胡偉武

(1. 龍芯中科技術(shù)有限公司，北京 100095； 2. 中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所，北京 100190)

0 引言

通用中央處理器(CPU)芯片是信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)部件，也是武器裝備的核心器件。我國缺少具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CPU技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，不僅造成信息產(chǎn)業(yè)受制于人，而且國家安全也難以得到全面保障?！笆濉逼陂g，國家“863計劃”開始支持自主研發(fā)CPU?！笆晃濉逼陂g，“核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品”(“核高基”)重大專項將“863計劃”中的CPU成果引入產(chǎn)業(yè)。從“十二五”開始，我國在多個領(lǐng)域進行自主研發(fā)CPU的應(yīng)用和試點，在一定范圍內(nèi)形成了自主技術(shù)和產(chǎn)業(yè)體系，可滿足武器裝備、信息化等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。但國外CPU壟斷已久，我國自主研發(fā)CPU產(chǎn)品和市場的成熟還需要一定時間。

目前，我國CPU的發(fā)展主要有自主研發(fā)和引進技術(shù)兩條路線。后一路線的支持者認(rèn)為，引進技術(shù)的CPU性能強于自主研發(fā)CPU，且引進技術(shù)的CPU軟件生態(tài)更優(yōu)。很多自主研發(fā)路線的支持者也對堅持自主研發(fā)龍芯CPU的選擇產(chǎn)生懷疑。

在我國航天應(yīng)用領(lǐng)域，高性能抗輻照處理器長期受國外禁運影響。要從根本上解決問題，擺脫對國外進口元器件的依賴，必須要有能力自主正向設(shè)計高性能抗輻照處理器。

1 CPU概述

現(xiàn)代計算機大多采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，由存儲器、運算器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備組成?？刂破飨葟妮斎朐O(shè)備接收程序和數(shù)據(jù)，并將其存放在存儲器中；然后從存儲器取出程序和數(shù)據(jù)，將其送至運算器進行運算，并將運算結(jié)果保存到存儲器中；最后將結(jié)果數(shù)據(jù)通過輸出設(shè)備輸出。其中，運算器和控制器被合稱為CPU。CPU從存儲器中調(diào)取、執(zhí)行指令并將執(zhí)行結(jié)果寫回存儲器的過程被稱為一個指令周期。計算機不斷重復(fù)指令周期，直到完成程序的執(zhí)行。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的一個主題就是不斷縮短上述指令的執(zhí)行周期，從而提高計算機運行程序的效率[1-2]。相關(guān)研究者提出了許多提高指令執(zhí)行效率的技術(shù)，包括精簡指令系統(tǒng)計算機(RISC)技術(shù)[3]、指令流水線技術(shù)、高速緩存技術(shù)、轉(zhuǎn)移預(yù)測技術(shù)、亂序執(zhí)行技術(shù)[4]、超標(biāo)量(多發(fā)射)技術(shù)[5]等。

圖1 CPU的不同體現(xiàn)方式Fig.1 Different implementation types of CPUs

CPU有多種體現(xiàn)方式，如圖1所示。在IBM時代，CPU體現(xiàn)為若干個柜子。1967年交付使用的109丙機如圖1(a)所示，運算速度為50 000次/s。由于該機在“兩彈一星”的研制中起到了重要作用，因此又被稱為功勛機。在Intel時代，CPU體現(xiàn)為一個芯片。2017年發(fā)布的龍芯3A3000處理器如圖1(b)所示。該處理器集成4個CPU核心，每個核心都有獨立的運算器和控制器，峰值浮點運算速度為24億次/s。在ARM時代，CPU體現(xiàn)為一個IP核，其中，軟IP為源代碼，硬IP為版圖，授權(quán)給相關(guān)企業(yè)用于芯片設(shè)計，我國絕大多數(shù)手機芯片均采用ARM的CPU核設(shè)計。通過集成CPU、內(nèi)存控制器、IO接口、互連等模塊設(shè)計的芯片被稱為系統(tǒng)級芯片(SoC)。

