（集微網報道）無論是出于國家戰略安全的考慮，還是產業升級的需要，國產CPU的研發和應用都要提升到一個全新的高度。憑借這些年來逐步積累的經驗，持續加大的研發投入和很大的工藝提升空間，國產CPU已經在縮小與國際水平的差距。同時，AI、5G、物聯網等新技術也帶來新的計算需求，促使國產CPU進入快速發展階段。

在這個崛起的過程中，還有一個必須要攻克的關隘，那就是指令集架構。不能自主掌控指令集架構，國產CPU就不能實現真正意義上的飛躍。近日，龍芯自主指令系統架構（Loongson Architecture，以下簡稱龍芯架構或LoongArch）的基礎架構通過國內第三方知名知識產權評估機構的評估，并在2021年信息技術應用創新論壇主論壇上正式對外發布，標志著國產CPU已經跨入了一個新時代。

掌握主動權從IP核做起

當前，要構建獨立于WIntel體系和AA體系的安全可控的信息技術體系和產業生態，必須要解決三大環節的問題。

首先是基于自主IP核的芯片設計。因為一個芯片的性能、成本、功耗還有安全性，主要是由里面的IP決定，而不是由芯片本身決定。作為國產CPU代表的龍芯，其主要的IP內核都是自己研發設計的，從而能做到對芯片性能的全面掌控。

二是基于自主指令系統的軟件生態。指令系統是整個CPU的中樞，具體是指一種類型CPU中用來計算和控制計算機系統的一套指令的集合。指令系統主要規定了指令格式、尋址訪存、數據類型、寄存器等，是承載軟件生態的基礎，比如X86承載計算機生態，ARM承載手機生態。

因為位于整個芯片“食物鏈”的最頂端，全球只有Intel、ARM等少數幾家指令系統架構供應商，它們的下游是數千家芯片設計公司。所以，無論從國家競爭力、國家安全、經濟發展等哪一方面看，研發自主指令系統對建立自主的芯片行業標準和生態都具有重大的戰略意義。而基于自研的指令系統，龍芯可以構筑一個自主可控的生態系統。

三是基于自主材料設備的生產工藝，特別是CPU的生產工藝。

在過去20年的開發過程中，龍芯已經積累了有上百種IP，包括最核心的GPU都可以做到自主研發。以SPEC CPU2006定點分值來算，市場主流產品的跑分是20到40之間，龍芯最新的3A5000已經可以達到30分。這就證明了基于自主IP核研發的國產CPU，經過多次迭代，性能是可以逼近、達到世界主流水平的。

“在別人的墻基上砌房子，再大再漂亮也可能經不起風雨，甚至會不堪一擊”，而指令系統就是信息產業的墻基，基于國外授權的指令系統難以建設自主的信息技術體系和產業生態，這是業內已經形成的一致看法。

現在，基于自主開發的龍芯CPU的IP核心，再加上使用成熟的制程工藝，可以從根本上杜絕國產CPU被卡脖子的風險。

屬于國人的龍芯架構

龍芯架構是龍芯中科基于二十年的CPU研制和生態積累所推出的，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。

完全自主、技術先進、兼容生態是龍芯架構的三大特點。

首先，從整個架構的頂層規劃，到各部分的功能定義，再到細節上每條指令的編碼、名稱、含義，在架構上進行自主重新設計，龍芯架構具有充分的自主性。

其次，摒棄了傳統指令系統中部分不適應當前軟硬件設計技術發展趨勢的陳舊內容，吸納了近年來指令系統設計領域諸多先進的技術發展成果。同原有兼容指令系統相比，不僅在硬件方面更易于高性能低功耗設計，而且在軟件方面更易于編譯優化和操作系統、虛擬機的開發。

第三，在設計時充分考慮兼容生態需求，融合了各國際主流指令系統的主要功能特性，同時依托龍芯團隊在二進制翻譯方面十余年的技術積累創新，不僅能夠確保現有龍芯電腦上應用二進制的無損遷移，而且能夠實現多種國際主流指令系統的高效二進制翻譯。

指令系統既自主又兼容是可以的，但需要對計算機系統的融會貫通。這里可以總結為3+3+3的9個能力。第一個3是3個基礎編譯器：GCC、LLVM、GOLANG；第二個3是3個虛擬機：Java虛擬機，JavaScript虛擬機和.NET虛擬機；第三個3是3個二進制翻譯系統，也就是對MIPS、X86和ARM系統的翻譯。通過多年積累，龍芯已經掌握了上述3+3+3的能力，可以實現對計算機系統的融會貫通。

此外，龍芯中科還專門委托國內第三方知名知識產權評估機構對龍芯基礎架構進行深入細致的知識產權評估。從2020年二季度開始，雙方投入上百人月，將LoongArch與ALPHA、ARM、MIPS、POWER、RISC-V、X86等國際上主要指令系統有關資料和幾萬件專利進行深入對比分析。

2021年1月，針對被評估的基礎架構版本該評估機構認為：（1）LoongArch在指令系統設計、指令格式、指令編碼、尋址模式等方面進行了自主設計。（2）LoongArch指令系統手冊在章節結構、指令說明結構和指令內容表達方面與上述國際上主要指令系統存在明顯區別。（3）未發現LoongArch基礎架構對上述國際主要指令系統中國專利的侵權風險。

構筑強大生態

生態是CPU成敗的一個關鍵。傳統PC市場上，英特爾引領X86 CPU的發展并領導著一批 PC 硬件和制造企業為其適配；在移動終端市場，ARM架構則主導著整個產業的走向。

在國內，物聯網市場正蓬勃發展，眾多傳統產業也面臨智能化革新之機遇，國產CPU要發揮引領者的作用，必須要建立一個良好的生態。

本次發布的龍芯架構中，很重要的一點就是具有高效的二進制翻譯。通過以兼容方式保留現有生態，鼓勵合作企業把軟件編譯為龍芯架構，就可以得到更高性能的原生程序。龍芯中科將持續改進龍芯架構的二進制翻譯的硬件支持和軟件優化，爭取在2025年消除指令系統間的壁壘。

為了讓國產軟件在國產CPU平臺上運行的更好，龍芯中科還提供了Loongnix操作系統，支持下游的OS企業和整機企業完成統信、麒麟，WPS等基礎軟件的遷移。

在IP建設方面，龍芯中科也做了很多細致的工作。比如，龍芯中科已經在一定范圍內發布龍芯架構的基礎架構指令系統手冊。待完成評估后，龍芯中科將在更大范圍內發布更完整的龍芯指令系統手冊。同時，龍芯中科還在建立龍芯架構的上游社區分支。

最重要的是，龍芯中科還將聯合產業鏈伙伴在適當的時間建立開放指令系統聯盟，在聯盟成員內免費共享龍芯架構及有關龍芯IP核。據悉，龍芯是國內目前唯一一家，能夠對外授權指令集和IP的通用CPU企業。

在2020年，龍芯中科發起成立了“龍芯生態適配服務產業聯盟”，在過去的一年中，聯盟充分發揮產業協同優勢，推動聯盟成員資源共享以及生態適配、幫助提高聯盟技術人員適配能力、聯合打造行業生態解決方案。

截止目前，龍芯中科已在全國成立了八個子公司，并與70余家公司共同組建龍芯生態適配服務產業聯盟，實現資源互動。相信隨著龍芯架構的發布，整個龍芯CPU生態將會得到更長足的發展，而國產CPU行業也將走上一條獨立自主之路。