【学术报告】龙芯中科技术股份有限公司董事长、中国科学院计算所研究员胡伟武：破解卡脖子问题，构建新发展格局

2023年我国工业企业的利润率为5.8%，而电子工业的利润率仅为4.2%。同年，苹果公司单独的利润总额为970亿美元，远超我国整个电子工业的利润。这一现象的原因在于我国信息产业过度依赖外部技术与体系。习近平总书记对此进行了精准的诊断，指出如果仅在他人的基础上建设自己的产业体系，即使再大再美也无法经得起挑战。为了突破这一瓶颈，习近平总书记提出要加速推进国产自主可控计划，构建安全自主的信息技术体系。

我国在多个领域，特别是在电力、能源、交通等行业，正在推进自主化替代，但这一过程的最终目的是建立我们自己的体系。因此，摆脱传统的生产力发展路径，构建独立于X86和ARM的全新信息技术体系，成为我们发展的必由之路。正如中国有北斗、商飞等自主技术体系，我们也必须建立属于自己的信息产业体系，从而确保产业安全、可控。

在这一过程中，关键的技术包括CPU、操作系统等“根技术”，这些构成了信息产业的底座，如图1所示。尽管我们在整机制造方面取得了很大进展，但底层技术仍然受制于国外技术授权。例如，国内某些芯片企业无法获得ARM的V9指令集授权，且ARM的最高性能IP系列也因制裁原因无法提供给中国，这直接影响了芯片性能。此外，芯片生产所需的光刻机等设备也被禁运，进一步限制了我们在这一领域的自主发展。

图1 信息产业体系根技术

为了突破这些瓶颈，我们必须实现指令系统、IP核以及生产工艺的自主可控。龙芯公司作为自主创新的实践者，已经实现了完全不依赖外部技术授权的目标，展示了我国在这一领域的可行性。然而，尽管自主可控至关重要，仍然面临两个核心问题：一是自主技术的性能是否能与国际先进水平相竞争；二是我国自主的技术生态能否与ARM和X86相匹敌。

从2001年开始，龙芯公司一直致力于通用CPU的性能提升，至今已完成了性能“补课”，如图2所示。CPU的性能可以分为通用性能和专用性能，其中GPU和AI处理器是专用的，而CPU则是通用的，能够应对各种计算任务。相比专用处理器，CPU具有更大的灵活性，可以用来执行图形计算、AI算法等任务，尽管如此，单核性能依然是性能提升的核心，尤其在技术相对落后的情况下，单核性能比多核更加关键。

图2 CPU性能提升

提升性能有两个主要途径：设计优化和工艺迭代。设计优化可以比作战术调整，工艺迭代则相当于武器装备的提升。龙芯通过不断优化设计弥补工艺差距，逐步提升了性能。2002年推出的龙芯1号与Intel的奔4相比，其性能仅为1/20；2012年推出的3A1000性能为Intel酷睿第三代的1/10。到2016年，3A2000的性能相比前代提升了2.5倍，2017年通过工艺调整提升了1.6倍，2021年通过再次升级工艺，3A5000的性能提升了1.5倍。

2023年推出的3A6000达到Intel第10代酷睿水平，与前代产品3A5000相比，单核性能提高了60%，多核性能也有显著提升，如图3所示。这一成绩表明，通过设计优化，即使工艺落后一代，依然可以取得可与国际竞争者相媲美的性能。此外，龙芯还推出了基于成熟工艺的服务器CPU，虽然工艺没有变，但通用处理性能成倍提升，成本也有所降低。与Intel至强6338对比，龙芯的32核服务器CPU在处理能力上也达到了相同水平。

图3 龙芯3A6000桌面CPU

龙芯芯片在每GHz性能方面已经接近全球领先水平，根据国内微型计算机的评估，龙芯芯片在性能上预计将超过市场上大部分PCCPU，可能超越当时市场上70%至80%的主流产品。尽管龙芯未能采用先进的7nm工艺，其通过性能优化策略实现了接近X867nm芯片的性能，确保了芯片的竞争力，如图4所示。

图4 龙芯3B6600桌面CPU

在指令系统方面，龙芯自主研发了“龙架构”，如图5所示，这一指令系统的构建涉及到BIOS、内核及编译器的开发，且对硬件和操作系统的兼容性要求极高。指令系统是构建信息产业生态的核心技术之一，换指令系统的难度远高于更换工艺，因此龙芯选择自主研发指令系统，以确保生态系统的自主可控。尽管指令系统的更换具有挑战性，龙芯通过自有指令系统与全球应用的兼容，逐步构建起完整的软件生态。

图5 龙架构

在软件生态建设方面，龙芯实施了“三位一体”的发展战略：首先，夯实基础，建立与X86、ARM体系并列的Linux基础软件体系；其次，通过横向编译和二进制翻译技术，解决X86和ARM应用的迁移问题，实现与主流应用的兼容；最后，推动自主应用的开发，以期建立完整的本土化生态系统。目前，龙芯在Linux基础软件体系、国际开源软件支持、以及与商业企业的合作方面取得了显著进展，已经得到主流商业软件的支持。

通过上述举措，龙芯在构建自主生态、兼容国际生态的同时，不断提升其芯片的性能和应用兼容性，逐步解决了与全球主流体系的兼容性问题，并朝着自主应用和产业生态的最终目标迈进。