CPU的價值在于承載生態(tài)。雖然全球80%左右的計算機由中國生產(chǎn)，但2011年，我國IT產(chǎn)業(yè)百強企業(yè)的利潤總和僅為美國蘋果公司的40%。2016年，蘋果公司和三星公司的手機利潤占全球市場利潤的94%。2017年，蘋果、聯(lián)想、英特爾、海思和展銳公司的銷售收入及利潤對比見表1。其中，海思、展銳公司的利潤不可查。IT產(chǎn)業(yè)本質(zhì)上是為客戶提供解決方案，而解決方案決定最終的用戶習(xí)慣，用戶習(xí)慣則會形成很高的商業(yè)“門檻”。根據(jù)谷歌公司最近公布的資料，雖然谷歌公司的Android系統(tǒng)免費，但該系統(tǒng)給谷歌公司帶來的盈利超過420億美元，其根本原因在于谷歌公司控制了手機的解決方案。我國IT產(chǎn)業(yè)的出路在于自主研發(fā)CPU和操作系統(tǒng)，建立獨立于Wintel體系(Intel X86 CPU+微軟Windows操作系統(tǒng))和AA體系(ARM CPU+Android操作系統(tǒng))的自主技術(shù)和產(chǎn)業(yè)體系，而不是在已有的Wintel和AA體系中做產(chǎn)品。發(fā)展自主CPU的最終目標(biāo)就是要建立自主可控的信息技術(shù)平臺和產(chǎn)業(yè)體系。

從上述分析可看出，CPU的“體”是運算器加控制器，只有自主研發(fā)運算器和控制器才是自主CPU。引進國外的CPU核做芯片只能被稱為自主SoC，直接引進國外設(shè)計的自主流片更不能被稱為自主CPU。CPU的“相”可體現(xiàn)為機柜、芯片或IP。CPU的“用”是承載軟件生態(tài)，研制自主CPU的目標(biāo)是“構(gòu)建安全可控的信息技術(shù)體系”，而不是在已有體系中開發(fā)產(chǎn)品。有一種觀點認(rèn)為，X86和ARM產(chǎn)業(yè)生態(tài)好，因此發(fā)展自主CPU只能走與X86和ARM兼容的道路。但引進X86和ARM的CPU技術(shù)并不是對現(xiàn)有技術(shù)體系的創(chuàng)新，這樣做很難動搖國外企業(yè)對技術(shù)平臺的把控，長此以往會造成國內(nèi)企業(yè)依賴現(xiàn)有國外IT生態(tài)的惰性，加劇國外企業(yè)已形成的壟斷。

2 建立自主可控的信息技術(shù)平臺

要建立自主體系，應(yīng)打造計算機系統(tǒng)的技術(shù)鏈，消除鏈上的技術(shù)難點。通用計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次如圖2所示。由圖可見：計算機系統(tǒng)分為應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、晶體管4個層次[6]。

圖2 計算機系統(tǒng)的分層模型Fig.2 Hierarchical model of computer system

第一層是應(yīng)用程序。我國的應(yīng)用軟件(APP)較為發(fā)達，如社交、電商類APP已能與美國比肩。

第二層是操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)為編寫APP提供應(yīng)用程序編程接口(API)。常見的API包括C語言、Java語言、JavaScript語言、OpenGL圖形編程接口等。我國基于上述API編程的工程師有很多，但能設(shè)計這些API軟件(如Java虛擬機、C編譯器等)的工程師則很少。

第三層是以CPU為核心的硬件系統(tǒng)。CPU提供指令系統(tǒng)(ISA)作為軟硬件界面。常見的ISA包括X86，ARM，MIPS等。我國每年使用ARM的CPU核研制的芯片銷售額數(shù)以億計，但其主要IP核都是市場上的大眾化產(chǎn)品，同質(zhì)化競爭嚴(yán)重。

