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        龙年说“龙芯” | 国产CPU“芯”纪元,且让世界听龙吟
        2024-03-05 中国电信博物馆微信公众号
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        2023年11月,龙芯中科在发布会上公开了其第四代微架构首款产品——龙芯3A6000处理器。经过评测,该款处理器的总体性能已经可以媲美目前主流的Intel 10代酷睿和AMD Zen2处理器。它的推出无疑为我国芯片设计制造领域注入了一针强心剂,表明我国桌面CPU自主研发设计踏上了新的台阶。

        图片来源:央视新闻

        从二战时的解密机器到送人上月球的飞船;从日常出行的交通工具再到我们阅读这篇文章时所用的手机或电脑,我们在日常工作生活中至少会用到几十甚至上百种芯片。而这一切,都得益于芯片技术的发展,更离不开芯片的设计和制造。

        从无到有、从弱到强,龙芯的诞生和发展见证了中国在信息技术领域的崛起。龙芯3A6000的突破性能和创新技术,极大增强了我国在国际竞争中的话语权和影响力,对我国信息安全和科技发展都具有重要意义。

        那么,芯片到底是什么?它是如何制造出来的?龙芯又是怎么发展的呢?值此甲辰龙年岁首,让我们走进芯片的微观世界,一起探寻“中国芯”的科技魅力吧!

        01 小身材、大功能的芯片

        芯片是半导体元件的总称,又叫微电路、微芯片或集成电路,其本质是半导体加集成电路,通常被制造在一块半导体晶圆上。大部分芯片一般几毫米到十几毫米不等,虽然身材小巧但功能十分强大。日常生活中我们使用的许多电子设备的核心功能,靠的就是这枚小小的芯片。

        芯片分为很多类型,比如CPU、GPU(图形处理器)的处理器芯片,5G、Wi-Fi、蓝牙的通信芯片,内存、U盘里的存储芯片,内置陀螺仪的传感芯片等。不同类型的芯片发挥着不同的功能,以手机为例,手机触屏需要有触控芯片,储存信息需要有存储芯片,实现通信功能要有基带芯片、射频芯片、蓝牙芯片,想要拍出好看的照片就需要GPU芯片......

        02 芯片为何难以制作?

        虽然芯片只有指甲盖大小,里面却可以集成100多亿个晶体管,复杂程度远超想象,其制作过程不亚于在方寸间建造一座城市。


        芯片的微观立体示意图
        (图片来源:四川卫视《了不起的分享》)

        在芯片制作之前,首先要对芯片的电路图和版图进行设计,也就是IC设计。这就像建房子前的图纸规划,根据功能需要来确定建筑结构设计以及遵守的法规等,设计好图纸后再开始动工搭建。制作芯片也需要经过类似步骤,才能确保制作过程不会出现差错。


        不同尺寸硅片的芯片分布
        (图片来源:Photography Stack Exchange)

        在IC设计完成后,芯片就可以进行制作了。首先需要经过熔炼、切割等过程,得到芯片所需的晶圆,再经过“光刻”“掺杂”等步骤,得到所需的晶体管并实现它们之间的互连,之后再次继续新一层的光刻,再通过封装、测试等步骤,芯片就制作完成了。越是先进制程的芯片,层数越多。一个芯片可以包含几十层构架,就像层层交织的高速公路。


        图片来源:央视新闻

        一般而言,芯片做得越小、包含的晶体管越多,芯片的制造技术就越先进。从1958年全球第一块现代集成电路诞生至今,芯片已经突破7纳米制程工艺,换句话说,芯片中晶体管之间的间距达到了7纳米级别。一根头发丝的直径是60微米,而1微米等于1000纳米,也就是说,芯片晶体管元器件间距离比一根头发丝还要小上6万倍!


