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      龍年說“龍芯” | 國產CPU“芯”紀元,且讓世界聽龍吟
      2024-03-05 中國電信博物館微信公眾號
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      2023年11月,龍芯中科在發布會上公開了其第四代微架構首款產品——龍芯3A6000處理器。經過評測,該款處理器的總體性能已經可以媲美目前主流的Intel 10代酷睿和AMD Zen2處理器。它的推出無疑為我國芯片設計制造領域注入了一針強心劑,表明我國桌面CPU自主研發設計踏上了新的臺階。

      圖片來源:央視新聞

      從二戰時的解密機器到送人上月球的飛船;從日常出行的交通工具再到我們閱讀這篇文章時所用的手機或電腦,我們在日常工作生活中至少會用到幾十甚至上百種芯片。而這一切,都得益于芯片技術的發展,更離不開芯片的設計和制造。

      從無到有、從弱到強,龍芯的誕生和發展見證了中國在信息技術領域的崛起。龍芯3A6000的突破性能和創新技術,極大增強了我國在國際競爭中的話語權和影響力,對我國信息安全和科技發展都具有重要意義。

      那么,芯片到底是什么?它是如何制造出來的?龍芯又是怎么發展的呢?值此甲辰龍年歲首,讓我們走進芯片的微觀世界,一起探尋“中國芯”的科技魅力吧!

      01 小身材、大功能的芯片

      芯片是半導體元件的總稱,又叫微電路、微芯片或集成電路,其本質是半導體加集成電路,通常被制造在一塊半導體晶圓上。大部分芯片一般幾毫米到十幾毫米不等,雖然身材小巧但功能十分強大。日常生活中我們使用的許多電子設備的核心功能,靠的就是這枚小小的芯片。

      芯片分為很多類型,比如CPU、GPU(圖形處理器)的處理器芯片,5G、Wi-Fi、藍牙的通信芯片,內存、U盤里的存儲芯片,內置陀螺儀的傳感芯片等。不同類型的芯片發揮著不同的功能,以手機為例,手機觸屏需要有觸控芯片,儲存信息需要有存儲芯片,實現通信功能要有基帶芯片、射頻芯片、藍牙芯片,想要拍出好看的照片就需要GPU芯片......

      02 芯片為何難以制作?

      雖然芯片只有指甲蓋大小,里面卻可以集成100多億個晶體管,復雜程度遠超想象,其制作過程不亞于在方寸間建造一座城市。


      芯片的微觀立體示意圖
      (圖片來源:四川衛視《了不起的分享》)

      在芯片制作之前,首先要對芯片的電路圖和版圖進行設計,也就是IC設計。這就像建房子前的圖紙規劃,根據功能需要來確定建筑結構設計以及遵守的法規等,設計好圖紙后再開始動工搭建。制作芯片也需要經過類似步驟,才能確保制作過程不會出現差錯。


      不同尺寸硅片的芯片分布
      (圖片來源:Photography Stack Exchange)

      在IC設計完成后,芯片就可以進行制作了。首先需要經過熔煉、切割等過程,得到芯片所需的晶圓,再經過“光刻”“摻雜”等步驟,得到所需的晶體管并實現它們之間的互連,之后再次繼續新一層的光刻,再通過封裝、測試等步驟,芯片就制作完成了。越是先進制程的芯片,層數越多。一個芯片可以包含幾十層構架,就像層層交織的高速公路。


      圖片來源:央視新聞

      一般而言,芯片做得越小、包含的晶體管越多,芯片的制造技術就越先進。從1958年全球第一塊現代集成電路誕生至今,芯片已經突破7納米制程工藝,換句話說,芯片中晶體管之間的間距達到了7納米級別。一根頭發絲的直徑是60微米,而1微米等于1000納米,也就是說,芯片晶體管元器件間距離比一根頭發絲還要小上6萬倍!


