“龍芯之父”胡偉武：為中國造“芯”，使命光榮！
張 航 和冠欣
1946年2月14日，人類第一臺通用計算機誕生。人們驚訝于它的“塊頭”，也被它的速度震驚——這個占地170平方米，重約30噸，使用17000多支電子管，運行一小時耗電150度的“大塊頭”，每秒可以進行5000次加法運算，是人工計算的千倍以上。
當時的人們可能想象不到，70多年間，這個叫作“計算機”的東西，會越變越小，越來越快。
變化的秘訣，在于一片幾平方厘米的薄薄芯片。
2002年8月，這個長期被國外幾家大公司壟斷的領(lǐng)域里，中國產(chǎn)品首次亮相——安裝了“龍芯1號”CPU的計算機正常啟動工作。中國人只能依靠進口CPU制造計算機的歷史，在這一刻終結(jié)。
胡偉武
胡偉武，被譽為“龍芯之父”。為了這片“中國芯”，他已奮斗了20余年。
龍芯芯片
如今，“龍芯”系列CPU已經(jīng)廣泛應用于我國電子政務、工業(yè)控制等許多關(guān)鍵領(lǐng)域。胡偉武也在今年榮獲北京市突出貢獻中關(guān)村獎。
“中國芯”的奮斗還在繼續(xù)，在這位中國科學院計算技術(shù)研究所總工程師的心中，為中國造“芯”，使命光榮！
“我要當科學家”
1968年，美國硅谷，羅伯特·諾伊斯和戈登·摩爾辭去工作，投身創(chuàng)辦一家存儲芯片企業(yè)，他們給企業(yè)起名“英特爾”。當時，他們沒有想到，“英特爾”未來會變成世界芯片巨頭。
正是在這一年，萬里之外的浙中永康縣一位叫做應一新的鄉(xiāng)村教師迎來自己的第二個兒子。二兒子隨母姓胡，起名偉武。
上世紀六七十年代，大山里的永康農(nóng)村，絕大部分人家還沒有電燈。年少的胡偉武平時上學，假期跟著母親下地掙工分，晚上回到家，就著煤油燈看書、寫作業(yè)。村里飄起炊煙，這是胡偉武一天最開心的時候，不是為了吃飯，而是又到了聽廣播的時間——這件家里最值錢的電器，總能帶來大山外的消息。
很小的時候，胡偉武就把電影中、畫報上那些身穿白衣、手拿圖紙的科學家和工程師視為榜樣，他覺得他們特別神氣，“長大后，我也要當科學家，當工程師。”
身為教師的父親總跟兒子說：“學好數(shù)理化，走遍天下都不怕”。胡偉武沒讓父親失望。雖然因為父親調(diào)動工作，他總是轉(zhuǎn)學，但每到一所學校，他都能成為“第一名殺手”——因為他的到來，原來的第一名很快就變成了第二名。
中考，胡偉武是全縣第一名；高考，胡偉武還是全縣第一名，全省理科第29名。報志愿時，胡偉武想報數(shù)學或物理專業(yè)。已經(jīng)負責招生工作的父親變得現(xiàn)實了，他覺得學數(shù)學和物理畢業(yè)后不好找工作。在杭州上大學的哥哥建議：“現(xiàn)在計算機專業(yè)挺熱的。”胡偉武一想，計算機跟數(shù)學和物理都有關(guān)系，而且畢業(yè)后也可以當科學家、工程師。就這么定了！
最終，胡偉武被中國科學技術(shù)大學計算機專業(yè)錄取，雖然當時，他還不知道計算機長什么樣。
從金華到上海，再到合肥，轉(zhuǎn)車換乘時，扛著行李，趕路雖然辛苦，但胡偉武很興奮，因為這是他第一次走出永康山區(qū)，他迫切地想要看看外面的世界。