第四層是晶體管。我國一直高度重視生產(chǎn)工藝的建設(shè)，雖然與國際水平還有一定差距，且主要生產(chǎn)設(shè)備依賴進口，但我國的生產(chǎn)工藝水平總體上可滿足自主信息化需求。目前40 nm低功耗工藝已經(jīng)成熟穩(wěn)定，28 nm工藝亦趨于成熟。介于硬件系統(tǒng)與晶體管之間的工藝模型是芯片生產(chǎn)廠家提供給芯片設(shè)計者的界面，包括仿真電路模擬器(SPICE)模型、標(biāo)準(zhǔn)單元庫、有關(guān)宏單元等。

建立自主軟硬件體系要走“應(yīng)用牽引、系統(tǒng)優(yōu)化、軟硬結(jié)合、規(guī)范適用”的技術(shù)道路。從系統(tǒng)的角度進行優(yōu)化設(shè)計，做到在局部性能不如國外系統(tǒng)的情況下，整個系統(tǒng)的性能超過國外系統(tǒng)。例如：在某數(shù)據(jù)庫應(yīng)用中，使用X86服務(wù)器需50 min，使用基于龍芯CPU的服務(wù)器，經(jīng)過軟硬件磨合只需80 s；某雷達顯控應(yīng)用在海量目標(biāo)場景下，X86高端商業(yè)計算機的圖像處理速度為10幀/s，經(jīng)過深度優(yōu)化，龍芯平臺可將處理速度提升至20幀/s。現(xiàn)在的信息系統(tǒng)冗余較多，只要根據(jù)適用的原則進行系統(tǒng)優(yōu)化，就可以做出集約型的優(yōu)化系統(tǒng)。蘋果公司產(chǎn)品iPAD的CPU性能不如Intel的桌面CPU，但因蘋果公司堅持建立自主的軟硬件體系，故iPAD的用戶體驗比桌面電腦要好。俄羅斯的CPU技術(shù)遠(yuǎn)不如我國，但因其堅持自主體系，故其武器裝備水平性能也相對優(yōu)越。

3 龍芯CPU性能優(yōu)化

“十二五”以來，自主CPU在應(yīng)用試點過程中暴露出性能不足的問題。部分研究人員認(rèn)為自主CPU滿足不了應(yīng)用需求，傾向于引進國外CPU，或使用引進的CPU核設(shè)計芯片。自主CPU是新事物，要用長遠(yuǎn)的眼光看待其發(fā)展，碰到問題和困難不應(yīng)立刻下結(jié)論，而是要找真正的原因。只有“定位準(zhǔn)確、機理清楚”，采取的措施才能有效。

CPU的性能優(yōu)化要緊密結(jié)合市場需求，將國外CPU發(fā)展趨勢和我國自主信息化的具體需求相結(jié)合。我國自主CPU的研發(fā)源自“十五”期間“863計劃”的支持，自主進行技術(shù)攻關(guān)的CPU包括中國科學(xué)院計算機研究所的龍芯CPU、上海高性能CPU研發(fā)中心的申威CPU、國防科技大學(xué)的飛騰CPU等。在與產(chǎn)業(yè)結(jié)合過程中，由于科研與產(chǎn)業(yè)相背離的問題沒有得到解決，因此雖然個別技術(shù)指標(biāo)達到世界領(lǐng)先水平[7-8]，但桌面、服務(wù)器等的通用處理能力很低，系統(tǒng)中還存在明顯短板。

經(jīng)過深入分析發(fā)現(xiàn)，雖然“十二五”初期主要產(chǎn)品1 GHz龍芯3A1000[9-10]的主頻只有市場主流產(chǎn)品的1/3，但其性能的主要瓶頸仍是微結(jié)構(gòu)差距導(dǎo)致流水線效率低，尤其是訪存帶寬與市場主流產(chǎn)品有較大差距，供數(shù)和供指令不足引起了指令流水線頻繁阻塞。通過優(yōu)化微結(jié)構(gòu)設(shè)計，大幅提高了訪存性能和轉(zhuǎn)移猜測準(zhǔn)確度，并通過增加有關(guān)隊列解決指令流水線堵塞問題，使用境內(nèi)40 nm工藝研制出龍芯3A2000[11]。雖然龍芯3A2000的主頻仍是1 GHz，但其通用處理性能為3A1000的2～3倍，訪存帶寬有較大提高。在此基礎(chǔ)上，使用境外28 nm工藝研制出的龍芯3A3000的主頻提高到1.5 GHz，通用處理性能達到3A1000的4～5倍。

