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芯片，國之命脈。
這一枚小小的方塊，竟卡住了我國無數尖端行業的咽喉，成了科技巨頭們的阿喀琉斯之踵。
2021年，36氪重磅推出《芯征程》系列產業觀察。本系列將對半導體產業上下游進行一次全方位的深度研究，包括不斷突破摩爾定律極限的制造巨頭、設備供應商、材料供應商、以及芯片設計企業。希望我們的內容能夠為飽受“缺芯”困擾的中國產業界提供一些借鑒與參考。
2013，國家“核高基”計劃逐步放棄了CPU芯片的自主研發路徑，轉而支持起海外技術引進。在這樣的背景下，IBM、AMD等手握頂尖CPU芯片技術的海外巨頭紛紛涌入，以合資公司、授權低端技術的模式橫掃了國內市場。
這招釜底抽薪，無疑把當時一大批依靠國家補助為生的國產CPU逼上了絕路。而這其中，就有我們今天文章的主角——龍芯。
這是個埋頭苦干了20年的國產CPU團隊，它起源于中科院，幾乎代表了純國產CPU的最高水平。它有過訴訟纏身的困境、遭受過市場的“毒打”、也經歷過從科研到企業的殘酷蛻變。
它不僅從2013-2014年那場合資潮中幸存了下來，更在2015年實現企業盈虧平衡，摘掉了“補貼”的帽子。2019年全年，龍芯CPU出貨量超過50萬片。而到了2020年前九個月，這個數字飆升到了200萬。
就在今年1月，中國證監會北京監管局官網披露，龍芯中科即將沖刺科創版IPO。
中國的CPU技術從80年代開始斷檔。
在80年代之前，中科院計算所、國防科技大學、清華大學等科研機構從未間斷對集成電路（芯片）的持續研究，在某些領域，我們甚至已與國外頂尖水平相差無幾。
然而，隨著集成電路技術的日益復雜，研究所需的資金投入增長驚人。80年代中期，在“造不如買、買不如租”、“市場換技術”等理論的影響下，國家陸續放棄了對大規模集成電路技術的研究，轉而大量購買國外芯片產品。
彼時中科院計算所的研究員黃令儀在回憶起這段日子時，曾經痛苦地寫下：“我知道他的意思了，一走出北樓門口，忍不住失聲痛哭了，難道我們嘔心瀝血十幾年創建的研究室就這樣結束？計算所今后設計計算機的人真的只能看到黑匣子，而里面是什么都不懂了？難道計算所今后真的走向了’無芯’的未來？”
在接下來20年間，芯片技術突飛猛進，“美國硅谷”突然成為了全球最頂尖的科研創新場所，英特爾、AMD、IBM、摩托羅拉等企業乘勢崛起，搖身一變成為壟斷全球的芯片大亨，徒留中國一臉錯愕。
在猛然意識到大規模集成電路的重要戰略意義后，90年代，風氣開始轉變。2000年10月，中國提出“十五計劃”，并將“大力發展集成電路”列入了十五計劃綱要，國務院更是印發了18號文件，鐵下心來大力扶持集成電路產業發展。
在這樣的大背景下，無數人才、無數機遇齊齊涌入。
1999年，留美芯片設計師李德磊通過撬動日立的行業資源，將一整套為日立做CPU技術外包的團隊收入囊中，并在2001年推出了中國第一塊“國產”CPU芯片——方舟1號。
這是個受到倪光南院士力捧芯片項目，也是在斷檔20年后，中國大規模集成電路的首個產品。這款終結了20年“無芯史”的方舟芯片甫一面世便被推上了神壇，國家部委聯合召開盛大的新聞發布會，出席代表陣容豪華，一夜之間將方舟芯片捧成了最閃耀的明星。
受方舟項目的刺激之下，中科院計算所、國防科技大學、無錫江南計算技術研究所等機構陸續成立了龍芯、飛騰、申威等CPU項目，一時間百花競艷，好不熱鬧。