入學后，第一次上機。進計算機房前，老師遞給胡偉武和同學們每人一副鞋套、一件白大褂，胡偉武換上“行頭”，心里樂開了花——這跟電影和畫報上的科學家一模一樣。進了機房，老師叮囑大家一切要聽指令，嚴禁亂摸。胡偉武好奇地看著計算機，“這和縣城商場里能看到的小電視一樣啊”“那些隔著玻璃的鐵柜子是干什么用的”……
大學五年，胡偉武刻苦學習，分秒必爭。他沒去過巢湖，沒去過黃山，偶爾周末和同學去看場電影，回來后，他又為白白失去兩個小時后悔不已。他所有的興趣，都在計算機上。一個月生活費20多元，他吃最便宜的飯菜，卻毫不猶豫地買8塊錢一張的5寸軟盤。
研究編程、破解難題，胡偉武樂此不疲，就連玩游戲，他也有一顆“攻關(guān)”的心。當時同學們在計算機上玩一款類似于“黃金礦工”的小游戲，每積累5000個積分就會獎勵“一條命”。胡偉武破解了程序，500分就能獲得一次獎勵，這樣就可以一直玩下去，永遠不會“GAME OVER”。
做畢業(yè)設計時，胡偉武和另外一位同學用幾百個芯片搭起一套電路系統(tǒng)，能運行8086指令系統(tǒng)中除了十進制和除法以外的所有指令。這套電路系統(tǒng)有旅行箱那么大?，F(xiàn)在來看，那可能是胡偉武制作的第一個CPU。“當時我就想?yún)⒓右慌_實用計算機的設計。哪怕是參與一個小部件的設計也行。”胡偉武說，他覺得只要參與了設計，距離科學家就又近了一步。
給佳佳的生日禮物
1991年，成績優(yōu)異的胡偉武被保送到中科院計算所直接攻讀博士學位，師從我國計算機事業(yè)的奠基人、中科院院士夏培肅。讀博五年，導師淡泊名利、嚴謹求實的學風，對胡偉武影響極大。
1995年4月，胡偉武把自己的博士論文提交給夏培肅。他很有信心，計劃著參加7月的畢業(yè)答辯，他想把博士畢業(yè)證書作為生日禮物送給即將在下半年出生的孩子。
胡偉武沒想到，論文很快被導師打了回來，每一章都密密麻麻標注了修改意見。他不敢大意，認真修改，再提交，再打回，再修改……最終，26易其稿，直到次年2月才提交答辯。此時，他的女兒佳佳已經(jīng)出生好幾個月了。
答辯當天，參加評審的都是國內(nèi)計算機領(lǐng)域的頂級專家：有后來獲得國家最高科學技術(shù)獎的金怡濂院士，有后來擔任北京航空航天大學校長的李未院士，有后來擔任中科院計算所所長的李國杰院士……答辯很順利，胡偉武這篇以“CPU共享內(nèi)存的相互關(guān)系”為主題的博士論文獲得專家們的一致好評，入選當年的全國百篇優(yōu)秀博士論文。
計算機數(shù)據(jù)存儲設備包括內(nèi)存和硬盤，硬盤適用于長期存儲數(shù)據(jù)，內(nèi)存則是暫存數(shù)據(jù)供CPU隨時調(diào)用。因此，內(nèi)存空間大小直接影響到CPU運算的效率。胡偉武的論文揭示了多個CPU共享內(nèi)存時如何保證正確的訪存次序。
依據(jù)這一成果，胡偉武研發(fā)了一套虛擬共享存儲系統(tǒng)，在國際同類系統(tǒng)中首次實現(xiàn)把多臺計算機的內(nèi)存空間組織成更大的共享空間，各計算機CPU可以互相訪問對方機器內(nèi)存的數(shù)據(jù)，大大提升了計算機內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)的運行速度和效率。
胡偉武給這套系統(tǒng)取名“JIAJIA（佳佳）”，這也是他女兒的小名。如今，“JIAJIA”已被二十多個國家和地區(qū)的100多個科研單位使用。