龍芯3A1000，3A2000，3A3000的性能比較見表2。表中，INT2006和FP2006分別是國際公認(rèn)的CPU性能測試程序SPEC CPU2006的定點和浮點測試集[12]，STREAM是國際公認(rèn)的訪存帶寬測試集。表2還給出了1.5 GHz的AMD K10處理器的測試結(jié)果。由表可見：1.5 GHz的龍芯3A3000的綜合性能與1.5 GHz的AMD K10相當(dāng)(測試時將AMD K10的主頻降低到1.5 GHz，主要是為了比較3A3000和K10的流水線效率)。

表2 龍芯3A1000，3A2000，3A3000性能比較

在研龍芯3A4000與3A3000在FPGA仿真平臺上的性能比較見表3。由于仿真平臺主頻較低，約為1 MHz，因此使用SPEC CPU2000 test程序進行測試。測試時模擬3A4000和3A3000的主頻均為1 GHz，內(nèi)存控制器頻率均為500 MHz。由表可見：在相同主頻下，龍芯3A4000比3A3000的定點性能高48.54%，浮點性能高43.77%。上述對比未考慮龍芯3A4000支持256位向量優(yōu)化。根據(jù)在X86平臺上的性能測試，編譯器自動向量化可將SPEC CPU的定點性能提高約5%，浮點性能提高約15%。龍芯3A4000使用3A3000的28 nm工藝，通過優(yōu)化設(shè)計將主頻從1.5 GHz提高到2.0 GHz。在相同的工藝條件下，龍芯3A4000性能為3A3000的2倍。在此基礎(chǔ)上，若使用更先進的工藝技術(shù)將主頻提高到2.5～3.0 GHz，則龍芯CPU的通用處理性能可達到國際主流CPU的水平。

表3 龍芯3A3000和3A4000仿真平臺性能比較

上述結(jié)果表明：自主CPU的性能可在持續(xù)改進過程中不斷提高，滿足自主信息化需求，并不需要依靠引進。CPU系統(tǒng)較為復(fù)雜，應(yīng)在產(chǎn)業(yè)化實踐中通過不斷試錯、長期演進來逐步發(fā)展。對于以自主CPU和操作系統(tǒng)為代表的核心技術(shù)，只有在自主創(chuàng)新實踐中發(fā)現(xiàn)問題，在解決問題的過程中提高能力，才能保障國家信息安全，支撐產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。

4 龍芯軟件生態(tài)建設(shè)

我國應(yīng)構(gòu)建面向工控系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的兩大軟件生態(tài)。一是面向“中國制造2025”的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系。目前，不同的工控系統(tǒng)相互孤立且愈加復(fù)雜，如Android平臺改變服務(wù)模式，實現(xiàn)了“軟件即服務(wù)”。我國需要一個“軟件即制造”的平臺來提升信息化水平，在該平臺上實現(xiàn)使用APP即可進入相關(guān)領(lǐng)域的控制系統(tǒng)，如飛機、高鐵等。二是面向自主信息化的桌面和服務(wù)器生態(tài)體系。如果說建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)是“開拓疆域”的話，那么建設(shè)信息系統(tǒng)生態(tài)就是“收復(fù)失地”。在桌面和服務(wù)器領(lǐng)域，必須建設(shè)信息系統(tǒng)生態(tài)。我國至少要發(fā)展面向國防、能源、交通、金融、電信等涉及國家安全和國民經(jīng)濟安全的自主基礎(chǔ)軟硬件平臺。

生態(tài)的關(guān)鍵是開發(fā)者。對于系統(tǒng)開發(fā)者，技術(shù)平臺要保持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定，要以保持操作系統(tǒng)二進制兼容為重點；對于應(yīng)用開發(fā)者，技術(shù)平臺要便于應(yīng)用開發(fā)，要以完善應(yīng)用程序編程接口為重點。

