2021年12月9日-11日，2021第六屆全球人工智能大會(huì)(GAIR2021)于深圳正式召開。歷經(jīng)五年，見證數(shù)次潮水的轉(zhuǎn)向，成為目前為止粵港澳大灣區(qū)人工智能領(lǐng)域規(guī)模最大、規(guī)格最高的學(xué)術(shù)、工業(yè)和投資領(lǐng)域跨界盛會(huì)。
在大會(huì)第二天舉辦的“集成電路高峰論壇：國產(chǎn)高端芯片之路”上，匯聚來自學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和投資界的15位大咖，共同探討了國產(chǎn)高端芯片的實(shí)力以及RISC-V帶給中國芯片的機(jī)會(huì)。
CPU是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，在我們國家追求自主性的過程中，牽涉到三個(gè)維度的自主性，包括基于自主IP核的芯片設(shè)計(jì)、基于自主指令系統(tǒng)的軟件生態(tài)，以及基于自主材料設(shè)備的生產(chǎn)工藝。
一個(gè)芯片里集成大量的IP核，IP核是否自主設(shè)計(jì)是最基礎(chǔ)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(chǎn)業(yè)體系，而產(chǎn)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(chǎn)業(yè)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(gòu)建獨(dú)立于Wintel(Windows+Intel)體系和AA體系(ARM+Android)之外的自主的信息技術(shù)體系和產(chǎn)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(dǎo)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(chǎn)的操作系統(tǒng)形成的，和這兩個(gè)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(shè)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(tuán)隊(duì)在二進(jìn)制翻譯方面十余年的技術(shù)積累創(chuàng)新，可實(shí)現(xiàn)跨指令平臺(tái)應(yīng)用兼容，從而達(dá)到融合生態(tài)的目的。
以下是彭飛在GAIR 2021的演講內(nèi)容，進(jìn)行了不改變?cè)獾木庉嬚恚?/strong>
今天從CPU的角度介紹一下基于指令集的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀。CPU是一個(gè)復(fù)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(gè)維度的自主性：
1、自主IP核。
一個(gè)芯片會(huì)集成大量的IP核，CPU、GPU僅是其中一個(gè)IP核，IP核是否能自主設(shè)計(jì)是考慮自主性最基礎(chǔ)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(duì)外的接口，同時(shí)是承載上面軟件生態(tài)的體系基礎(chǔ)。
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(gòu)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系;二是AA體系，就是ARM+Android，ARM架構(gòu)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系，分別在桌面服務(wù)器、移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域構(gòu)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(quán)，是跟X86、ARM平行的指令系統(tǒng)。
3、自主材料的設(shè)備工藝自主性。
現(xiàn)在外界常說的“卡脖子”問題，“卡”得最嚴(yán)重的就是這個(gè)維度。為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況?
可能有兩方面原因：一是我國沒有承接國外先進(jìn)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。集成電路起源于美國，當(dāng)集成電路生產(chǎn)，從美國向外產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的時(shí)候，有的轉(zhuǎn)移到日本、轉(zhuǎn)移到韓國，有的轉(zhuǎn)移到我們國家的臺(tái)灣，但沒有轉(zhuǎn)移到中國大陸。
另一個(gè)是過去國家集成電路設(shè)計(jì)相對(duì)比較薄弱，不能通過設(shè)計(jì)帶動(dòng)工藝的發(fā)展。不過，這幾年我國芯片設(shè)計(jì)能力有了大幅提升，通過芯片設(shè)計(jì)帶動(dòng)整個(gè)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(gè)差距可以補(bǔ)齊。
在70年代，美國硅谷的各種芯片蓬勃發(fā)展，當(dāng)時(shí)芯片設(shè)計(jì)還不是美國一家獨(dú)大，日本、歐洲、韓國都有芯片設(shè)計(jì)能力。Intel曾在70年代向日本公司授權(quán)，讓其采用兼容Intel的架構(gòu)設(shè)計(jì)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(xiàn)，美國制裁他國高端芯片的發(fā)展并不新鮮，歷史在反復(fù)上演。為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況?
