管中窺豹,國產最強CPU發展圖譜下的中國芯往事

芯故事 發佈 2020-01-12T02:49:22+00:00

挖掘國產CPU隱藏的故事但是在飛騰的公司官網上,在FT1500之前的處理器竟然從來沒有出現過,對於一個CPU企業來說,缺失了一半的產品介紹,很不正常。

偶然見到了一張飛騰的CPU演進圖譜,上面大約記錄了飛騰歷史上的所有產品,包括了飛騰技術團隊從1999年開始至2014年飛騰成立公司之前,在國防科大期間的研究成果。


挖掘國產CPU隱藏的故事

但是在飛騰的公司官網上,在FT1500之前的處理器竟然從來沒有出現過,對於一個CPU企業來說,缺失了一半的產品介紹,很不正常。


在收集資料的過程中,我深深體會到了我國半導體行業面對國外技術封鎖之無奈,我國晶片技術研究之艱難,以及至今仍然存在的發展窘境,令人沉默,令人心酸。然而飛騰在艱難的條件下取得的成就又是那樣巨大耀眼,令人自豪,令人驕傲。

一步一個腳印的國產CPU

國防科大先後嘗試了X86、Epic(VLIW,惠普把IA-64命名為Epic)、SPARC、ARM四個指令集,並以Sparc開原始碼為基礎設計了FT-1000和FT-1500兩款CPU,之後,飛騰選擇了ARM陣營。


為了繞開外國的技術封鎖,獲取有限的技術資源,只得如游魚一般頻繁改變前進路線,從仿製產品,到使用開源設計,之後再依賴技術授權,一步一個腳印,每一步都開啟新的征程。

在1999年至2005年間,飛騰團隊研發了至少4款(查得資料中有更多)產品,或許不能稱之為產品,因為這4款CPU中至少有兩款是仿製的Intel的產品,沒有Intel的授權也就不能公開出售,但如果用於武裝裝備或其它保密設備Intel也無法追究。

在當時「仿製」其實大多是「反向工程」,就是把CPU拆開炭化剝離後,再在顯微鏡下一層一層地掃描電路重新繪製,對於數字電路的逆向遠比模擬電路艱難,國內能完成CPU仿製的團隊並不多見。

當時少有通過正向設計進行仿製的團隊,通過反向工程進行學習和借鑑也是常見的手段。還有一些團隊選擇從頭自行開發,從設計到生產走完所有流程。

為了保障關鍵設備安全可控,在我國半導體工業和技術十分薄弱的年代,各個技術團隊缺少理論研究,沒有經驗積累,大多只能通過仿製來獲取某些關鍵元器件,真是說不盡的辛酸,道不盡的無奈。

通過反向做到對標國外一流CPU

年代久遠,飛騰前面幾款CPU難以找到相關資料,只對飛騰團隊最後仿製的FT64找到了一些隻言片語的描述。它的原型應該是Intel的IA-64構架的Itanium 2。

當時的CPU製程都比較低,Itanium 2的製程只有0.18µm,換算成現在流行的nm就是180nm,放大1000倍就是0.18mm,在顯微鏡下能夠清晰可見。


因此短短几年就完成了至少4款互相沒有技術路線關聯的CPU,平均每款CPU開發周期最多只用了一年半。

2005年FT64的浮點計算性能就達到了16 GFLOPS,而同期走正向設計的龍芯在2006才發布的2E型CPU浮點性能僅堪堪達到3.99 GFLOPS,不到FT64的1/4,無法滿足信息化建設的需要,說明在當時仿製國外產品才是快速實現CPU國產化的捷徑,飛騰為各種裝備的國產化作出了巨大貢獻。

大膽丟包袱,轉向SPARC

由於CPU製程越來越高,內部設計也越來越複雜,仿製產品也就變得越來越艱難。飛騰團隊迅速轉變思路,找到了對CPU更新換代的其它方法。

在2006和2007年,SUN 開源了 Sparc V9 架構的高性能伺服器CPU——UltraSPARC T1 和 T2,飛騰抓住了機會,以開源的CPU設計為基礎,僅用了短短三年時間,在2009年底發布了對標UltraSPARC T2的FT-1000。

儘管是使用開源設計,但並不影響飛騰的壯志雄心,飛騰團隊又花了3年時間,成功地把原本的8核設計改成了16核,在2012年底發布了FT-1500。

這也從側面反映了當時國內CPU技術方面的羸弱,從現成的源碼到產品也花了3年,從8核改成16核又花了3年。

儘管過程很艱難,但收穫很豐盛,2012年發布的FT-1500在1.8GHz的頻率下,16核峰值性能達到了驚人的115~144 GFLOPS。

2010年,在對國防科大建造的「天河一號」超算進行二期擴充升級時,加入了2048顆FT-1000作為一部分機組的服務節點,儘管與數萬顆Intel和AMD晶片相比並不起眼,但卻是飛騰CPU在國產超算中首次使用。


媒體宣傳中大量出現的類似「天河一號CPU採用的是國產飛騰,二期系統的峰值性能和持續性能分別提高了2.89倍和3.45倍。」這樣的文字,極大地滿足了人們對國產CPU的期待,提振了國民對科技領域的信心。

後來,國防科大在天河二號一期建造中則使用了4096個FT-1500晶片用於處理網絡數據,使用了32000顆「Xeon處理器和48000顆「XeonPhi」協處理器來作為計算節點,媒體盛傳「使用了飛騰CPU的天河二號成為2013年全球最快超級計算機」,記錄了飛騰在國內超算領域得到的應用和實踐。

擁抱ARM v8,打造國產ARM最強芯

可惜的是,在SUN被Oracle收購之後,就再也沒有開源SPARC架構新的CPU設計,但是真正的勇士總是不懼否定自己過往的成績,永遠不會在布滿荊棘的道路上踽踽獨行。


2011年末ARM公司宣布了ARMv8架構誕生,在2012年中開始對外授權。飛騰團隊毫不猶豫地選擇了追隨ARM的技術路線,儘管授權費用高昂但得大於失,各種技術資源的完備性是以前無法比擬的。

即使從ARM開放架構授權的時間計算,也僅僅兩年就完成了從零開始設計ARMv8架構新一代CPU的任務,2014年10月就推出了型號為FT-1500A的4核和16核版兩款CPU,遠遠高於之前使用SPARC開源設計時兩款CPU花了6年的效率,除了得益於ARM有效的技術支持,這也說明技術團隊的水平有了極大的提高。

飛騰的第一款ARM架構的CPU就達到了與ARM Cortex A57公版核心相近的同頻性能,成為了無可爭議的國產芯性能第一。飛騰團隊的實力與十多年來飛騰團隊博採眾家獲得的技術積累不無關係,這一支技術團隊終於在國外技術封鎖的環境中走出了新的發展路徑。

結語

我國的半導體技術發展之路,長期以來就處在嘲諷和質疑的聲音中,放棄憤怒,勇猛前進,逐步形成替代國外的產品的競爭力。

飛騰是國內CPU企業的典型,面對外國的技術封鎖,從20年前開始通過仿製國外產口來積累寶貴的技術和經驗,在崇山峻岭間撿拾國外遺落的設計資料,在夾縫中不停轉進,最後再以市場為導向獲得了國外企業的技術授權,終於能夠在市場中占據一席之地,從小處著手開始參與市場競爭。

正如那張飛騰CPU的演進圖譜中寫的那樣:不忘初心,牢記使命。


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