“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(jì)算機(jī)誕生。人們驚訝于它的“塊頭”，也被它的速度震驚——這個(gè)占地170平方米，重約30噸，使用17000多支電子管，運(yùn)行一小時(shí)耗電150度的“大塊頭”，每秒可以進(jìn)行5000次加法運(yùn)算，是人工計(jì)算的千倍以上。

當(dāng)時(shí)的人們可能想象不到，70多年間，這個(gè)叫作“計(jì)算機(jī)”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(gè)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(jì)算機(jī)正常啟動工作。中國人只能依靠進(jìn)口CPU制造計(jì)算機(jī)的歷史，在這一刻終結(jié)。

胡偉武

胡偉武，被譽(yù)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(yīng)用于我國電子政務(wù)、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(xiàn)中關(guān)村獎。

“中國芯”的奮斗還在繼續(xù)，在這位中國科學(xué)院計(jì)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(dāng)科學(xué)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(dāng)時(shí)，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(yīng)一新的鄉(xiāng)村教師迎來自己的第二個(gè)兒子。二兒子隨母姓胡，起名偉武。

上世紀(jì)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(shí)上學(xué)，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(shí)候，不是為了吃飯，而是又到了聽廣播的時(shí)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(shí)候，胡偉武就把電影中、畫報(bào)上那些身穿白衣、手拿圖紙的科學(xué)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(dāng)科學(xué)家，當(dāng)工程師。”

身為教師的父親總跟兒子說：“學(xué)好數(shù)理化，走遍天下都不怕”。胡偉武沒讓父親失望。雖然因?yàn)楦赣H調(diào)動工作，他總是轉(zhuǎn)學(xué)，但每到一所學(xué)校，他都能成為“第一名殺手”——因?yàn)樗牡絹?，原來的第一名很快就變成了第二名?/span>

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(bào)志愿時(shí)，胡偉武想報(bào)數(shù)學(xué)或物理專業(yè)。已經(jīng)負(fù)責(zé)招生工作的父親變得現(xiàn)實(shí)了，他覺得學(xué)數(shù)學(xué)和物理畢業(yè)后不好找工作。在杭州上大學(xué)的哥哥建議：“現(xiàn)在計(jì)算機(jī)專業(yè)挺熱的。”胡偉武一想，計(jì)算機(jī)跟數(shù)學(xué)和物理都有關(guān)系，而且畢業(yè)后也可以當(dāng)科學(xué)家、工程師。就這么定了！

最終，胡偉武被中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)錄取，雖然當(dāng)時(shí)，他還不知道計(jì)算機(jī)長什么樣。

從金華到上海，再到合肥，轉(zhuǎn)車換乘時(shí)，扛著行李，趕路雖然辛苦，但胡偉武很興奮，因?yàn)檫@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(xué)后，第一次上機(jī)。進(jìn)計(jì)算機(jī)房前，老師遞給胡偉武和同學(xué)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(bào)上的科學(xué)家一模一樣。進(jìn)了機(jī)房，老師叮囑大家一切要聽指令，嚴(yán)禁亂摸。胡偉武好奇地看著計(jì)算機(jī)，“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(xué)五年，胡偉武刻苦學(xué)習(xí)，分秒必爭。他沒去過巢湖，沒去過黃山，偶爾周末和同學(xué)去看場電影，回來后，他又為白白失去兩個(gè)小時(shí)后悔不已。他所有的興趣，都在計(jì)算機(jī)上。一個(gè)月生活費(fèi)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(dāng)時(shí)同學(xué)們在計(jì)算機(jī)上玩一款類似于“黃金礦工”的小游戲，每積累5000個(gè)積分就會獎勵(lì)“一條命”。胡偉武破解了程序，500分就能獲得一次獎勵(lì)，這樣就可以一直玩下去，永遠(yuǎn)不會“GAME OVER”。

做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，胡偉武和另外一位同學(xué)用幾百個(gè)芯片搭起一套電路系統(tǒng)，能運(yùn)行8086指令系統(tǒng)中除了十進(jìn)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(gè)CPU。“當(dāng)時(shí)我就想?yún)⒓右慌_實(shí)用計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。哪怕是參與一個(gè)小部件的設(shè)計(jì)也行。”胡偉武說，他覺得只要參與了設(shè)計(jì)，距離科學(xué)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(jì)算所直接攻讀博士學(xué)位，師從我國計(jì)算機(jī)事業(yè)的奠基人、中科院院士夏培肅。讀博五年，導(dǎo)師淡泊名利、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的學(xué)風(fēng)，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(jì)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(dǎo)師打了回來，每一章都密密麻麻標(biāo)注了修改意見。他不敢大意，認(rèn)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(shí)，他的女兒佳佳已經(jīng)出生好幾個(gè)月了。

答辯當(dāng)天，參加評審的都是國內(nèi)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的頂級專家：有后來獲得國家最高科學(xué)技術(shù)獎的金怡濂院士，有后來擔(dān)任北京航空航天大學(xué)校長的李未院士，有后來擔(dān)任中科院計(jì)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(dāng)年的全國百篇優(yōu)秀博士論文。

