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龙芯中科冲击科创板!从实验室到上市,三代人为中国芯奋战20年

2021-07-13 22:23 来源: 全景财经
全景财经 2021-07-13 22:23

从实验室到上市公司,三代人为中国“芯”的开拓之路

2001年,年仅32岁的胡伟武刚刚转正成为中科院计算技术研究所研究员1年,得知所里在筹备CPU项目,看着十年前做本科毕业设计的实验室,重操旧业的冲动让自己向师兄唐志敏立下军令状,“一两年之内不把通用操作系统引导成功,提头来见”【1】,于是受命出任龙芯CPU首席科学家。

这是自1984年暂停后,中科院计算技术研究所再度启动大规模集成电路的研究,中国人再次踏上对国产芯片的追梦之旅。

“狗剩”到北斗,“芯”跳加速

2001年5月在中科院计算所知识创新工程的支持下,龙芯课题组正式成立。时任计算技术研究所所长的是李国杰院士,他的另一个身份是曙光信息产业有限公司的创始人和董事长,就是拥有国产超算的中科曙光的掌舵人,而这又是另一个故事。

国产芯片启动项目的名字叫Godson,乍一看以为是上帝之子,项目组希望开辟希望之光;而字典中也的确有这个单词,不过是教子的意思。但这些都不是胡伟武的本意,他后来解释道,这是一个音译,其实这个处理器的名字叫“狗剩”,起贱名好养活。

这是一种玩笑,但多少也透露出国产芯命运的坎坷,科研人员对于前辈无数次尝试最终落败的心酸,单纯地希望龙芯能够活下来。

但即便是贱名,胡伟武的团队也没有轻贱去对待。在他撰稿回忆研发攻坚的文章中,他提到:

“好几次,我早上六七点钟打开实验室的门,发现有些人手里抓着鼠标就靠在椅子上睡着了。我看到这样的场景总忍不住想落泪,但急于了解昨晚的进展,还是叫醒他们并让他们接着干。我觉得自己真比周扒皮还狠。我的一个学生近两个月时间很少在凌晨4点前睡觉,而常常到八九点钟我上班后就会把他叫起来。”【1】

“我们坚持—种观点,我们现在落后这么多,如果大家都—样,—周五天、—天8小时上班,恐怕很难赶上。唯有像当年摘"两弹--星"—样拼命,才能不受欺负,我们的子孙才有希望重新做到‘犯我大汉者,虽远必诛之’。”【1】

在这样拼命精神下,在这样的使命感中,龙芯不负众望,在次年成功通过验收。

2002年8月,龙芯1号正式问世,首次解决了中国无芯的局面,同年入选中国科学院和工程院联合主办的十大科技进展新闻,当年入选的还有“神舟”三号、四号飞船发射成功;三峡工程导流明渠截流成功等等。

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图/龙芯中科官网

这一款通用式的首枚“中国芯”,含有600多万个晶体管,可执行250多条指令。虽然性能只能与英特尔的486相当,但并不影响国产芯片成功起步的重要意义。(作者注:486即80486芯片,英特尔1989年推出,而在1993年推出了广为国人所知的奔腾系列处理器,在2002年时,奔腾4处理器已经问世2年了。)

首发成功后,胡伟武的团队继续“芯”跳加速,用2年的时间,完成了英特尔11年的升级之路。

2003年12月,龙芯2号在中科院计算所正式亮相,这时候的龙芯已经进入国家863计划、核高基项目了。

此次龙芯2号的研究目标是在2004年中期,用0.18微米的工艺,实现主频500MHz、SPECCPU2000测试分值超过300的64位通用CPU芯片。【2】换句话说,就是接近奔腾4的水平。

而龙芯面临的另一个挑战——商业化之路,也越来越突出。而早在龙芯1号诞生时,中科院计算所就已经意识到了这个难题。

2002年底由李国杰院士担纲的龙芯产业联盟成立,也推出了“双百计划”,即"吸引100家以上的各专业领域的产研单位加盟,研发出100款以上基于龙芯的专用产品,并在2年内达到总计百万台以上的市场销售。"【2】

但事实不容乐观。彼时,将龙芯产品进行商用的只有曙光的龙腾服务器和神州数码、长城的NC,在规模和销量上都还未成气候。【2】

当然,每当遇到困难的时候,总是会有泼冷水的,毕竟世上无难事,只要肯放弃。2018年发生过,2003年的时候也发生过。

当时有评论员认为,在嵌入式CPU方面留给我们的空间可能会比较大。在通用芯片方面,已经有Intel、AMD和IBM。我们完全可以去做更适应我们自己的芯片。或者看看印度,即使不做芯片,也仍然可以成为IT大国。【2】

