历史性突破！龙芯公开LoongArch指令集：自主可控

胡伟武在进行 CPU 主板信号测试/来源：瞭望新周刊

集成电路是我国信息产业发展的核心领域，而CPU（中央处理器）则是集成电路中的核心元器件。国产CPU的发展一直是众人关注的焦点，如果没有CPU的国产化与自主化，国家信息安全将无从谈起。

但国产CPU的发展一直备受争议，它到底要走自主之路，还是走兼容之路？众所周知，“国产”一词本身就具备一定的争议性，有人说，国产就是指本国生产的东西。以中国为例，印有“中国制造”或“made in China”字样的就叫国产。但实际上，随着经济全球化的深入，国产的概念发生了变化，在手机业和汽车业，国产是指中国自主研发生产制造，或者零部件半数以上国产化的产品。尤其是在半导体芯片等高科技行业，对于“国产”一词的标准也要求更高。

从某种意义上来说，高科技行业的“国产”也可以理解为“自主可控”。拥有自主可控的CPU目前国内的企业可以分为两种，一种是借助国际上成熟的CPU核，比如华为海思，采用基于ARM的CPU核心来做自己的SoC（单芯片系统方案）芯片，这种方式的优势在于可以快速推出系统级芯片方案，但必须获取对方授权，如果再遇到之前美国对华为实施的技术制裁，悲剧难保不会再次上演。另外一类公司是目前真正意义上走自主之路的企业，比如龙芯，就一直基于自主设计的CPU核心架构进行研发并不断更新换代。

龙芯中科董事长胡伟武发表了《龙芯指令系统架构LoongArch解析》的演讲

视频源自-龙芯中科

CPU自主可控还存在两大“卡脖子”问题

在近日举办的第四届关键信息基础设施自主安全创新论坛上，龙芯中科董事长胡伟武发表了《龙芯指令系统架构LoongArch解析》的演讲，围绕自主信息体系建设，以及指令系统生态发展，进一步解读了龙芯最新发布的龙芯架构LoongArch。

可以说，龙芯推出的LoongArc指令集某种程度中解决了上文提到的国产CPU路线之争，那就是自主与兼容全都要。

（截图源自第四届关键信息基础设施自主安全创新论坛，下同）

在演讲前，胡伟武首先提出了一个关键问题，国产CPU发展速度很快，但自主可控度有待提高，现存的多款CPU，有从源代码开始就自己写自己研发的，还有引进技术的，以及通过合资公司等方式实现，而龙芯在这方面自主性最强，但还不够。

胡伟武还提出，目前CPU自主可控还存在两大“卡脖子”问题，一是指令系统架构受制于人，二是生产工艺受制于人。

胡伟武认为，自主体系建设的三个环节包括：基于自主IP核的芯片设计（CPU设计）、基于自主指令系统的软件生态（CPU应用）、基于自主材料设备的生产工艺（CPU生产）。

关于LoongArch指令集

当然，本次演讲中最受人关注的还是LoongArch指令集的情况，具体来看可以归结出如下特点：

1、LoongArch是全新的指令集，不是在 MIPS 上做的扩展。LoongArch包含基础指令 337 条、虚拟机扩展 10 条、二进制翻译扩展 176 条、128 位向量扩展 1024 条、256 位向量扩展 1018 条，共计 2565 条原生指令；

2、区别于MIPS，摒弃了部分不适合现代CPU的指令，又做了大量改进和扩展。例如单条指令支持的立即数从MIPS的最大16位扩展到最大24位，分支跳转偏移也从64K扩展到1M字节，以及寻址空间从固定分段改变为单一平面等，都有效减少了编译结果的目标指令条数和访存次数，提高了效能；

3、LoongArch保持了RISC指令集的特点，32位定长指令、32个通用寄存器、32个浮点／向量寄存器。MIPS只有3种指令格式，LoongArch重新设计了指令格式 ，使可用的格式多达10种 ，其包含3种无立即数格式和7种有立即数格式。重新设计的指令格式可以包含更多的指令槽，有利于以后的长远发展。LoongArch的指令系统在设计时，以先进性、扩展性、兼容性为目标。这也是胡伟武在演讲中指出的，LoongArch指令集还可以通过二进制翻译的方式兼容MIPS、ARM及x86处理器。

不过胡伟武也指出，对于指令集翻译，除了技术问题之外，最大的麻烦还是法律，不过现在也不是大问题了，龙芯找了国内外的知识产权团队作了梳理，哪怕是二进制翻译别的指令集系统，也没有专利权的纠纷。当然，翻译其他指令也面临效率问题，好在LoongArch对MIPS指令的翻译效率是100％，对ARM可以达到90％。最难的当属x86，在Linux下翻译的效率可达80％，Windows下的效率还要减少到70％，不过后续还会有更多的优化。

目前，LoongArch指令集已经通过了国内第三方知名知识产权评估机构的评估，并在2021年信息技术应用创新论坛主论坛上正式对外发布，将在龙芯的新款芯片3A5000系列上首发，这也就意味着龙芯的3A5000将成为首款全自主指令集的国产CPU。

胡伟武表示还，龙芯还会继续进行知识产权分析，并建立LoongArch上游社区分支，同时组建LoongArch联盟，联盟成员免费使用 LoongArch 指令集，联盟成员可以免费获得龙芯的低于 ARM A53 性能的那些CPU核心设计，联盟成员之间不发生指令系统诉讼。通过这些方式，一方面免费开放LoongArch，另一方面也要在高校推广，取代RISC－V。

中国为什么要打造自主CPU

实际上，在龙芯LoongArch指令集出来之前，也是采用“授权+自主指令集”的模式进行研发的。通过早期花钱购买MIPS架构授权，然后再在MIPS架构的基础之上，研发了自己的LoongISA指令集，形成兼容MIPS指令集+LoongISA指令集。

所以严格来讲，龙芯LoongISA指令集中含有MIPS架构，因此也并非100%国产，但相对于其它采用ARM、X86架构的国产CPU而言，还是更加的自主可控。而这也导致另一方面的问题，MIPS指令集是美国公司的产品，所以一定程度上也存在一定风险，于是后来龙芯做了一个决定，要研发出一套真正100%自研的指令集，彻底抛弃掉MIPS，真正做到完完全全的自主可控。

在近日央视《对话》节目中，龙芯中科董事长胡伟武也被问及“我们中国为什么要打造自主CPU？什么才算是自主？”时，胡伟武表示，“自主CPU关乎国家安全，涉及到产业发展。“自主”关乎到产业主导权和利润在谁手里，涉及到自主体系建设的三个环节。

一个是关乎国家安全，软件后门攻击一个国家的例子很多。按照习近平总书记的说法，在别人的地基上盖房子，再大，再漂亮，也经不起风雨，甚至会不堪一击。第二个是涉及到产业发展。2017年的时候，中国电子信息产业平均利润率是5．4％，中国工业平均利润是6．5％，我们的IT产业虽然大，但是基础不强。

外延就是说这个产业什么时候升级，这个产品怎么升级我得自己说了算，我不一定什么都自己做。从外延上看，它就是产业的主导权和利润，在我手里。从内涵上来说，一个产业体系分为三个环节。第一个是基于自主IP核的芯片设计。第二个是基于自主指令系统的软件生态。第三个是基于自主材料和设备的生产工艺。”

参考资料：

1、《做国家网信事业的坚强底座，龙芯中科胡伟武“419”论坛发表LoongArch深度解读》－龙芯中科

2、《龙芯详解LoongArch指令集：通吃MIPS／ARM／x86》－快科技

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