「龍芯」項目由中科院計算所孵化，計算所所長李國杰院士直接推動，研究員（同時也是日后龍芯的總設計師）胡偉武牽頭負責。
胡偉武，圖源：北京日報
想要造出一款CPU，光有政策、有熱度還遠遠不夠，還要有真金白銀的研發經費，和一大批精通集成電路操作系統、編譯、體系結構、I/O、軟硬件、邏輯門、觸發器、譯碼器的技術人才。
然而，龍芯團隊的總研發費用只有區區200萬元，其中100萬還要留下來培養研究生，真正能用在CPU研發上的最多只有100萬元——當時，英特爾僅一年的研發費用就高達40億美元。
CPU是現代科技工藝的巔峰之作，其設計環節之繁瑣、應用之復雜難以想象。面對上萬倍的資源差異、幾十年的領先優勢，追趕起來談何容易。
在那幾年間，龍芯團隊沒日沒夜地泡在實驗室里，一點一點地摳代碼、寫文件、燒FPGA，每天三四點鐘入睡，八九點就起來繼續工作，有時凌晨在實驗室里“手里扶著鼠標、靠在椅子上就睡著了”。
胡偉武回憶說，“我是容易受感動的人，看到這樣的場景忍不住想落淚。但我還是狠下心叫醒他們，詢問昨天晚上的進展并讓他們接著干。”
由于實在缺少擁有實踐經驗的CPU物理設計人才，為了保證CPU項目的順利推進，胡偉武甚至托人請動了在抗日戰爭中長大，曾經參與見證中國第一代微電子產業發展的泰斗級研究員黃令儀女士。
當時的龍芯團隊中普遍有這樣一種觀點：我們現在落后這么多，別人不比我們笨，如果大家都一樣一周五天一天8小時上班，恐怕很難趕上人家，唯有像當年搞“兩彈一星”一樣拼命，至少得累死一批人。唯有這樣，我們才能不受欺負。
為了讓研制出來的第一塊CPU“龍芯1號”順利長大，龍芯項目組內部甚至給這塊芯片取了一個極具中國特色的小名——“狗剩1號”，希望名字賤一點容易養活。而“狗剩”的音譯“Godson”也順理成章地成為了龍芯最初的英文譯名。
2002年8月10日，清晨6點08分。在龍芯FPGA樣板點亮的一年以后，流片成功的“龍芯1號”CPU終于正式面世了。在中科院計算所北樓105房間里，那塊搭載著“狗剩1號”CPU的計算機屏幕上，“login:”的字樣如約而至，標志著第一塊國產CPU的成功。
團隊的歡呼聲幾乎沖破了天際，胡偉武迫不及待地抱起了鍵盤，用vi編輯下了龍芯1號產生的第一個文件。在那塊窄小的屏幕上，他寫道：
“The historical time of 6:08 on 2002.8.10 ends an era while begins a new one.”
（2002年8月10日，6點08分，一個嶄新的時代開始了。）
2002年，在“龍芯1號”項目跑通了之后，胡偉武帶著團隊乘勝追擊，“龍芯2B”于2003年流片成功。
然而，在短暫的勝利之后，迎接龍芯團隊的卻不是鮮花與掌聲，而是一段荊棘遍布的旅程。
2004年底，“龍芯2C”雖然流片成功，卻因沒有達到國家“863課題”合同要求的300分而沒有完成驗收，壓在胡偉武身上的擔子陡然重了起來。
上文提到，2000年底，國家將發展集成電路列入了“十五計劃”綱要里，“863課題”中也對龍芯定下了“主頻1GHz、SPEC CPU2000分值達到500分”的目標。
眼見著2005年“十五計劃”收官在即，龍芯團隊只剩下一年的時間。龍芯2C連300分都沒有完成，下一代的“龍芯2E”要完成500分，談何容易？
然而，這擔子不抗不行。胡偉武深知，倘若“十五”的任務完不成，那“十一五”國家是不是還支持自主CPU研發，誰都不知道。
2005年11月底，“龍芯2E”正式交付流片，2006年3月流片成功，通過編譯優化“勉勉強強”、“硬著頭皮”達到了500技術指標。