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龙芯3号验收报告 图/知网

在这种质疑声中,胡伟武带着他的龙芯继续前进。2008年,4核龙芯3号流片成功,这也标志着国产CPU芯片正式进入了多核时代。

龙芯3号的制程来到了65nm,主频为1GHz-1.2GHz,晶体管的数目达到了4.25亿个。从2002年到2008年,6年时间里晶体管数量提升超过60倍。赶超中的国产芯片团队,硬生生把18个月晶体管数量翻一倍的摩尔定律,压缩到了12个月!

上个月,龙芯中科展示了最新处理器龙芯3A5000,其采用了12nm工艺,4核设计,基础频率2.5GHz,这已经追到了英特尔i5系列芯片了。更重要的是,这款芯片采用了龙芯中科新推出的完全自主指令集 LoongArch,性能相比上一代3A4000,其单核性能提了50%,功耗却降低了30%。

在提升性能的过程中,龙芯也依旧在进行商业化的尝试。

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基于龙芯的研究和应用 图/知网

早在2013年,首款内置龙芯处理器笔记本逸珑8133就正式上市了。中国高铁100%国产化,背后也有着龙芯的支持。而2015年北斗卫星飞上太空,龙芯随之奔向星辰大海。从国防的雷达、火控,到日常的WiFi路由,这颗中国“芯”已经慢慢走进了公众的视野。

背了别人的锅,破了指令集的局

在芯片商用逐步展开的时候,其实关于国产芯片的问题并全部没有解决。

胡伟武曾在一次采访中说,我们的应用很发达,但是基础很薄弱,我们不能看着别人的第三层的房子很漂亮,我们就跟着做第三层的房子,而不管第一层和第二层的房子。

如果说应用是第三层的房子,我们从购物到社交,从外卖到出行,的确是拥有漂亮的第三层房子。但是第一层的芯片是基础,第二层是指令集和操作系统,也非常重要。

我们在挑选电脑的时候会考虑到操作系统,也在安装软件的时候,知道不同的系统软件是不一样的。而指令系统,作为一个非常底层的体系,距离我们生活过于遥远而不被大家所熟悉。

但毫不夸张地说,指令系统是软件生态的起点,只有从指令系统的根源上实现自主,才能打破软件生态发展受制于人的锁链。而同时,指令系统也与底层芯片架构相呼应。华为海思与ARM的爱恨情仇,根源就在于指令集的授权问题。

而多年以前,龙芯2号也遇到过类似华为海思的问题。

2005年的时候,龙芯与MIPS的专利纠纷就浮出水面,龙芯2号也被追着热议与MIPS架构高度类似的问题。为了解决专利问题,龙芯甚至采用了“曲线救国”的方式,与拥有MIPS授权的意法半导体合作来解决专利困扰。

最终,在2009年6月16日,龙芯获得了MIPS 64位架构使用权,专利的问题是解决了,但是网友们一下子“炸了锅”。

一时间关于龙芯血统的讨论、自主性的讨论、是否担当得起国产芯的讨论,铺天盖地而来,网友们的“群情激奋”,使得中科院计算所在短短三天后,专门召开新闻发布会,龙芯项目负责人胡伟武和计算所所长李国杰院士,亲自来解释这件事情。

胡伟武面对这广大媒体,像给学生上课一样科普了指令集、专利授权时,不知道怀着何种心情。但他对着镜头,坚定地说:“龙芯购买的是MIPS的结构授权,主要是基于扩大市场考虑,不涉及技术专利问题,并不影响龙芯CPU的自主性”,也还是很有当年“提头来见”的气魄的。

网友们为什么对于龙芯的血统这么在意,逼得中科院在三天内就召开新闻发布会,可能主要是汉芯寒过的心还没捂热乎,而这是国产芯片史上不能忘记的一桩丑闻。

其实,还在写这篇文章的时候,作者与偏爱科技股的朋友聊了一下龙芯中科,朋友的第一反应是“哟,那颗‘磨皮’的芯片还能上市啊?!”龙芯不是汉芯!龙芯真不是汉芯!龙芯的确不是汉芯!