1) 通過統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)，保持操作系統(tǒng)跨硬件平臺的二進制兼容，可大幅提高系統(tǒng)開發(fā)效率。Wintel的所有平臺都能安裝Windows操作系統(tǒng)；而以前龍芯的平臺，每升級一次CPU，就必須適配一次操作系統(tǒng)，甚至不同廠家的主板也得適配操作系統(tǒng)。通過指令系統(tǒng)兼容可實現(xiàn)應(yīng)用程序的二進制兼容，但要實現(xiàn)操作系統(tǒng)的二進制兼容則需要從包括CPU、橋片、BIOS、操作系統(tǒng)等在內(nèi)的全系統(tǒng)的角度進行規(guī)范并保持長期兼容。除了主導(dǎo)X86指令系統(tǒng)的發(fā)展，英特爾公司還主導(dǎo)了主板和操作系統(tǒng)界面的統(tǒng)一可擴展固件接口(UEFI)規(guī)范，以及IO設(shè)備與操作系統(tǒng)界面的外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)(PCI)規(guī)范等?！癘utside”是英特爾公司設(shè)立的技術(shù)門檻，是其保持壟斷的重要手段。

統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)對CPU、橋片、BIOS和操作系統(tǒng)的研發(fā)都提出了要求，包括跨代兼容的指令系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)化的全局地址空間分布、標(biāo)準(zhǔn)化的中斷路由和中斷編程、標(biāo)準(zhǔn)化的多核間同步通信編程接口、可動態(tài)枚舉的擴展組件、可動態(tài)插拔的外設(shè)接口等。除了CPU，橋片是確定系統(tǒng)架構(gòu)的核心要素。計算機系統(tǒng)通過橋片定義系統(tǒng)空間布局，確定中斷系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)組件標(biāo)準(zhǔn)化(HPET，RTC)、外設(shè)接口動態(tài)插拔、擴展組件動態(tài)枚舉等。為此，龍芯中科技術(shù)有限公司(簡稱龍芯中科)自主研發(fā)了龍芯7A1000橋片，并與龍芯3號系列CPU形成統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)范，保持操作系統(tǒng)對不同主板及升級后的CPU和橋片的兼容，大幅減少了軟硬件適配工作量，提高了軟硬件開發(fā)效率。

2) 優(yōu)化API，促進應(yīng)用遷移，提升用戶體驗。API是應(yīng)用開發(fā)者的生產(chǎn)工具，大多數(shù)APP是基于API接口(Java，JavaScript，QT等)開發(fā)出來的。只有掌握API，才能吸引大量開發(fā)者圍繞龍芯中科的技術(shù)平臺進行應(yīng)用開發(fā)工作，并在此基礎(chǔ)上逐步形成產(chǎn)業(yè)生態(tài)。API是生態(tài)建設(shè)的必爭之地。

用于“人機交互”的圖形API和用于“機機交互”的網(wǎng)絡(luò)API是IT產(chǎn)業(yè)的兩大核心要素。谷歌的Android操作系統(tǒng)的內(nèi)核和很多模塊都直接來源于Linux，但對圖形和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)進行了深入改造。在圖形系統(tǒng)方面，Linux中包括Xserver，GTK，QT，OpenGL在內(nèi)的圖形系統(tǒng)在發(fā)展過程中由于缺少規(guī)劃，冗余高且效率低。谷歌在OpenGL的基礎(chǔ)上推出了功能完整、簡潔高效的OpenGL-ES圖形系統(tǒng)API。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方面，Linux的火狐瀏覽器(Firefox)臃腫且復(fù)雜，谷歌的Chrome瀏覽器簡潔且高效，現(xiàn)已超過微軟的IE瀏覽器成為世界上用戶最多的瀏覽器。