然而不幸的是，恰逢其時，震驚全國的“漢芯造假事件”爆發。
在2000～2005這五年時間里，中國掀起了一場轟轟烈烈的“全民造芯”運動，各大“國產處理器”層出不窮，漢芯、龍芯、以及上文提到的飛騰、申威等都是出自這一時期。
熱潮之下，免不了投機取巧、渾水摸魚之徒。
當時，「漢芯」團隊的負責人陳進通過從美國購買芯片，再雇人將芯片表面的原有LOGO用砂紙磨掉，然后加上「漢芯」的LOGO，搖身一變成為擁有“自主知識產權”的集成電路“重大突破”。漢芯項目也成功通過層層驗收，成為國家級重點科技攻關項目。
消息一出，全民嘩然。
當時的市場并不理解“自主可控”的重要意義，在“造不如買、買不如租”的思想指導下，耗資巨大的CPU自主研發項目本就爭議纏身，漢芯事件一曝光，龍芯、飛騰、申威統統被拉下了水，質疑之聲不絕于耳。
在“十五計劃”的863課題結束后，“十一五”的“核高基”課題（核心電子器件、高端通用芯片和基礎軟件產品重大專項）卻遲遲啟動不了。
海外的CPU研發進程一天都沒有停止，我們本已落后不少，如今再一耽擱，只怕追趕起來更為困難。
幸運的是，當時的中科院領導頂住了壓力，緊急撥給了龍芯團隊所急需的500萬元的前期研發經費，督促龍芯加快“龍芯3號”的研發。
在“龍芯3號”的第一款芯片“龍芯3A1000”完成設計，卻因缺少流片費用而無法投產時，科技部高新司馮記春在863計劃內緊急安排了2000萬經費，全力支持龍芯的研發。
當時的中科院計算所所長李國杰甚至在會議上當眾表態，“胡偉武，你不能以任何經費的理由放緩龍芯3號的研制，計算所就是砸鍋賣鐵也要支持龍芯的研發。”
一直到2010年，“十五計劃”結束的5年之后，龍芯團隊才收到了第一筆“核高基”的課題經費。而在此之前，龍芯課題組已經預支了計算所近8000萬元的研發經費。
順便一提，2010年，英特爾全年研發費用為65.7億美元。
龍芯的十年研發，卻還抵不上英特爾一個月的研發費用。
從2006年開始，市面上陸續出現了使用“龍芯2E”、“龍芯2F”的電腦，它們大多是袖珍主機或者一體機，由中科院和江蘇夢蘭合資的龍夢公司生產，運行Linux操作系統，價格低廉。
比如，搭載“龍芯2F”的福瓏2F迷你電腦，售價僅為人民幣1800元，遠低于市場同類產品。
2007年的龍芯電腦，圖源：
然而，在Windows系統獨霸天下的電腦市場，運行Linux系統的龍芯電腦始終難以打進主流市場。
芯片與操作系統是強綁定的，如果芯片是一片土地，那么操作系統就像一棵大樹，我們所使用的視頻、文字、瀏覽器等應用就像是大樹上的果子。
正如橘生淮北，同樣的樹木移植到另一片土地上就會無法生長，同樣的操作系統也無法跨芯片使用，更別談那些長在樹上的“果子”了。
因此，在微軟Windows與英特爾芯片結成強綁定的這幾十年里，這棵樹苗已經長成了枝繁葉茂、蔭蔽四方的龐然大物，樹枝上結滿了各式各樣的“果子”，從Word文檔、PPT幻燈片、到迅雷下載、暴風影音、QQ、Photoshop……
終端用戶不關心芯片、也不關心操作系統，他們需要的只是樹上的果子。
只要微軟一天不給龍芯授權，龍芯的電腦就一天不能用Windows系統，也就無法面向最廣大的消費用戶。
“龍芯在科學院里面已經做得很好了，不能再好了，要想更好，就必須下海辦企業。”
——這是原國家外專局局長馬俊如時常對胡偉武說的話。
一直以來，龍芯都只是中科院里的一個課題組項目，既不自負盈虧，也無真正的生存壓力。
學院研究環境給予了龍芯寬松的成長空間，讓尚處襁褓中的國產CPU有了喘息之機。