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汉芯一号验收报告 图/知网

可能作者的朋友并不是个案,整个龙芯团队,都面临过这种被误解的困扰,也只怪汉芯之毒,遗害甚广。

在龙芯项目起步时,汉芯项目也在上海展开。而2003年,在龙芯1号发布半年之后,汉芯一号在上海通过技术鉴定。据专家认定"汉芯一号"及其相关设计和应用开发平台属于国内首创,达到了国际先进水平,其研制成功,标志着我国在 DSP 数字信号微处理器核心芯片上获得重大突破,填补了我国在高端通用 DSP 芯片上的空白。

同年二月,人民日报和光明日报发报道此事。

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基于龙芯的研究和应用 图/知网

2006年1月,在清华BBS上出现一封匿名信,称汉芯一号负责人陈进从飞思卡尔公司买入芯片,找民工磨掉商标后换上了汉芯标识。后被21世纪经济报道持续跟踪。

官方很快进行了调查,人民日报也在5月刊登了上海交大的处理结果:终止陈进负责的科研项目的执行,追缴相关经费,取消陈进以后承担国家科技计划课题的资格;教育部决定撤销陈进“长江学者”称号,取消其享受政府特殊津贴的资格,追缴相应拨款;国家发展改革委决定终止陈进负责的高技术产业化项目的执行,追缴相关经费。

谁也没有想到,在上海交大和中芯国际的加持下,这个集聚国人期待的突破,最后竟然让人寒心。“汉芯”给国产芯片的努力造成了巨大的伤害,以至于当提到龙芯时,可能第一反应都是“磨皮芯”。

在误解与偏见中,龙芯一路坚持到了今天。

而在去年,龙芯研制的CPU终于基于了自己的架构,龙芯还委托了第三方评估机构,对于自己的龙芯基础架构进行评估,并与国际著名的X86、ARM、RISC-V等进行对比,而IT之家也刊文公布了这次评估结果:

LoongArch 在指令系统设计、指令格式、指令编码、寻址模式等方面进行了自主设计。LoongArch 指令系统手册在章节结构、指令说明结构和指令内容表达方面与上述国际上主要指令系统存在明显区别。LoongArch 基础架构未发现对上述国际上主要指令系统中国专利的侵权风险。

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2021年6月17日胡伟武在第十六届开源中国开源世界高峰论坛上做《指令系统的自主和兼容》主题演讲  

图/开源中国开源世界高峰论坛

龙芯架构包括基础架构部分和向量指令、虚拟化、二进制翻译等扩展部分,有近 2000 条指令,不包含 MIPS 指令系统,具有完全自主、技术先进、兼容生态三方面特点。

尤其在生态方面,作为一个后发系统,龙芯要去挑战的是英特尔与微软和AMD与安卓,这两个非常成熟和成功的生态。而芯片、指令、系统以及应用,如果不能形成完整的生态,国产化还是一纸空谈。

龙芯架构充分考虑兼容生态需求,融合了各国际主流指令系统的主要功能特性,基于龙芯团队在二进制翻译方面十余年的技术积累创新,不仅能够确保现有龙芯电脑上应用二进制的无损迁移,而且能够实现多种国际主流指令系统的高效二进制翻译。

“狗剩”他爹胡伟武与龙芯团队

龙芯能走到今天,与项目领头人胡伟武密不可分,二十年岁月弹指一过,当年那个意气风发的年轻人,现在也已经满头白发。

胡伟武,1968年出生在浙江永康一个乡村教师家庭,自小他就是“别人家的孩子”,中考与高考都是当地状元。1986年,他以浙江永康县高考状元的身份,进入中国科技大学计算机专业。

毕业后,他免试进入中国科学院计算机技术研究所,攻读博士,师从我国著名计算机系统结构专家夏培肃院士。

而夏培肃院士,是中国计算机事业的奠基人之一,被誉为“中国计算机之母”。早在1953年,华罗庚提出要研制中国电子计算机,夏培肃就参与组建了最初的三人小组。最终在1960年,夏培肃设计试制成功中国第一台自行设计的电子计算机——107计算机。

这个时候的中国计算机水平,还是与国际先进水平保持一致的!