“十二五”期間，在信息系統(tǒng)生態(tài)方面，龍芯中科結(jié)合政務(wù)處理系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)等應(yīng)用需求，基于Linux研制了Loongnix通用操作系統(tǒng)平臺。Loongnix以“規(guī)范適用”為原則，與龍芯CPU進行了深度適配，尤其是優(yōu)化了包括編譯器、Java虛擬機[13-14]、瀏覽器、媒體播放[15]、OpenGL和QT圖形庫[16]、Flash等在內(nèi)的重點軟件包。龍芯平臺Java虛擬機和JavaScript優(yōu)化前后比較見表4。龍芯中科將在“十三五”期間對Xserver圖形系統(tǒng)進行重新梳理與深度優(yōu)化，使龍芯平臺的用戶體驗得到大幅度提升。Loongnix為開放平臺，操作系統(tǒng)企業(yè)、整機企業(yè)和集成商均可基于Loongnix開發(fā)發(fā)行版操作系統(tǒng)。同時，龍芯中科將國際開源社區(qū)作為生態(tài)建設(shè)的重要陣地，積極向國際開源社區(qū)提供軟件包，以避免每次社區(qū)版本升級都要重新適配。

表4 龍芯平臺Java虛擬機和JavaScript優(yōu)化前后比較

“十二五”期間，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)方面，龍芯中科結(jié)合用戶需求研制了面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的實時操作系統(tǒng)LoongOS。該操作系統(tǒng)在RT-Linux和VxWorks內(nèi)核的基礎(chǔ)上，完善了OpenGL，QT等圖形界面，在裝甲裝備、艦船、飛機顯控系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用?；赩xWorks的龍芯2D，3D圖形API所繪制的圖形如圖3所示。龍芯中科下一步將完善LoongOS的網(wǎng)絡(luò)API，以方便網(wǎng)絡(luò)編程。

圖3 基于VxWorks的龍芯2D，3D圖形API所繪畫的圖形Fig.3 Graphics drawn by Loongson 2D and 3D graphical APIs based on VxWorks real-time operating system

在Wintel體系中，Intel主導(dǎo)指令系統(tǒng)、主板與操作系統(tǒng)接口UEFI、操作系統(tǒng)與外設(shè)接口PCI等軟硬件接口規(guī)范，微軟主導(dǎo)操作系統(tǒng)與應(yīng)用的API接口規(guī)范。在AA體系中，ARM主導(dǎo)指令系統(tǒng)及片內(nèi)總線接口AMBA(advanced microcontroller bus architecture)規(guī)范，谷歌主導(dǎo)操作系統(tǒng)與應(yīng)用的API接口規(guī)范。蘋果公司雖然使用ARM指令系統(tǒng)，但其軟硬件自成體系，能進行系統(tǒng)優(yōu)化，所以用戶體驗較Wintel和AA要好。上述3個生態(tài)體系中有以下幾個重要特點：

1) 開放。越開放合作伙伴越多，產(chǎn)業(yè)生態(tài)力量越大，ARM公司在這方面做得最好。

2) 兼容。越兼容越容易形成合力，產(chǎn)業(yè)生態(tài)不易碎片化，英特爾公司在這方面做得最好。

3) 優(yōu)化。以用戶體驗為中心，通過軟硬件緊密結(jié)合進行優(yōu)化，蘋果公司在這方面做得最好。

龍芯CPU+開放操作系統(tǒng)的模式能做到比Wintel更開放，比AA更容易統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)，并實現(xiàn)操作系統(tǒng)二進制兼容，比Wintel和AA更容易通過軟硬件磨合并實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。

5 自主CPU在航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

伴隨我國航天事業(yè)的發(fā)展，航天型號任務(wù)中火箭、飛船和衛(wèi)星的平臺與載荷大規(guī)模采用的CPU主要用于信號處理、信號和設(shè)備控制、數(shù)據(jù)計算和傳輸，以及綜合多任務(wù)調(diào)度。航天裝備的元器件、器部件和載荷必須采用宇航級器件以提升空間環(huán)境抗輻照的能力，這對國產(chǎn)化自主可控CPU提出了更高的要求[17-19]。現(xiàn)階段，自主CPU在我國航天領(lǐng)域的應(yīng)用情況主要為：1)通過反向設(shè)計，仿造國外同類型的抗輻照處理器，實現(xiàn)國產(chǎn)化的目標(biāo)；2)采用未被禁運的商業(yè)級、工業(yè)級的高性能處理器產(chǎn)品，并對其進行篩選和航天工程化處理，滿足型號任務(wù)對高性能處理器的需求[20-21]。