這份遲到的生日禮物，也在女兒的心中種下了科學的種子。
佳佳小時候沒人照看，胡偉武經(jīng)常帶她到實驗室，甚至帶她出差。佳佳有時候會好奇地問爸爸都在忙些什么，胡偉武總是說，在“做CPU”。耳濡目染下，女兒對CPU的設計竟然也有了“心得”，“CPU就是在一張紙上畫些方塊，然后用線和箭頭把這些方塊連起來，再涂上點顏色，寫上一些字，最后一燒，燒出一個亮晶晶的小方塊。”女兒的話，總是逗得胡偉武哈哈大笑。
如今，佳佳正在中科院攻讀博士學位，也走上了科研之路。
“龍芯”出世
2002年8月10日凌晨6時08分，中科院計算所北樓105房間。一臺計算機屏幕上如約出現(xiàn)“login：”字樣。頓時，歡聲雷動。
安裝了“龍芯1號”CPU的計算機正常啟動工作。“龍芯”出世，中國人只能依靠進口CPU制造計算機的歷史，在此刻終結(jié)。作為項目首席科學家，胡偉武流下熱淚。
將時針撥回到上世紀90年代末，小巧、便捷的通用計算機（如家用電腦）大規(guī)模涌入中國市場，迅速受到家庭、企業(yè)和單位的青睞。當時國內(nèi)已經(jīng)誕生一批通用計算機生產(chǎn)企業(yè)，但最關(guān)鍵的CPU芯片，全部依賴進口。沒有誰愿意在芯片這個難題上下功夫，“既然國外產(chǎn)品更先進，為什么不用它們的”，這樣的觀點在當時很流行。
有識之士已經(jīng)意識到了“造不如買”的隱患。以夏培肅、金怡濂、李國杰為代表的一批科學家認為，通用CPU是核心技術(shù)，不可受制于人；中國市場這么大，利潤不應該全部留給國外。1999年起，時任中科院計算所所長的李國杰院士奔走呼吁：“十五”期間要啟動自主CPU的研發(fā)，要不然就沒機會了。
2000年10月，胡偉武回到了闊別9年的母校中科大。他是來做招生宣傳的。忙完招生，胡偉武走進上學時的實驗室，當年他做的那個電路系統(tǒng)，依舊靜靜地躺在角落里，桌面上放滿了芯片、電容、電阻、電烙鐵……一瞬間，胡偉武仿佛回到了十年前，那些沒日沒夜和邏輯門、觸發(fā)器、譯碼器相伴的時光，依次浮現(xiàn)在眼前，探索未知的誘惑撲面而來。
走出實驗室，胡偉武就撥通了正在籌備CPU設計項目的中科院計算所系統(tǒng)結(jié)構(gòu)室主任唐志敏的電話：“一兩年之內(nèi)不把通用操作系統(tǒng)boot（安裝運行）起來，我提頭來見”。
2001年初，李國杰院士從計算所科研經(jīng)費里擠出100萬元，啟動通用CPU研發(fā)。任務落在了胡偉武身上，那年他32歲。
胡偉武又開始了沒日沒夜的奮斗。他帶著學生們從頭開始，一步步補課，最多時幾天沒有合過眼。
2001年8月19日，胡偉武帶領(lǐng)團隊設計的Godson CPU成功地把LINUX操作系統(tǒng)boot起來。他沒有食言。
這只是剛剛開始。
2002年，研發(fā)進入攻堅階段，胡偉武迎來了一位戰(zhàn)友——已經(jīng)66歲的中科院微電子所研究員黃令儀。聽說胡偉武團隊要研制CPU，她主動帶領(lǐng)學生加入，跟著大家一起加班熬夜，“每天早上7點我到所里，黃老師已經(jīng)在了；晚上10點我準備離開，她還握著鼠標，緊盯屏幕上的設計方案，沒有半點要下班的意思。”胡偉武回憶著，眼中滿是欽佩。
