作者 | 保爾
來源 | 格隆匯新股
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2002年8月，我國首款通用CPU龍芯1號正式流片，正式實現了零的突破。近20年後，「龍芯1號」背後的龍芯中科終於啟動上市，擬於科創板掛牌上市。
「龍芯」是我國最早研製的高性能通用處理器系列，於 2001年在中科院計算所開始研發。龍芯中科先後完成中國首款通用CPU龍芯1號、首款64位通用CPU龍芯2B、首款主頻超過1GHz的通用CPU龍芯2E、首款四核CPU龍芯3A的成功流片。
CPU負責在IT系統中運算和控制，是IT系統的大腦。就像人腦一樣，CPU是IT系統最基礎的核心硬體，卻又是最複雜的晶片。CPU因研發門檻高、生態構建難，一直被稱作IC屆的「珠穆朗瑪峰」。
儘管如此，中國的科學家和工程師們對CPU的研究從未停止。他們大約是這個國度裡最聰明的人；另一方面，他們卻又是一批甘願破釜沉舟，數十年磨一劍的「傻瓜」。
CPU的危機
晶片的自主可控是IT系統自主可控的基礎。在國際關係日益複雜的今天，晶片安全關係國家安全。
CPU晶片作為最關鍵的晶片，無疑是重頭戲。但CPU的自主化率，卻大大落後於其他晶片，整個市場由英特爾、AMD雙雄高度壟斷。
中國過去亦曾擁有自己的CPU。說起後來國產CPU如何錯失發展時機，要追溯到上個世紀80年代。1975 年第一個桌面計算器Altair8800 的誕生，拉開了計算機微型化的序幕。英特爾藉助成為當時的巨頭IBM ，進入微機市場。由於市場初步形成，所以競爭格局尚未形成，不同流派的處理器百花齊放。CPU廠商包括摩託羅拉、 Zilog、仙童半導體、ADM等。這正是追趕國外技術的關鍵時期。可是「造不如買、買不如租」、「市場換技術」等方針路線在我國流行，因此CPU的技術發展並未受到重視，逐漸進一步落後於國外技術水平。
但幸好，二十世紀以來，CPU的自主可控重新得到了關注。2000年，一系列的國際事件促使一大批軍工科研項目的重啟。這亦是龍芯項目產生的背景。而2000年後，三次危機先後掀起了IT自主可控的浪潮。
2008年，微軟「黑屏」事件發生。微軟中國宣布，未通過正版驗證的XP，電腦桌面背景將會變為純黑色。用戶可以重設背景，但每隔60分鐘，電腦桌面背景仍會變為純黑色。微軟的黑屏計劃，除了顯露出微軟並不重視計算機用戶的物權，更是釋放出一個重要的信號：儘管電腦裝的是盜版軟體，微軟仍可隨意支配該系統。這意味著，微軟這個美國公司，可以隨意操控中國用戶的系統乃至竊取數據。
2013年，美國「稜鏡門」事件發生。英國《衛報》和美國《華盛頓郵報》公開，美國國家安全局自 2007 年開始實施的絕密級網絡監控計劃「稜鏡計劃」，直接進入美國網際網絡公司的中心伺服器裡挖掘數據、收集情報，包括微軟、谷歌、蘋果等參與其中。2014年，中央國家機關採購中心公告禁止採購Windows 8作業系統。
基礎軟硬體國產化第三次浪潮，是中興事件與華為事件。美國咄咄逼人、步步逼近的制裁舉措，將出口禁令一再升級。晶片產業鏈的弱點暴露無遺。國產替代，成為政府以民間的共識。
在三次浪潮下，國產CPU群雄崛起，六大品牌先後登上舞臺。國產 CPU 晶片發展出龍芯、飛騰、鯤鵬、申威、海光和兆芯六個主流的體系。
儘管如此，截至目前CPU市場的自主化程度仍不高。以伺服器CPU為例。CPU佔伺服器的成本至少 40%，2019年全球伺服器CPU市場規模接近三千億人民幣，光國內規模就達到500億元。而英特爾以先發優勢和Wintel聯盟一家獨大，壟斷了超過95%的國際市場和國內市場，是難以撼動的霸主。而我國的CPU國產化率還不到1%。
在PC桌面終端的CPU市場格局亦類似，由英特爾、AMD雙雄高度壟斷。國產CPU之路，仍道阻且艱。
CPU攻克的難點在哪裡？
龍芯之父、龍芯中科的董事長、中國科學院計算技術研究所總工程師胡偉武指出：目前我國晶片行業兩大卡脖子問題，一是指令系統架構，二是生產工藝。此外，胡偉武認為發展核心技術不要幻想「彎道超車」，像晶片這樣的高複雜系統能力建設需要以30年為周期，既要擼起袖子加油幹，還要耐著性子堅持幹。
龍芯：選擇完全自主的道路
處理器的開發，包括指令集架構優化、處理器內核開發和終端晶片設計。
其中，指令集架構是第一步。如果CPU產品是摩天大樓，那麼指令系統架構，就是繞不開的地基。