可隨著龍芯項目的進一步成長，商業化、市場化的需求日益迫切——正如一條逐漸成長的大魚，已無法在窄小的魚缸中繼續生活。
2009年，“龍芯3號”的第一款龍芯3A1000正式投產，這款芯片采用65nm制程，是我國第一個四核CPU芯片，也是唯一能支持多路服務器的自主CPU，它標志著龍芯CPU商用步伐的又一重要里程碑。
在此鼓舞之下，2010年初，龍芯團隊下定決心，技術骨干們集體從中科院計算所辭職“下海”，將「龍芯」從課題組轉化為公司形式，變成了如今人們所熟知的「龍芯中科」。
這本該是令人興奮而驚喜的好消息，然而，誰都沒有想到，龍芯史上最深的一個“坑”、最殘酷的一次挑戰、最慘痛的一個教訓，竟然來得那么快。
由于剛剛轉向公司管理，龍芯團隊原有的“作坊式”的設計流程被打破，專業的公司化工作流程卻沒有建立起來，各方人員手忙腳亂，失誤頻頻。
2010年6月，龍芯3B1000送去流片，卻因一個極其簡單的低級錯誤而導致流片失敗，送回來的樣片連系統都無法正常啟動。
這是龍芯歷史上第一次出現這樣簡單的工作失誤，卻不是最后一次。與龍芯3B1000同一時期流片的龍芯1A、龍芯2I等芯片，全部都出現了類似的低級失誤，致使大量流片費用全都打了水漂——對于一家自負盈虧的企業來說，這樣的打擊無疑是巨大的。
然而，管理上殘留的“學院派”并不是把龍芯逼上絕路的罪魁禍首。
真正把龍芯逼到絕境的，是脫離用戶需求，產品方向走上了“學院派”。
在“十一五”期間，多核CPU成為了國際學術界的熱點研究方向。受學院派思想主導的龍芯團隊脫離了市場需求，在龍芯3B芯片的設計之初就把研發重心放在了多核上，而且盲目追求“核數做得比國外還多”。
2013年，一波三折的“龍芯3B”終于正式面世，龍芯團隊磕磕絆絆地拿出了當時國際上最高峰值浮點運算速度（160GFLOPS）的芯片產品，其論文不僅被Hotchips、ISSCC這些頂級國際芯片會議錄用，還在學術界引起了巨大的反響。
然而，由于過度追求多核、浮點峰值性能這些單一性能指標，“龍芯3B”的通用處理性能嚴重不足，和2006年的“龍芯2E”相比只提高了30%-50%。
可這7年之間，英特爾等市場主流的CPU的單核通用處理性能卻足足提高了500%以上。
7年前，“龍芯2E”的性能還只是和國外領先水平差了1-2倍；可7年之后，“龍芯3B”的性能足足差了一個數量級，追趕無望。
技術上的差距體現在市場上就是不好用，甚至是不能用。由于“純國產”CPU無法滿足通用處理器的性能要求，從2013年開始，國家的“核高基”計劃陸續放棄了CPU自主研發路線，轉而開始扶持起了“CPU技術引進”型企業。
廣闊的中國市場打開，迎面涌來的是海量商機。IBM、AMD、英特爾、威盛、ARM等一大批海外巨頭全都坐不住了，紛紛來到中國尋求合資與技術授權，「芯片合資潮」瞬間模式橫掃了國內市場。
此時的龍芯雖然已經轉型成為一家自負盈虧的企業，卻依舊主打的是“國產替代”市場，在涉及國家安全的通用PC和服務器市場實現自主可控，主要靠國家支持進行研發。
對于龍芯來說，“核高基”放棄了自主CPU的支持無異于釜底抽薪，把困難重重的「龍芯中科」逼上了絕路。
在事后談起這段日子時，胡偉武回憶道，“‘十五’期間負責863計劃的科技部高新司領導在龍芯2C沒有達到預期技術指標，龍芯2E立項專家提出19條反對意見的情況下作為非共識項目支持龍芯2E的研發，給了我們一次改進的機會。”
“而這次，機會沒有了，需要我們自己想辦法。”