龙芯生态的建设面临多方面的挑战，尤其是在硬件、软件和产业三个核心生态体系的完善与发展方面。首先，硬件生态的构建是其发展的基础之一。与ARM架构类似，龙芯CPU的推广和应用离不开与之配套的硬件设备的完善。例如，GPU、网卡、显卡等外部硬件的研发与生产，这些硬件必须能够与龙芯的CPU平台无缝协作，从而保证系统整体性能的提升和用户体验的优化。随着技术积累和合作的深入，硬件生态的完善将成为支撑龙芯平台广泛应用的关键。

在软件生态方面，龙芯面临的核心挑战之一是操作系统与应用程序在跨平台兼容性上的问题，如图6所示。为了解决这一问题，龙芯在Linux平台上通过“窗口融合、文件系统融合和I/O融合”技术，提升操作系统与应用程序的兼容性。这些技术使得Linux平台可以支持Windows应用，并通过文件和设备的共享增强用户的跨平台体验。

此外，龙芯正在推动自主操作系统的研发，包括基于Debian和鸿蒙的定制版本，这些操作系统不仅支持传统桌面应用，还适配了各种工控应用。通过构建应用兼容框架，龙芯可以解决操作系统升级后可能导致的应用不兼容问题，从而为开发者提供一个稳定的开发环境。

图6 建成与X86/ARM并列的Linux基础软件体系

为了彻底解决应用与操作系统之间的兼容问题，龙芯还需要构建自主的编程框架，并推动本土应用的开发。该框架将成为操作系统的核心，确保应用程序在操作系统升级后仍能保持兼容性。此外，龙芯致力于通过提供符合本土需求的开发工具和资源，鼓励更多的开发者参与到应用开发中来，最终形成一个以龙芯为核心的自主应用生态。

产业生态的建设是龙芯战略实施的核心之一。除了技术突破，龙芯还需要通过与产业链上下游的合作，推动硬件设备、操作系统和应用程序的融合与创新，如图7所示。产业生态不仅涉及技术实现，还需在市场中形成广泛的应用基础。通过政策支持和市场引导，龙芯可以提升其市场份额，形成规模效应。龙芯不仅要强化硬件和软件的协调合作，还需要扩大其在工控、嵌入式系统等细分市场的应用推广，并加强与行业领先企业的合作，通过技术合作与创新推动产业生态的成熟。

图7 产业生态建设

在硬件、软件和产业生态的推进过程中，人才的培养和引进至关重要。龙芯需要通过提升国内教育和培训体系，培养更多的专业技术人才，尤其是在CPU设计、操作系统开发、应用程序开发等领域。通过完善的培训体系，龙芯不仅能够推动技术的自主创新，还能为产业发展提供源源不断的技术支持。在政策引导和技术创新的双重推动下，龙芯通过逐步完善这些生态体系，致力于形成一个自主、可持续发展的技术平台，并在全球竞争中占据一席之地。

龙芯在工业领域的应用已经取得了显著进展，特别是在高性能桌面、服务器以及工控等多个领域。龙芯的产品覆盖了三个主要系列：3号系列主要面向桌面和服务器，2号系列则专注于工控和终端，而MCU系列则提供了价格较低的芯片，最低仅需一两块钱。这些产品具有广泛的应用场景，且由于龙芯的指令系统不依赖于境外授权，避免了地域和领域限制，使得龙芯在全球范围内具有更大的灵活性。

图8 龙芯CPU系列

龙芯的技术在工业界的应用已覆盖多个关键领域。首先，龙芯在工控领域已经得到广泛应用，特别是在能源和交通等重要行业。龙芯CPU在能源领域的应用案例尤为突出，包括水电、风电等发电系统的使用，尤其是在变电和配电领域，已经开始实现批量应用。此外，龙芯还在高铁、地铁和公路等交通领域开展了自主化研发和试点工作，涉及人机交互、车载网关、安全计算平等多个关键技术领域。

龙芯在自主先进制造领域的应用也正在逐步增加，涉及到数控、加工、PLC等多个领域，并且已有数家公司在国内使用龙芯进行PLC的开发和应用，如图9所示。

图9 龙芯CPU在先进制造领域应用案例

在未来，龙芯的目标是建立一个独立的、自主可控的信息技术体系。与X86和ARM形成“三足鼎立”的局面，构建一个完全自主的信息化格局。这条道路虽然充满挑战，但龙芯团队对于未来充满信心。尽管目前仍面临诸多困难和阻力，但只要坚定不移地走下去，最终将克服所有困难，实现第三套自主信息技术体系的建设。

个人简介

胡伟武

龙芯中科技术股份有限公司董事长

中国科学院计算所研究员

胡伟武，龙芯中科技术股份有限公司董事长、总经理，工学博士、中国科学院计算所研究员、博士生导师，第十一届全国人大代表，党的十八大、十九大、二十大代表。胡伟武先生是龙芯总设计师，从2001年起投身于龙芯处理器的研制工作。先后主持完成了龙芯1号、龙芯2号、龙芯3号系列处理器的研制，改写我国信息产业无芯历史。胡伟武博士作为首席科学家全面主持龙芯中科的技术工作，组织规划龙芯研发线路图，组织领导新产品的研发。承担国家项目10余项，发表论文50余篇，撰写3本专著。曾荣获“北京市突出贡献中关村奖”“CCF王选奖”“全国五四青年奖章”“中国科学院杰出成就奖”“第五届光华工程科技奖”“全国首届优秀博士论文奖”等奖项。

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