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲設(shè)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(shí)調(diào)用。因此，內(nèi)存空間大小直接影響到CPU運(yùn)算的效率。胡偉武的論文揭示了多個(gè)CPU共享內(nèi)存時(shí)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(shí)現(xiàn)把多臺計(jì)算機(jī)的內(nèi)存空間組織成更大的共享空間，各計(jì)算機(jī)CPU可以互相訪問對方機(jī)器內(nèi)存的數(shù)據(jù)，大大提升了計(jì)算機(jī)內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)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(gè)國家和地區(qū)的100多個(gè)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(xué)的種子。

佳佳小時(shí)候沒人照看，胡偉武經(jīng)常帶她到實(shí)驗(yàn)室，甚至帶她出差。佳佳有時(shí)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(shè)計(jì)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(diǎn)顏色，寫上一些字，最后一燒，燒出一個(gè)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(xué)位，也走上了科研之路。

“龍芯”出世

2002年8月10日凌晨6時(shí)08分，中科院計(jì)算所北樓105房間。一臺計(jì)算機(jī)屏幕上如約出現(xiàn)“login：”字樣。頓時(shí)，歡聲雷動。

安裝了“龍芯1號”CPU的計(jì)算機(jī)正常啟動工作。“龍芯”出世，中國人只能依靠進(jìn)口CPU制造計(jì)算機(jī)的歷史，在此刻終結(jié)。作為項(xiàng)目首席科學(xué)家，胡偉武流下熱淚。

將時(shí)針撥回到上世紀(jì)90年代末，小巧、便捷的通用計(jì)算機(jī)（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(dāng)時(shí)國內(nèi)已經(jīng)誕生一批通用計(jì)算機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，但最關(guān)鍵的CPU芯片，全部依賴進(jìn)口。沒有誰愿意在芯片這個(gè)難題上下功夫，“既然國外產(chǎn)品更先進(jìn)，為什么不用它們的”，這樣的觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)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(xué)家認(rèn)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(yīng)該全部留給國外。1999年起，時(shí)任中科院計(jì)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(jī)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(jìn)上學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)年他做的那個(gè)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(shí)光，依次浮現(xiàn)在眼前，探索未知的誘惑撲面而來。

走出實(shí)驗(yàn)室，胡偉武就撥通了正在籌備CPU設(shè)計(jì)項(xiàng)目的中科院計(jì)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(yùn)行）起來，我提頭來見”。

2001年初，李國杰院士從計(jì)算所科研經(jīng)費(fèi)里擠出100萬元，啟動通用CPU研發(fā)。任務(wù)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(xué)生們從頭開始，一步步補(bǔ)課，最多時(shí)幾天沒有合過眼。

2001年8月19日，胡偉武帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(jìn)入攻堅(jiān)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(tuán)隊(duì)要研制CPU，她主動帶領(lǐng)學(xué)生加入，跟著大家一起加班熬夜，“每天早上7點(diǎn)我到所里，黃老師已經(jīng)在了；晚上10點(diǎn)我準(zhǔn)備離開，她還握著鼠標(biāo)，緊盯屏幕上的設(shè)計(jì)方案，沒有半點(diǎn)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(xué)生圍繞一個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)爭論起來。“這樣的技術(shù)細(xì)節(jié)犯不著這么較真?。?rdquo;學(xué)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(gè)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(jì)算機(jī)研究，當(dāng)時(shí)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(shè)計(jì)運(yùn)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(dāng)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(tuán)隊(duì)巨大的信心。2004年，胡偉武帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制的“龍芯2號”處理器性能達(dá)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(tuán)隊(duì)一直在“補(bǔ)課”。他也深知，有的“課”可以在實(shí)驗(yàn)室里補(bǔ)，有的“課”則必須到市場中去補(bǔ)，“比如試錯(cuò)迭代”。

2010年4月，中國科學(xué)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(dān)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(shí)間完成在市場中的第一輪試錯(cuò)迭代。2015年銷售上萬片CPU芯片，銷售收入達(dá)到盈虧平衡。

2016年到2019年，“龍芯”用四年時(shí)間完成在市場中的第二輪試錯(cuò)迭代，并在電子政務(wù)、工業(yè)控制等領(lǐng)域打開市場局面。同時(shí)，第三代處理器產(chǎn)品3A4000/3B4000成功推出，辦公信息化應(yīng)用全面展開。2019年各類CPU出貨量達(dá)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(yàn)迭代……

每一輪試錯(cuò)迭代，都暴露了數(shù)以萬計(jì)的問題，解決了數(shù)以萬計(jì)的“bug”（漏洞）。實(shí)驗(yàn)室研發(fā)芯片，通常以論文和評審答辯作為水平衡量標(biāo)準(zhǔn)，“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(shí)，龍芯中科交付客戶1萬片芯片，結(jié)果因?yàn)檠b機(jī)后運(yùn)行質(zhì)量達(dá)不到要求而被全部退貨，價(jià)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(xùn)！”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(yù)計(jì)單核通用CPU的性能較前一代產(chǎn)品提高50%，達(dá)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(gè)“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(gè)前提，必須自力更生！

不管多難，胡偉武都會堅(jiān)持走下去。就像他的父親當(dāng)年穿山走梁，點(diǎn)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(xué)夢。胡偉武堅(jiān)信，中國“芯”也一定能吸引更多年輕人投身科研，為中國造“芯”。

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