目前，CPU主要有兩種指令集架構：複雜指令集架構CISC以及精簡指令集架構RISC。CISC陣營中，x86架構一枝獨秀，而RISC包括ARM、MIPS、RISC-V、Alpha、Power 等。
我國並不擁有主流的自主研發指令系統架構的專利權。如果要追本溯源從頭開發，工作量十分龐大。在這種情況下，如何打好「地基」，成了國產CPU首先面臨的難題。這六大CPU廠商，分別選擇了不同的道路。其中，龍芯於2011年購買了MIPS專利獲得授權，擁有能兼容MIPS的自研指令集。
其他引進X86架構以及獲得ARM授權的廠商，仍有被斷供的危險。這些授權依舊是他人的專利，儘管在商業上暫時可以使用，但是授權有可能被停止，因此並不是真的「國產自主」。而龍芯中科屬於自主設計企業，擁有100%的原始碼，技術自主和技術可控的程度極高。
圖：不同授權比較
來源：華泰證券研究所
但是藉助MIPS架構，龍芯面臨著第二個難題——生態。
生態，甚至超越技術，成為商業化最核心的因素。
英特爾之所以獨大，最重要的原因是其與微軟共同建立的Wintel聯盟。
英特爾採用的是x86指令集。x86 架構是目前唯一的主流複雜指令集（CISC）。事實上，精簡指令集（RISC）相較於CISC而言，效率更高、工藝簡單而且成本低。CISC的通用性不佳，日趨複雜的指令系統不僅帶來效率的低下，還使系統結構的複雜性增加。從技術指標上來看，RISC整體勝過CISC，因此被學術界普遍認為將代替CISC成為主流。英特爾為了實現向後兼容，因此選擇堅持CISC，並通過與微軟構建起的生態打敗了諸多RISC廠商。可以說，在CPU市場上，生態大於技術。
如今，x86 架構市場龐大，從傳統 PC 到數據中心規模的伺服器 都在使用基於 x86 架構的處理器，同時相關軟體帶動的應用服務也有長達40年的優化發展歷史；ARM架構下龐大的移動和智能設備市場應用成型，都具備生機勃勃的生態。
而基於MIPS的應用寥寥。龍芯為了高度自主，可謂是選擇了一條最難行的道路。當然，龍芯努力地搭建生態，以彌補不足。如今，在伺服器領域，龍芯致力於 Linux 生態體系的兼容優化，提供作業系統和底層軟體兜底服務，在PC領域，龍芯 CPU 已經支持主流的整機、作業系統、辦公軟體、瀏覽器、輸入法和部分設計工具等常見軟硬體，覆蓋了基本的辦公需求。
但整體來看，生態薄弱的問題依然深刻影響著龍芯的商業化進程。
從「不可用」到「能用」
再到「好用」
早在2002年，CPU龍芯1號已經流片成功，成為我國首款通用CPU。
但是經過十餘年的發展，一直到2015年以前，龍芯的CPU仍然是被稱作「難用」。以龍芯的3A1000/3B1500的單核為例，SPEC CPU 2006分值只有 2-3 分。根據東方證券研究所，在用處理器打開一個20M的測試文檔，用時竟然超過半分鐘。
但功夫不負有心人，2016年，龍芯推出第二代高性能處理器產品——基於最新架構GS464E的四核處理器3A2000/3B2000。該產品採用國內中芯國際的 40nm工藝生產，訪問內存性能提升了10倍之多，基本能耗與3A1000相當的情況下，綜合性能提升 2-4 倍，基本達到了 i3-550 的水準。同樣是打開 20M的測試文檔，該產品所耗用的時間縮短至 6秒。可以說，處理器的性能得到大大提升，終於到達了「可以使用」的程度。
此後，龍芯的發展明顯提速。2019-2020年，龍芯先後推出第三代產品3A/B4000、3A/C5000、7A2000。其中，3A4000繼續使用 28nm工藝，主頻 2.0GHz，採用全新架構，集成了全面優化的GS464v 處理器核，性能比3A3000/3B3000再提升一倍左右。新產品打開 20M 的測試文檔時間，已經少於1秒，可以對標主流產品，達到了「好用」的標準。
從0的突破，到「好用」，龍芯花了近二十年的時間。
目前，龍芯已經形成了多產品矩陣，包括面向行業應用的專用小 CPU（龍芯1號），面向工控和終端類應用的中 CPU（龍芯2號），以及面向桌面與伺服器類應用的大 CPU（龍芯3號）。
但龍芯仍有很遠的路要走。龍芯的優勢在於單核性能較高，但多核能力較弱，伺服器CPU性能，遜色於華為、海光、飛騰等廠商的伺服器 CPU 性能。同樣迫切的，還有生態構造的問題。
國產之芯，任重道遠。