2021年12月9日-11日，2021第六屆全球人工智能大會(GAIR2021)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人工智能領域規模最大、規格最高的學術、工業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，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、基于自主指令系統的軟件生態，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。指令集系統承載著軟件生態，軟件生態控制著產業體系，而產業體系是最大的卡脖子環節，基于國外指令集不可能發展自主的信息產業體系。由此，自主性顯得十分重要。

　　龍芯彭飛指出，中國一定要下定決心構建獨立于Wintel(Windows+Intel)體系和AA體系(ARM+Android)之外的自主的信息技術體系和產業生態體系。

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

　　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研制和生態建設積累推出的LoongArch指令系統，充分考慮兼容生態的需求，融合X86、ARM等國際主流指令系統的主要功能特性，并依托龍芯研發團隊在二進制翻譯方面十余年的技術積累創新，可實現跨指令平臺應用兼容，從而達到融合生態的目的。

　　以下是彭飛在GAIR 2021的演講內容，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展現狀。CPU是一個復雜系統，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、基于自主指令系統的軟件生態。

　　指令集是芯片對外的接口，同時是承載上面軟件生態的體系基礎。

　　過去，全世界基本上是基于兩大生態體系：一是基于Windows+Intel，X86架構的產業生態體系;二是AA體系，就是ARM+Android，ARM架構的產業生態體系，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LoongArch，不包括國外任何授權，是跟X86、ARM平行的指令系統。

　　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展，從行業發展來看，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現，美國制裁他國高端芯片的發展并不新鮮，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，忽視生態主導權。如果一直做生態里某一款產品，會難以實現超越。因此，掌握生態主導權極其重要。

　　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體系，前兩大生態體系，X86的生態體系和ARM的生態體系是美國主導的信息化生態體系。希望未來基于我們自己的指令系統、國產操作系統形成和這兩個生態體系平行的一套生態體系，它是產業的基礎，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構建自己的產業生態體系，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，業界一直在爭論這個問題，兼容性和自主性孰優孰劣?兼容有兼容的好處，可以直接利用現有生態里的軟件產品，有現成的生態，一開始發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?從龍芯過去二十年的發展來看，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。

　　LoongArch的特點主要表現在兩個維度：一是用戶態，二是核心態。

　　LoongArch是一個精簡指令系統，32位長指令、32個通用寄存器、32個浮點寄存器。用戶態是給編譯器、程序設計者使用。核心態在內存管理、控制寄存器的數量、規格都進行了大量的創新性設計，是符合現代操作系統的設計。

　　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，動態指令數下降了15%到20%，總體性能提升了12%左右。

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

　　自主指令系統的生態是如何構建的。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，操作系統往上有幾個維度：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。國產操作系統廠商統信和麒麟也都推出了對應的國產操作系統版本。

　　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+GPGPU、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軟件生態體系，包括系統支撐、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、出版書籍等，從多個維度構建LoongArch產業生態體系。

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

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