龍芯中科從2006年開始研制抗輻照CPU技術(shù)，經(jīng)過10余年的積累，掌握了宇航級抗輻照處理器的技術(shù)重點和難點，推出系列抗輻照CPU產(chǎn)品。目前，龍芯抗輻照CPU主要發(fā)展兩個系列：一是基于0.18 μm體硅進行抗輻照加固設(shè)計的低端系列；二是基于0.13 μm 硅技術(shù)(SOI)工藝進行加固設(shè)計的高端系列。龍芯抗輻照/抗核CPU發(fā)展路線見表5。

表5 龍芯抗輻照/抗核CPU發(fā)展路線

低端系列包括龍芯1E04(主處理器)和1F04(協(xié)處理器)兩款產(chǎn)品。其中龍芯1E04集成了雙發(fā)射GS232處理器核，是一款通用的抗輻照CPU，主頻為66 MHz；龍芯1F04主要特點是集成了比較豐富的航天專用接口，可用一片1F處理器替代若干現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)所實現(xiàn)的功能。龍芯1F04還集成了GS132處理器核，主頻為33 MHz。在對性能要求較低的場合，龍芯1F可以單獨作為SoC使用；在對性能要求較高的場合，龍芯1E04和龍芯1F04可以通過PCI總線配合使用。目前龍芯1E04和龍芯1F04已經(jīng)研制成功，并于2014年完成鑒定檢驗。初步測試結(jié)果表明：實測抗輻照能力遠(yuǎn)大于項目立項時的目標(biāo)值。如總劑量目標(biāo)值為100 krad(Si)，實測值大于500 krad(Si)；單粒子鎖定目標(biāo)值大于75 MeV·cm2·mg-1，實測值大于99.8 MeV·cm2·mg-1；IGSO軌道翻轉(zhuǎn)率目標(biāo)值小于10-10次·位-1·d-1，實測值小于10-13次·位-1·d-1。

高端系列使用0.13 μm SOI工藝將龍芯1E04和1F04升級為龍芯1E300和1F300。在功能上，龍芯1E300較1E04增加了一個Spacewire接口，其余不變。在性能上，龍芯1E300集成了64位雙發(fā)射GS264處理器核，支持128位向量，主頻提高到200 MHz以上，運算能力達到400 億次/s，性能相比1E04提高了3～5倍。龍芯1F300的處理器核主頻也相應(yīng)提高，同時集成SpaceWire高速總線接口。在提升抗輻照能力上，使用SOI工藝要優(yōu)于使用體硅加固技術(shù)。龍芯1E300已于2018年推出，龍芯1F300預(yù)計于2019年推出。

龍芯中科還研制了抗輻照MCU龍芯1 J，該芯片采用130 nm Flash工藝，具有低功耗、高可靠、高集成度的優(yōu)點，已于2018年推出。

依托北斗衛(wèi)星專項，龍芯抗輻照CPU已在北斗裝備星上得到應(yīng)用[22-24]。2015年3月31日，我國首顆IGSO新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星搭載龍芯1E04和1F04發(fā)射升空。2016年2月1日發(fā)射的新一代北斗導(dǎo)航中地球軌道(MEO)衛(wèi)星，采用改版龍芯1E04和1F04芯片，工作狀態(tài)良好。2018年，北斗三號6顆組網(wǎng)裝備衛(wèi)星上采用龍芯抗輻照1E04和1F04的終端處理器及平臺控制載荷，工作狀態(tài)良好。目前龍芯1E300已成功在北斗三號衛(wèi)星上搭載試驗，解決了我國航天工程中高性能抗輻照處理器受制于國外禁運的問題，實現(xiàn)了我國航天器國產(chǎn)化處理器在性能方面的跨越式發(fā)展。

