056｜张福新：它的横空出世，结束了中国信息产业的“无芯”历史｜中科院计算技术研究所｜格致SELF

Video Description

欢迎订阅我的频道，https://bit.ly/3tnM6wI ，每日上新一支新影片😊 它的横空出世，结束了中国信息产业的“无芯”历史 2018年，中兴通信公司被美国制裁，面临芯片断供危机。 龙芯一号的诞生，结束了中国信息产业无芯的历史，从端到云，形成了完整的产业生态体系。 什么是CPU？龙芯有哪些发展过程？如何建设龙芯的生态体系？ 演讲者：张福新 中科院计算技术研究所研究员 演讲时间：2020年11月22日 借助别人的东西，可以快速地达到一定的发展效果，但是最终要想实现自由，还是要掌握自己的能力。 龙芯是我国自己研发的一颗CPU芯片，2018年，我国中兴通信公司——一个年产几百亿的高科技企业被美国制裁，差点就因芯片断供而直接休克。后来美国又制裁华为，我们都在看着一轮一轮的制裁。 直到2020年美国使出大招，说我们只要用了美国技术的企业，就不能给华为服务，直接切断了华为的生产渠道。因为台积电的生产设备里有美国技术，所以它就无法给华为生产。 通过一次次的事件，大家能够看到芯片是多么重要，芯片是扎扎实实地被卡着脖子。 CPU的研制 什么是CPU呢？ CPU应该说是芯片中的芯片，是芯片中最难做的一种芯片，它的复杂度、性能要求是最高的，它是应用在我们个人电脑、服务器等最需要性能的场合的。 这就是我们做的几颗芯片的样子，它最大也只有几平方厘米，但是里面大有玄机。一颗芯片里可以藏几十亿个晶体管，这是一个最基础的单元，它一秒钟能够进行上百亿，甚至更多的运算。 如果我们把科研比作攀登高峰，那么做芯片可以说是在爬喜马拉雅山，做CPU就是爬珠穆朗玛峰。 国产芯片的市场情况是非常堪忧的，我们可以看到，各种领域里，国产芯片的占有率很多都是0，包括个人电脑和服务器里用的CPU。这个0，当然不代表完全没有，只是说数量太少，可以忽略不计。 比如CPU这块，我们这两年进步很大，有希望把这个数字改成1%，但也就是仅此而已。 这样的占有率对我们来说，会有什么样的后果呢？ 我国每年在进口芯片上面，要花几千亿美元，这是第一。 第二，因为我们无法做芯片，就占不到产业的上游，真正的IT产业里最赚钱的企业，往往都是上游这些做芯片的。我们整个电子信息产业中，百强企业的利润加起来还不如美国一家苹果公司的利润，这就是我们为此付出的代价。 当然，这个情况不是没有人看到，比如为什么华为现在被美国制裁，仍然能够挺住它的攻击？就是因为十几年前，它就已经意识到这个风险，开始启动了备胎芯片的计划，在内部悄悄地做了很多芯片。 在科学界，我们计算所的老所长李国杰院士，也是早在2000年前后，就在国家到处呼吁，说我们必须立项做CPU了。当时专家们有很多意见，大家都觉得这个太难了，现在还不到时候，所以当时从国家没要到钱。 后来李所长就下定决心，从自己计算所有限的经费里挤了100万，先在所里立了一个内部课题，鼓励年轻人来做CPU，这时才有了我们龙芯课题组。 真正做起龙芯来时，我们才发现，做CPU不是爬一座山，而是爬N座山，这些山大概可以分成两个群。 一群是来自CPU里的，要做一个好的芯片，做一个性能很高的、用起来很快的芯片，有非常多挑战。 但是，即使做出这样一颗芯片，要放到市场上去能用起来，就意味着外面要打通一个产业链。得有很多人愿意用龙芯，愿意给它做整机，愿意给它写软件，要有一个繁荣的产业生态，这一群山在某种意义上来说难度更大。 里面CPU的设计难在哪里呢？ 主要就是大、复杂。为什么呢？ 现在我们的半导体工艺发展很快，最新的工艺是5纳米，5纳米是什么概念呢？一根头发丝是80微米左右，5纳米就意味着能在头发丝里放16000根线，它能在头发丝这么小的地方走那么多。 一颗芯片里，现在典型的能够在里面放几十亿到上百亿的晶体管，这么多资源在里面怎么指挥，怎么组织分工协调，才能让它发出最大的效力？ 还有很多其他的局限性，比如并不是堆得越多越好，它在工作时是会发热的，热到一定程度，它就无法再继续工作。而现在的芯片真正工作起来时，里边的热的密度就差不多已经相当于电炉丝的密度了。 在这种限制下，又不能无限制地堆，但是又要极限地去追求性能，极限地压榨工艺的潜力，这时就要想办法去做设计挑战。 设计又可以分成前端后端，比如这张图展示的。 做前端就是要研究把100亿个晶体管怎样分类组织，要放几个加法器，放几个乘法器，放几个做存储，放几个做寄存器。它们彼此之间怎样互联互通的效率最高，最后形成一个设计，变成一个线路。这个线路要跟具体的工艺相匹配，比如是要到台积电的7纳米工艺上去做呢，还是在中兴国际的28纳米工艺上去做。 根据不同的工艺，它有不同的物理参数、物理特点，我们要把这两个东西很好地匹配起来。 这里面这么多线，这么多晶体管，只要任何一个出错，就有可能导致整个芯片无法正常工作，所以芯片设计里有很多挑战。 龙芯横空出世 从最早开始，我的运气很好，在2000年进到计算所时，我的导师就是龙芯的总设计师——胡伟武老师。那时胡老师也还年轻，刚刚开始带学生，当时他从所里揭英雄榜，把李所长立的100万做芯片的前期研究的事承担下来了，正在筹备着做龙芯。 所以我这20年，就一直在做这一件事情，从头到尾，见证了龙芯的发展过程。 这是我们最早做的龙芯1号。2000年课题组成立时，一共只有2个老师和十几个学生。包括老师在内，没有人做过CPU，一切从零开始。但那时大家都非常振奋，非常激动，觉得有这么一个挑战机会非常难得，所以我们就没日没夜地看资料，去做各种设计讨论，然后调试测试。 有一句话说：天道酬勤。 我的印象特别深刻，因为当时我们在调试一些问题时，经常会发现，如果朝九晚五，下班到点就走，好像有些问题永远也解决不了，始终没有灵感。 但是如果下了狠心，说这个问题一定要解决，不解决就不回去睡觉。这时熬上一天、两天、三天，经常在深更半夜，夜深人静时，一个灵感突然来了，问题就突破了。 所以那时，我们隔三差五地就会熬上一阵，碰到一根硬骨头，就把它熬出来。一年时间，我们就把一个原型性的芯片做出来了。 