痛定思痛，知恥后勇。2013年5月，龍芯迅速調整產品方向，暫停了已經完成主要設計的16核“龍芯3C”，開始回頭重啟四核“龍芯3A2000”的研發，放棄高性能機專用CPU的研制，重點把雙核、四核處理器做精做透。
與此同時，龍芯將聚焦點從科研挪開，回到產業，回到商業落地，針對宇航、石油、流量表等特定產業、特定應用研制基于“龍芯1號”的專用芯片。由于專用芯片產業鏈短，能夠讓龍芯形成技術優勢，并快速形成銷售。
為了省下流片的費用，當時龍芯中科還承接了一個“基于40nm工藝的高可靠嵌入式CPU研制”項目，用實驗中的技術免費流片。
而在最困難的時候，龍芯甚至還不得不向“娘家”中科院計算所借了500萬元，以緩解研發的燃眉之急。
功夫不負有心人，在熬過了整整一年多的至暗時刻后，從2014年下半年開始，龍芯的一系列調整開始有了回報。
2014年，龍芯中科全年營收同比增長51%；2015年再增57%，并順利跨過了盈虧平衡的門檻，摘掉了“國家補貼”的帽子，能夠通過市場銷售養活產品和研發團隊。
2016年底，具有里程碑意義的“龍芯3A3000”也正式研發成功，這款芯片跟2013年的“龍芯3B”相比，不僅通用處理性能飆升了5倍以上，更是在不少領域超過了同類型的四核“合資CPU”。
2016年10月7日，當胡偉武走出，回憶起過去這十年風雨時，他感慨萬千：
“當十年前我開始龍芯3號研制時，完全沒有想到龍芯3號系列CPU發展道路之曲折，奮斗之艱辛，付出之巨大。”
所幸，一切都是值得的。2019年全年，龍芯CPU出貨量超過50萬片。而到了2020年前九個月，這個數字飆升到了200萬。
其實龍芯從誕生之初，便時常被纏繞著。而其中影響最大、持續時間最長、最飽受爭議的，就是龍芯和MIPS之間的恩恩怨怨。
弄清楚MIPS之前，首先要弄清楚什么是“指令集”。
指令集是一套軟件，位于芯片和操作系統之間。芯片使用的是“硬件語言”、操作系統使用的是“軟件語言”，指令集的作用可以理解為二者之間的“翻譯官”。
指令集和芯片、操作系統都是強綁定的，英特爾的x86指令集與Windows系統綁定、ARM的指令集與安卓系統綁定。
而指令集就像一門語言，有自己的單詞、句子、語法規則。英特爾和ARM的指令集就像是「英語」，現在全球都在使用這門語言，用的人多了自然就強大起來。你現在手機、電腦上的所有應用，都是在這個語言體系里長出來的。
理論上任何人都坐在家里都可以設計出一門自己的語言——就像《星際迷航》《魔戒》等文學作品里，作者也會為克林貢人、精靈、矮人設計它們自己的語言。但這些編出來的語言并不會有人去大規模使用。
這就是龍芯在2000年項目最開始之時遇到的第一個問題。
龍芯的指令集，要用哪一個？
20年前的芯片市場，可比現在熱鬧多了。當時，英特爾還是高性能計算領域的后起之秀，其x86雖然勢頭正猛，卻離今天壟斷全球的霸主地位相差甚遠。
市場上各類架構百花齊放，不僅有英特爾的x86，還有IBM的Power指令集、DEC的Alpha指令集、SUN的SPARC指令集等等。當時，連蘋果都來湊了個熱鬧，拉上IBM、摩托羅拉一起搞了個PowerPC架構（芯征程 | 蘋果造芯30年）。
由于每種指令集都注冊了技術專利，沒有得到授權無法直接使用。尤其是x86指令集，英特爾已經將圍繞x86的所有專利全都注冊了個遍，圍得像個鐵桶，完全無法切入。
幾經商議之下，龍芯最后將目標投向了既能用在機頂盒、桌面電腦，又能用在高性能服務器里的MIPS指令集，采用了“MIPS兼容”的模式：
