稱 LAT 翻譯體系。最底層是 LoongArch 架構的芯片，再往上是操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)往上有幾個維度：基于 LoongArch 的原生 Linux 應用，比如說本地化的辦公、音視頻的應用。

同時，龍芯中科推出了三個翻譯器 ：MIPS 應用往 LoongArch 上翻譯，ARM應用 往 LoongArch上翻譯，X86應用 往 LoongArch 上翻譯，未來希望能夠做到：從MIPS 翻譯過來百分之百性能不損失，從ARM 翻譯過來90% 性能不損失，從X86 翻譯過來做到 80%的性能不損失。

目前，Photoshop、微信、一些游戲都可以在國產平臺上很好地運行，生態(tài)是有保障的，包括一些主流的 Linux 應用框架都可以原生支持。國產操作系統(tǒng)廠商統(tǒng)信和麒麟也都推出了對應的國產操作系統(tǒng)版本。

關于 LoongArch 平臺的 AI 計算，龍芯中科構建了全域異購 AI 硬件支撐體系，龍芯 CPU +GP GPU、龍芯CPU+ASIC、龍芯CPU+FGPA分別應用于通用 AI 計算和專用AI計算。軟件方面，龍芯中科構建多層級AI軟件生態(tài)體系，包括系統(tǒng)支撐、計算框架、算法模型層級，AI 領域有完整的解決方案。

目前圍繞龍芯中科的產業(yè)合作伙伴已經有上千家，通過一系列的措施，包括標準建設、開源軟件建設、解決方案提供、安全體系、產品認證、人才培養(yǎng)、出版書籍等，從多個維度構建 LoongArch 產業(yè)生態(tài)體系。

同時，LoongArch 正在構建技術產業(yè)聯盟，在聯盟里與產業(yè)合作伙伴實現知識產權的共享，一起打造一套生態(tài)。希望在2025年消除指令系統(tǒng)之間的壁壘。

謝謝大家。

雷峰網原創(chuàng)文章，未經授權禁止轉載。詳情見轉載須知。