上个世纪90年代,集成电路、半导体研发预算屡被削减。夏院士嗅出危机,多次向上建言:“我国应开展高性能处理器芯片的设计,建议国家大力支持通用CPU芯片及其产业的发展,否则在高性能计算技术领域将永远受制于人。”院士的话振聋发聩,也在胡伟武心里埋下种子。【4】

1998年,夏院士还带着胡伟武完成了一篇题为《高性能计算技术展望》的文章,并发表在中国科学院院刊上。中国计算机研究薪火相传的接力棒,就是这样从第一代递到了第二代手中。

以“提头来见”的气魄接下了龙芯的课题项目,胡伟武也接下来前辈们的期盼。胡伟武在接受采访时提到,后来他去病房看望老师的时候,也还要汇报龙芯项目的进展,而计算所所长李国杰院士,曾经跟他说,“我这辈子能不能看到国产芯片,就全看你们了。”

在前辈的期许中,胡伟武领着100万的经费,带着临时组建的研究团队,挤进了不足60平米的实验室,也就有了开头“周扒皮”的自称和后面的一列故事。

2010年,胡伟武二度拒绝中科院计算机所的院士推荐名额,随后建立龙芯中科技术有限公司,推进自主芯片民用与商用。【4】而跟着他一起下海的,还有很多他的同事甚至学生,而这些学生中,最为大家所知的,可能是寒武纪的陈天石、陈天霁兄弟。

而陈天霁曾是8核龙芯3号的主设计师!第三代的身影,已经在胡伟武的带领下,进入了国产芯片的事业。所以,胡伟武的贡献不仅仅是龙芯这块芯片,更是他在这块芯片上20年的坚持,为中国芯片事业培养了一代人,中国的“芯芯之火”,也才有了燎原的可能。

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龙芯中科前十大股东 图/Wind

龙芯中科对于这些投身于国产芯片事业的人,也是非常慷慨的。胡伟武和晋红夫妻二人,通过天童芯源及芯源投资、天童芯正、天童芯国合计控制公司 33.61%的表决权,成为了公司实际控制人。

而第一大股东天童芯源,其实是整个研发团队的控股平台。在这个团队中,有一个非提不可的人,她就是黄令仪。

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胡黄令仪 图/参考资料【5】

黄令仪,1936年出生于广西南宁。她在抗战中长大,随新中国一起成长,1958年华中工学院(现华中科技大学)毕业后,进入清华大学半导体专业深造,因为表现出色,于1962年加入中科院。【5】

1980年,她设计出一款256ROM内存,获得了1980年院科技成果奖二等奖。但到了1984年,计算所因为科研经费紧张,暂停了大规模集成电路的研究。走出办公大楼,黄令仪忍不住失声痛哭,和同事们呕心沥血十几年创建的研究室以及正在进行的研究就这样被一句话宣告结束了。【5】

经历过屈辱与动荡年代的她,立志要以自己的奋斗,擦去祖国身上的耻辱;而在准备大展拳脚的当干之年,事业却因为经费不足遭到致命打击。而自此,中国被世界甩在了身后。

当2002年,黄令仪第一次见到胡伟武后,他们追求国产芯片的共同理想交汇在了一起,这位当时66岁的老人毅然决定放弃退休,再次出山,参与主持中国龙芯项目的研究,自此她开启了“中国芯”的研发征途。

而这一坚持,就又是近20年。2019年12月,黄令仪再次取得重大突破,她主持的龙芯3A4000/3B4000系列处理器,性能追上了美国AMD的挖掘机CPU水平,在耄耋之年,在半个多世纪的坚持后,这位老人终于实现了自己的理想。

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搭载龙芯3A4000的福珑2.0开发机内部 

图/龙芯中科微博

因为卓越的贡献,2020年1月6日,中国计算机学会给黄令仪颁发了CCF夏培肃奖项,这也是对这位贯穿了中国计算机事业三代人的功勋老者的肯定。

从投资看龙芯中科

前面三章都在讲故事,但是A股市场从来不缺故事,这些故事对于评判龙芯中科有什么价值呢?