中科院的领导非常高兴，马上就给我们追加了500万的经费，使得我们能够继续往下做。 2002年8月10日凌晨6点08分，这个芯片正式调试成功启动。胡老师也很高兴，登录到系统里，输入了一段话。大概意思就是说，今天我们中国信息产业无芯的历史结束了，在场的人们见证了这个过程。然后把我们在场人的名字全部都列在那里。 现在我们回过头去看，这个芯片还是一个很粗糙的设计，但是重要的是那时能有去做这件事的勇气。 而龙芯一号出来后，大家信心大涨，我们从国家那边，从863项目又得到了支持，继续做龙芯2号。 那时国际上已经做了几十年芯片了，我们从零开始，还有很多有差距的地方需要追赶，所以我们做了很多计划。我们把国际上先进的技术一个一个拿来研究，研究透一个做一个，就是用小步快跑的策略，做了一系列的芯片。 但是，我们一开始就碰到一个很大的挫折。龙芯的第一个芯片叫2A，它拿回来后是“半身不遂”的。这个芯片只能在电压很小的范围内工作，高了不行，低了不行，一没达到我们的要求，就用不起来。 最后追究原因时发现，是我们对物理参数，对工艺的理解不够透彻，因为我们都是做计算机出身的，工艺更需要做微电子和做物理的人。所以我们当时从微电子所引进了黄令仪老师和他们团队，就慢慢地把这块短版补上了。 再接下去，就是把一个个先进的技术往龙芯2号里面堆，努力地去追赶国际先进技术前沿。 2007年，芯片863验收时，我们做出来的芯片已经比1号快了一个数量级以上，也就是10倍以上。 这时国家非常重视，当时的科技部部长徐冠华专门来参加龙芯的验收会。 在龙芯2号做到一定程度时，我们觉得这个芯片已经差不多了，从很多参数来看，我们的确跟当时国际上最好的一些芯片相比，也没有很大差距了。 👇🏽歡迎嘗試我頻道裡的其他影片👇🏽 通信：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pA3YNZg7Vd54gu9j-3lu9xW 人工智能：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pDbRLnJxM-PEfZ1W_s2nRDD 航天：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pAyFQasWXGZxmxOPksoswWO 宇宙：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pC_0V2bllUY0-byY89NHFX6 教育：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pDjQ_3XtuKkNEa1iT7i3wdZ 少年中国：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pDK84f6vdIZ4XsrIEI-Mr8e 植物：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pAuvffvEL-xSlMhT9K5SWfH 生物：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pBn7e2LFaAPUS11idLYouKM 心理：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pDxxCMFA_XtfzE78yIMZYI_ 医学：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pC5H2fLJqFB-h_weTvHaddl 生态：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pC5H2fLJqFB-h_weTvHaddl 环境：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pBvEcPpC36E6AOjPoK_BKka 药学：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pCixaMNMdGjnCcd8RLdr91s 数学：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pAXjBANV55Nt9hYG19KLT1N 物理：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pBNdoA2y7-RW5jfRnxXdtQ5 化学：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pAew_hXCBptVsjcg6teWJlg 艺术：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pDHAhKsuy4dIHb5g_ethAzw 摄影：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pC7yr0V9nIzhMf_nNK2rLys 传媒：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pAM2Z-BDaoi3BLFySYqc4BW 考古：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pBOSQ8G2F-lrNwfYDqjF2GY 恐龙：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pBXkbu-DKCpnuJrr-xUSE4t 诺贝尔奖：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pAIi1rM6DhUcReUpkEd7pbU 工程：https://youtube.com/playlist?list=PLB9Z6EK7D1pBucKmv2hF3pa97N6qKJQrr