1、超過專利保護期的MIPS指令集已經公開，可以直接使用；
2、還在專利保護期內的部分，龍芯采用自己的結構實現了MIPS指令系統，可以理解為一個是普通話，一個是四川普通話。
在龍芯只是一個科研項目時，這種做法并不會引來多少非議，然而隨著龍芯逐漸走向商用，美國MIPS公司逐漸關注到了大洋彼岸的龍芯。
MIPS要求龍芯支付100萬美元的技術授權費用——對于當時的中科院計算所來說，這無疑是筆天價——雙方多次協商會談，卻始終沒有達成協議。
據當時的媒體報道，2005年時，龍芯曾與微軟接洽，力爭得到微軟Windows CE嵌入式操作系統的合作授權，最后卻因MIPS專利糾紛問題而最終沒有成功。
搭載Windows CE系統的學習機，圖源：知乎osnine
一直到2006年，龍芯才最終通過和意法半導體合作的方式，獲得MIPS專利的使用權。
雖然一開始采用的是MIPS兼容模式，但是在這20年間，龍芯其實從未停止過對自主研發指令集的探索。早在”龍芯2號”中，龍芯團隊就加入了自研的多媒體編解碼指令集LoongMMI。而在“龍芯3號”中，龍芯團隊又加入了二進制翻譯指令。
同樣在這20年間，隨著英特爾的x86架構一騎絕塵，MIPS生態逐漸衰弱了下去，MIPS的專利權也幾經易主，輾轉流落到了幾個公司手上，最后被美國初創Wave Computing收入囊中。
趁著這一機會，2015年——就是龍芯公司正式迎來盈虧平衡的那一年——在“龍芯3A2000”的發布會上，龍芯正式發布了LoongISA指令集，其中既包括500多條MIPS64命令，也包括1400多條龍芯新增的指令。
2021年4月，在Wave Computing申請破產重組一年后，龍芯更是正式拿出了自研LoongArch指令集，并宣布公司一年前發布的“龍芯3A4000/3B4000”全部支持該指令集。
目前，這兩款龍芯CPU已經搭載在了聯想長風、天玥、同方、方正、海爾等品牌的臺式電腦、筆記本電腦、服務器等設備上。
漢芯風波在前，MIPS風波在后，此后的龍芯在專利問題上變得越來越謹小慎微，絕不輕易對外公布指令集的細節，以防再度惹上官司。有時哪怕是開發者們向龍芯索取信息，也往往會吃個閉門羹。
然而，就在幾天前的6月2日，龍芯再度卷入了MIPS侵權風波中。上海芯聯芯公司發布公開聲明稱：
1、芯聯芯自2019年起已取得MIPS在中國的獨家、永久和不可撤銷的經營權，龍芯中科未向芯聯芯支付足額的技術授權金，目前雙方在香港進入審理仲裁階段；
2、龍芯中科公司“徹底拋棄MIPS，發布自主指令系統LoongArch”的報道宣傳偏離事實；
3、龍芯中科只公開了LoongArch的部分源代碼，不具備行業公信力，涉嫌侵權。
對此，龍芯中科公開回應稱：芯聯芯公司向龍芯中科的合作伙伴、社會公眾不斷發布各種惡意中傷、誹謗龍芯中科。龍芯中科已經采取法律行動。
龍芯中科回應原文，圖源：龍芯中科公眾號
面對龍芯，“不吹不黑”是最好的態度。畢竟這個時代里，為任何市場化的企業扣上“民族希望”的大帽子，都將會是一種捧殺。
客觀來講，龍芯CPU目前切入的依舊是一個小市場，即便現在年出貨量突破200萬片，有了聯想長風、天玥、同方、方正等一些列電腦品牌方采用，它在技術、管理、人才、以及產品、生態、市場占比上，都與國際頂尖水平差了一個量級。
然而，這不代表龍芯毫無技術亮點，是只懂“圈錢騙補”的PPT項目；也不代表龍芯的技術領先全球，承載著民族振興的新希望。
它所代表的僅僅是，自研CPU很困難，但已經有人在做了。
參考資料