龍芯抗輻照CPU片內(nèi)所有IP(包括處理器核)均從源代碼開始自主設(shè)計，流片封裝均采用境內(nèi)工藝，BIOS和操作系統(tǒng)的源代碼均是自主掌握。龍芯抗輻照CPU采用的龍芯系列處理器核通過了地面軍用、民用芯片的批量(100萬片以上)應(yīng)用檢驗，結(jié)構(gòu)和邏輯成熟度高；其他邏輯模塊及接口在不同龍芯處理器上也得到了充分地面應(yīng)用驗證。龍芯CPU的抗輻照技術(shù)包括使用環(huán)柵進行抗總劑量加固及抗閂鎖加固；使用三模冗余的互鎖觸發(fā)器，提升觸發(fā)器抗單粒子輻照能力；使用互鎖存儲結(jié)構(gòu)及錯誤檢查糾正(ECC)，提升存儲器抗單粒子輻照能力；設(shè)計采用時空三模冗余，增強組合邏輯對單粒子輻射的承受能力。北斗裝備星在空間環(huán)境惡劣,距地面20 000 km的軌道上運行了3年，未出現(xiàn)一次可確認(rèn)的單粒子翻轉(zhuǎn)事件。

基于龍芯抗輻照CPU可形成穩(wěn)定的系列化系統(tǒng)解決方案。龍芯1F04及1F300分別形成高低搭配的獨立SoC解決方案。龍芯1E04+1F04及1E300+1F300分別形成高低搭配的CPU+橋片解決方案；龍芯1 J則形成微控制單元(MCU)解決方案。其中：在衛(wèi)星平臺綜合電子系統(tǒng)(星上數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))中，可采用龍芯1E(主處理器)+1F(協(xié)處理器)(橋片)的方案替代原先的AT695/AT697+ FPGA擴展外部接口的方案。例如：北斗三號型號任務(wù)中，中國航天電子技術(shù)研究院研制的星務(wù)計算機系統(tǒng)首次采用龍芯1E300+1F設(shè)計方案替代原有的AT697方案。在衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制載荷中，可采用龍芯1E+FPGA方案替代原有FPGA，AT697+FPGA和部分DSP+FPGA的方案。例如：北京航天時代光電科技有限公司的光纖陀螺、中國科學(xué)院成都光電技術(shù)研究所的太陽敏感器、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的地球敏感器等均采用龍芯處理器替代方案。在航天工程應(yīng)用上也可以考慮選用獨立龍芯1F處理器替代原有進口的單片機(80C31，80C32等)、FPGA(30萬門以下)和性能要求較低的數(shù)字信號處理器(DSP)。

現(xiàn)階段，龍芯中科已掌握MIPS(microprocessor without interlocked pipod stages)指令集和處理器微結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及抗輻照加固技術(shù)、工藝及設(shè)計規(guī)范，設(shè)計研制了以LS1E和LS1F為代表的抗輻照處理器，其性能達到國外抗輻照處理器的指標(biāo)。在航天型號任務(wù)中，采用MIPS架構(gòu)的抗輻照處理器技術(shù)路線作為SPARC(scalable processor ARChitecture)架構(gòu)技術(shù)路線的有力補充，能有效提升國產(chǎn)航天器綜合電子系統(tǒng)的安全性和可靠性。在衛(wèi)星平臺和載荷中，也可采用龍芯抗輻照處理器的替代方案，將其作為主份或備份載荷，從而形成我國特有的國產(chǎn)化安全自主可控抗輻照處理器的體系。

6 結(jié)束語

發(fā)展自主CPU應(yīng)堅持走“以市場帶技術(shù)”的自主研發(fā)道路，而不應(yīng)走“以市場換技術(shù)”的引進技術(shù)道路。發(fā)展自主CPU，構(gòu)建自主可控的信息技術(shù)體系，在航天領(lǐng)域研制高性能自主可控抗輻照處理器，是我國航天裝備發(fā)展的需要。龍芯CPU研發(fā)和應(yīng)用實踐表明：堅持自主研發(fā)，堅持建設(shè)自主生態(tài)的CPU是很有必要的。