一次，黃令儀和一名學生圍繞一個技術(shù)細節(jié)爭論起來。“這樣的技術(shù)細節(jié)犯不著這么較真啊！”學生說，“我不能留遺憾！”黃令儀吼道。原來，她心里始終扎著一根刺。1989年，黃令儀在國外參加一個芯片博覽會，結(jié)果尋遍所有攤位，找不到一家中國企業(yè)，“1963年我做計算機研究，當時我們的集成電路研究水平和國外是同步的，為何現(xiàn)在有如此大的差距！”黃令儀說，“龍芯”給了她希望，她一定要做好。
2004年，胡偉武（右三）、黃令儀（右一）與龍芯課題組成員，在龍芯2C芯片設計運行成功后到天安門廣場看升旗 龍芯中科供圖
雖然在胡偉武、黃令儀等人手中誕生的“龍芯1號”CPU，整體性能只相當于奔騰Ⅱ處理器的一半。但它完成了我國通用處理器從無到有的飛躍，更重要的是給了龍芯研發(fā)團隊巨大的信心。2004年，胡偉武帶領(lǐng)團隊研制的“龍芯2號”處理器性能達到奔騰Ⅲ處理器的水平。如今，最新的“龍芯”處理器性能已經(jīng)是“龍芯1號”的100多倍。
期待“龍芯”出海
龍芯芯片
“一直到現(xiàn)在，我們的CPU芯片性能距離國外頂級通用CPU，依然是有差距的。”胡偉武很清醒。這些年來，他帶領(lǐng)團隊一直在“補課”。他也深知，有的“課”可以在實驗室里補，有的“課”則必須到市場中去補，“比如試錯迭代”。
2010年4月，中國科學院和北京市共同牽頭出資入股，成立龍芯中科技術(shù)有限公司，胡偉武擔任董事長，“龍芯”從研發(fā)走向產(chǎn)業(yè)化。
2011年到2015年，“龍芯”用五年時間完成在市場中的第一輪試錯迭代。2015年銷售上萬片CPU芯片，銷售收入達到盈虧平衡。
2016年到2019年，“龍芯”用四年時間完成在市場中的第二輪試錯迭代，并在電子政務、工業(yè)控制等領(lǐng)域打開市場局面。同時，第三代處理器產(chǎn)品3A4000/3B4000成功推出，辦公信息化應用全面展開。2019年各類CPU出貨量達到幾十萬片。
今年起，第三輪迭代已經(jīng)開始，又是每年百萬片的檢驗迭代……
每一輪試錯迭代，都暴露了數(shù)以萬計的問題，解決了數(shù)以萬計的“bug”（漏洞）。實驗室研發(fā)芯片，通常以論文和評審答辯作為水平衡量標準，“我們從100片芯片中抽取10片完成答辯就行，有1%或者3%的瑕疵率，完全沒問題。但作為市場化產(chǎn)品，這就完蛋了！客戶的要求是1萬片芯片瑕疵不能超過3片。”胡偉武說。
第一輪迭代時，龍芯中科交付客戶1萬片芯片，結(jié)果因為裝機后運行質(zhì)量達不到要求而被全部退貨，價值上千萬元。胡偉武咬著牙接受了退貨！“這是必須要吸取的教訓！”此后，類似的情況再沒有出現(xiàn)。
今年，胡偉武他們最新研發(fā)的5000系列CPU，將采用12納米工藝，預計單核通用CPU的性能較前一代產(chǎn)品提高50%，達到市場主流CPU產(chǎn)品的水平。胡偉武期待，2023年起，龍芯CPU可以參與開放市場和海外市場的競爭。胡偉武還有一個“初心”——打造全球第三大“芯片+操作系統(tǒng)”生態(tài)體系。但有一個前提，必須自力更生！
不管多難，胡偉武都會堅持走下去。就像他的父親當年穿山走梁，點著油燈給孩子們上課一樣，是父親的油燈，照亮了他和同齡人的科學夢。胡偉武堅信，中國“芯”也一定能吸引更多年輕人投身科研，為中國造“芯”。