當(dāng)時(shí)日本犯了一個(gè)最大錯(cuò)誤，就是只重視CPU產(chǎn)品的研發(fā)，忽視生態(tài)主導(dǎo)權(quán)。如果一直做生態(tài)里某一款產(chǎn)品，會(huì)難以實(shí)現(xiàn)超越。因此，掌握生態(tài)主導(dǎo)權(quán)極其重要。
1982年，NEC生產(chǎn)的個(gè)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?yàn)橹撇檬チ松鷳B(tài)的主導(dǎo)權(quán)，這給我們很大的啟示。
中國一定要下定決心構(gòu)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(dǎo)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(chǎn)操作系統(tǒng)形成和這兩個(gè)生態(tài)體系平行的一套生態(tài)體系，它是產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，在別人的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)圖，這里每一個(gè)方塊其實(shí)都是一個(gè)IP，這些IP都是完全自主設(shè)計(jì)、自主演進(jìn)，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(jīng)過近十年的快速迭代，現(xiàn)在能達(dá)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(chǎn)業(yè)里性能提升的曲線，可以看到，前幾年呈現(xiàn)線性快速增長(zhǎng)，越往后增長(zhǎng)越緩慢，龍芯CPU也即將達(dá)到性能增長(zhǎng)的頂端。
指令集是信息產(chǎn)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(gòu)建自己的產(chǎn)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(gòu)建我們國家的文化體系、構(gòu)建民族文化是不可能的。
另一方面，應(yīng)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(zhēng)論這個(gè)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(xiàn)有生態(tài)里的軟件產(chǎn)品，有現(xiàn)成的生態(tài)，一開始發(fā)展速度可能會(huì)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(diǎn)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(gè)虛擬機(jī)，Java、JavaScript、.NET。三是三個(gè)翻譯器，實(shí)現(xiàn)對(duì)MIPS、X86、ARM的二進(jìn)制翻譯，直接運(yùn)行其應(yīng)用軟件。
目前，龍芯中科推出了自主指令系統(tǒng)LoongArch，包括基礎(chǔ)架構(gòu)部分和向量指令、虛擬化、二進(jìn)制翻譯等擴(kuò)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(diǎn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)維度：一是用戶態(tài)，二是核心態(tài)。
LoongArch是一個(gè)精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)，32位長(zhǎng)指令、32個(gè)通用寄存器、32個(gè)浮點(diǎn)寄存器。用戶態(tài)是給編譯器、程序設(shè)計(jì)者使用。核心態(tài)在內(nèi)存管理、控制寄存器的數(shù)量、規(guī)格都進(jìn)行了大量的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，是符合現(xiàn)代操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
我們對(duì)LoongArch的性能進(jìn)行了測(cè)試，在相同IP下，一個(gè)用MIPS指令集，一個(gè)用LoongArch指令集，可以看到，動(dòng)態(tài)指令數(shù)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(jìn)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(gòu)建的。龍芯中科推出了二進(jìn)制翻譯器，又稱LAT翻譯體系。最底層是LoongArch架構(gòu)的芯片，再往上是操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)往上有幾個(gè)維度：基于LoongArch的原生Linux應(yīng)用，比如說本地化的辦公、音視頻的應(yīng)用。
同時(shí)，龍芯中科推出了三個(gè)翻譯器：MIPS應(yīng)用往LoongArch上翻譯，ARM應(yīng)用往LoongArch上翻譯，X86應(yīng)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(chǎn)平臺(tái)上很好地運(yùn)行，生態(tài)是有保障的，包括一些主流的Linux應(yīng)用框架都可以原生支持。國產(chǎn)操作系統(tǒng)廠商統(tǒng)信和麒麟也都推出了對(duì)應(yīng)的國產(chǎn)操作系統(tǒng)版本。
關(guān)于LoongArch平臺(tái)的AI計(jì)算，龍芯中科構(gòu)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(yīng)用于通用AI計(jì)算和專用AI計(jì)算。軟件方面，龍芯中科構(gòu)建多層級(jí)AI軟件生態(tài)體系，包括系統(tǒng)支撐、計(jì)算框架、算法模型層級(jí)，AI領(lǐng)域有完整的解決方案。
目前圍繞龍芯中科的產(chǎn)業(yè)合作伙伴已經(jīng)有上千家，通過一系列的措施，包括標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、開源軟件建設(shè)、解決方案提供、安全體系、產(chǎn)品認(rèn)證、人才培養(yǎng)、出版書籍等，從多個(gè)維度構(gòu)建LoongArch產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系。
同時(shí)，LoongArch正在構(gòu)建技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，在聯(lián)盟里與產(chǎn)業(yè)合作伙伴實(shí)現(xiàn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)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。