        1958年诞生的全球第一块现代集成电路
        (图片来源于网络)

        03 龙芯的突破之路

        作为芯片的一种,电脑的核心组件CPU(Central Processing Unit,中央处理器)在电脑系统中扮演着类似人类大脑的角色。几十年来,全球电脑CPU市场几乎被英特尔和AMD瓜分。

        直到20世纪90年代末,以夏培肃、金怡濂、周毓麟为代表的一批中国科学家认为:“我国在芯片研发方面存在‘造不如买’的隐患,通用CPU是核心技术,不可受制于人”,呼吁并讨论自主研发国产CPU。

        2001年,中国科学院计算技术研究所所长李国杰组建课题组并开始了自主CPU “龙芯”的研发之路。

        仅仅一年后,我国首款自主研发的通用CPU“龙芯1号”于2002年8月10日清晨诞生了。

        “当‘login:’的字样如约而至地出现在用‘龙芯1号’作CPU的计算机屏幕上,随着一阵欢呼从中国科学院计算所北楼105房间传出,中国人结束了只能用欧美人的CPU造计算机的历史……”这是该项目负责人胡伟武在日记中写下的话。 “龙芯1号”的研制成功在我国计算机发展史上具有里程碑式的意义,是我国研制自主知识产权的高性能通用CPU的典范之作。从此,中国的计算机终于拥有了自己的“中国芯”!

        2005年4月,龙芯2号在北京人民大会堂召开发布会。

        2007年7月,龙芯第一款产品芯片龙芯2F流片成功问世。

        2009年9月, “龙芯3A”流片成功,这是我国首款四核CPU,是“中国芯”取得重要进展的标志。

        经过20年研发与生态建设,龙架构(LoongArch)在2020年发布。作为中国历史上首个100%自研的芯片指令集,其从顶层架构到指令功能和 ABI 标准等,全部无需国外授权,具有较好的自主性、先进性和兼容性,让我国彻底摆脱了对国外厂商的依赖。

        2021年,龙芯中科发布了一款跨时代产品——龙芯3A5000处理器,首次实现了从指令集、微构架到芯片设计的完全自研,是一款根红苗正的100%纯国产处理器。

        2023年8月,龙芯3A6000处理器研制成功,它的出现引发了网友们的惊叹和热议。作为我国自主CPU发展的重要里程碑,其突破性能和创新技术为我国的信息产业发展注入了新的活力。


        龙芯3A6000
        (图片来源:央视新闻)

        尽管前路艰难,龙芯仍坚持“为人民做龙芯、为国家做龙芯”,通过大量坚实奋发的实际工作,自立自强摸索出了一条前人没有走过的路。

        科技自立自强是国家强盛之基、安全之要。二十余年,以龙芯为代表之一的众多国产芯片,正在积极走向开放市场,努力建成自主掌控的信息技术体系,努力让“中国芯”从国产替代走向国产突破。如今,国产芯片产业已经成为中国科技领域的一股强大力量,带动着相关产业链的发展和完善,促进着中国经济的转型升级。

        “待到中华腾飞日,且让世界听龙吟”,《龙芯誓词》已逐渐从理想变成现实,在手机电脑中、在工厂车间内、在高铁飞机里、在北斗卫星上......越来越多的中国“芯”正在闪耀跳动,发出属于中国巨龙的声音。

        参考资料:

        1、中国青年报:《夏培肃:为中国“芯”甘为人梯》,作者:中青报·中青网记者 温维娜、实习生 何萍;

        2、 市界 :《龙芯,中国CPU追赶美国20年》;

        3、钛媒体App:《新一代国产芯片龙芯3A6000发布,胡伟武:中国有望解决芯片“卡脖子”问题|硅基世界》,作者|林志佳;

        4、企业家杂志公众号:《为国做“芯”——访龙芯中科技术股份有限公司董事长胡伟武》,作者:姚咏梅;

        5、央视中国经济大讲堂:《央视最强科普:什么是芯片?一颗芯片是怎么诞生的?》;

        6、网络安全应急技术国家工程实验室公众号 :《一文看懂国产芯片现状与发展趋势》,作者:中国网安;

        7、“中关村科学城”公众号:《“且让世界听龙吟”,这是龙芯中科的“芯故事”与“芯思考”》;

        8、 中国科学技术大学教育基金会公众号:《夏培肃:中国计算机事业的无名先驱》。

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