其实,龙芯中科应该算一个赛道股。

它的赛道并不是传统的行业高速增长,当然,集成电路未来增速的确不错。它的赛道是经历贸易纠纷后,自主可控、国产替代从一个产业升级的国家战略,已经成为全国上下的共识。

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集成电路市场规模 图/龙芯中科招股说明书

在这种共识背景下,去A化的演进,为国产芯片打开的空间是巨大的。而正如胡伟武在采访中提到,实验室里出来十台发动机装在车上跑一年,跟工厂里出来百万台发动机装在车上跑十年,是完全不同的两件事。

去A化为国产芯片打开的市场,不仅仅是提供营收和利润,而是在产品实际使用中,不断发现问题,不断迭代,从而不断向世界领先水平逼近。

所以这个赛道上滚下去的雪球,不仅可以越来越大,还会越来越紧实。

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国内集成电路市场规模 图/龙芯中科招股说明书

但赛道股也面临着巨大的风险。表面上的去A化,其实是中国芯片产业链对美日欧三者联盟的竞争:从设计到设备,从精细化工到高纯度原料等等。

所以,讲了很多产品的发展之路,讲了创始团队的故事,讲了把研发团队团结在一起的股权结构。当我们不确定最终产品行不行的时候,我们先要确定人行不行,张磊在《价值》中也提到,投资的本质还是投人。

不过,龙芯中科还是一家争气的公司。

在2018年的时候,在工控领域站住了脚跟,当年虽然只实现了不到800万的利润,但这基本上确定了“狗剩”可以活下来了。工控差异化的使用环境以及对售后服务的强烈需求,都能成为龙芯保持优势的地方。

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营业收入变动 图/Wind

然后在2020年信息化类芯片快速起量,从19年的2.5亿营收提升到7.9亿,成为公司最重要的收入来源。

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龙芯2k1000工业系统方案 图/龙芯中科微博

按照龙芯中科招股书中的介绍,其主要产品包括面向嵌入式专门应用的龙芯 1 号系列处理器、面向工控和终端类应用的龙芯 2 号系列处理器、以及面向桌面与服务器类应用的龙芯 3 号系列处理器。

信息类芯片收入的快速起量,也标志着龙芯3号商业化迈出了重要一步。

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营业收入前五名 图/Wind

这个重要一步,还不能说明公司的成功。从公司重要客户角度来讲,龙芯还是一个非常to G的市场,政府采购成为了公司核心来源。未来面向更商业化的市场,是否还具有生命力呢?

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产品销量及单价 图/龙芯中科招股说明书

中国每年过亿的手机、PC以及各类物联网设备的销量,对于2020年出货只有百万量级的龙芯来说,无疑是一片广阔的天地。但这广阔的天地又是竞争残酷的商业化市场,这才是对龙芯自主性和创新能力的最有效检验,这也才是对龙芯商业价值最有效地检验。

中国半导体产业发展的现在,有以龙芯、寒武纪华润微等为代表的国家队,也有以斯达半导圣邦股份为代表的民间海归,还有以韦尔股份闻泰科技为代表的资本并购派。多条腿走路,也都在各自发展。

而未来发展的道路,从中芯国际的人士变动来看,努力赶超最顶尖制程和利用现有产业基础大力发展成熟制程,成为了两种思路。

而在这种思路变化中,胡伟武更倾向于后者,他认为同时利用系统优化提升最终产品性能,这一理念最后会将龙芯引向何方?中国半导体兴起在民族复兴中能否成为重要的篇章?这可能值得我们每个人去期待。

作者自语:

其实作者自己翻看了一遍招股说明书,一方面是CPU的确是一个高精尖的项目,才疏学浅的我也无法发掘太多的技术亮点,另一方面是相比于给大家介绍龙芯中科这个公司如何,推算业绩、展望市值,作者更希望给大家介绍龙芯中科背后的这群可爱的人如何。

上市之后也许这家公司会被暴炒,大家可能会热议,实控人胡伟武夫妇身家多少,股东中有很多员工持股计划,一波造富多少。但看看胡伟武20年如一日,从黑发青年熬成了满头白发,还有很多我们没有看到的他的师长、同事以及学生,这样一群理想主义者,为众人抱薪者,是应该得到回馈的。

资本对于他们奖励,是微不足道的,也是理所应当的。资本去奖励这样的人,去吸引未来的人踏上这样的道路,在这种大家喊着赌国运的时候,不是更合适的一种方式吗?

参考资料

[1]胡伟武.“龙芯”诞生记[J].科学,2002,54(05):6-9.

[2]黄燕.龙芯2号:急待打造产业链[J].互联网周刊,2003(45):16-17.

[3]秦茜.龙芯终获国外专利授权 “中国芯”背负血统之争[J].IT时代周刊,2009(14):52-53.

[4]朱虹.胡伟武:我和我的中国“芯”[J].时代邮刊,2020(24):29-30+28.

[5]李雷.黄令仪:为“中国芯”倾尽一生[J].时代邮刊,2021(06):26-28.

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