      1958年誕生的全球第一塊現代集成電路
      (圖片來源于網絡)

      03 龍芯的突破之路

      作為芯片的一種,電腦的核心組件CPU(Central Processing Unit,中央處理器)在電腦系統中扮演著類似人類大腦的角色。幾十年來,全球電腦CPU市場幾乎被英特爾和AMD瓜分。

      直到20世紀90年代末,以夏培肅、金怡濂、周毓麟為代表的一批中國科學家認為:“我國在芯片研發方面存在‘造不如買’的隱患,通用CPU是核心技術,不可受制于人”,呼吁并討論自主研發國產CPU。

      2001年,中國科學院計算技術研究所所長李國杰組建課題組并開始了自主CPU “龍芯”的研發之路。

      僅僅一年后,我國首款自主研發的通用CPU“龍芯1號”于2002年8月10日清晨誕生了。

      “當‘login:’的字樣如約而至地出現在用‘龍芯1號’作CPU的計算機屏幕上,隨著一陣歡呼從中國科學院計算所北樓105房間傳出,中國人結束了只能用歐美人的CPU造計算機的歷史……”這是該項目負責人胡偉武在日記中寫下的話。 “龍芯1號”的研制成功在我國計算機發展史上具有里程碑式的意義,是我國研制自主知識產權的高性能通用CPU的典范之作。從此,中國的計算機終于擁有了自己的“中國芯”!

      2005年4月,龍芯2號在北京人民大會堂召開發布會。

      2007年7月,龍芯第一款產品芯片龍芯2F流片成功問世。

      2009年9月, “龍芯3A”流片成功,這是我國首款四核CPU,是“中國芯”取得重要進展的標志。

      經過20年研發與生態建設,龍架構(LoongArch)在2020年發布。作為中國歷史上首個100%自研的芯片指令集,其從頂層架構到指令功能和 ABI 標準等,全部無需國外授權,具有較好的自主性、先進性和兼容性,讓我國徹底擺脫了對國外廠商的依賴。

      2021年,龍芯中科發布了一款跨時代產品——龍芯3A5000處理器,首次實現了從指令集、微構架到芯片設計的完全自研,是一款根紅苗正的100%純國產處理器。

      2023年8月,龍芯3A6000處理器研制成功,它的出現引發了網友們的驚嘆和熱議。作為我國自主CPU發展的重要里程碑,其突破性能和創新技術為我國的信息產業發展注入了新的活力。


      龍芯3A6000
      (圖片來源:央視新聞)

      盡管前路艱難,龍芯仍堅持“為人民做龍芯、為國家做龍芯”,通過大量堅實奮發的實際工作,自立自強摸索出了一條前人沒有走過的路。

      科技自立自強是國家強盛之基、安全之要。二十余年,以龍芯為代表之一的眾多國產芯片,正在積極走向開放市場,努力建成自主掌控的信息技術體系,努力讓“中國芯”從國產替代走向國產突破。如今,國產芯片產業已經成為中國科技領域的一股強大力量,帶動著相關產業鏈的發展和完善,促進著中國經濟的轉型升級。

      “待到中華騰飛日,且讓世界聽龍吟”,《龍芯誓詞》已逐漸從理想變成現實,在手機電腦中、在工廠車間內、在高鐵飛機里、在北斗衛星上......越來越多的中國“芯”正在閃耀跳動,發出屬于中國巨龍的聲音。

      參考資料:

      1、中國青年報:《夏培肅:為中國“芯”甘為人梯》,作者:中青報·中青網記者 溫維娜、實習生 何萍;

      2、 市界 :《龍芯,中國CPU追趕美國20年》;

      3、鈦媒體App:《新一代國產芯片龍芯3A6000發布,胡偉武:中國有望解決芯片“卡脖子”問題|硅基世界》,作者|林志佳;

      4、企業家雜志公眾號:《為國做“芯”——訪龍芯中科技術股份有限公司董事長胡偉武》,作者:姚詠梅;

      5、央視中國經濟大講堂:《央視最強科普:什么是芯片?一顆芯片是怎么誕生的?》;

      6、網絡安全應急技術國家工程實驗室公眾號 :《一文看懂國產芯片現狀與發展趨勢》,作者:中國網安;

      7、“中關村科學城”公眾號:《“且讓世界聽龍吟”,這是龍芯中科的“芯故事”與“芯思考”》;

      8、 中國科學技術大學教育基金會公眾號:《夏培肅:中國計算機事業的無名先驅》。

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