當(dāng)國(guó)產(chǎn)芯片再次飛上風(fēng)口，王惟林早已投身其中超過(guò)18年。

從中科院畢業(yè)后他， 一直在計(jì)算機(jī)芯片設(shè)計(jì)中拼搏，并先后組建了國(guó)產(chǎn)x86 CPU和芯片組研發(fā)團(tuán)隊(duì)，如今作為兆芯的總工程師，指導(dǎo)著500人規(guī)模的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，先后負(fù)責(zé)了多顆CPU和x86-SOC芯片的自主設(shè)計(jì)研發(fā)和量產(chǎn)。

王惟林用“很難，真的很難”來(lái)形容從無(wú)到有的研發(fā)之路。他不僅要跟時(shí)間賽跑，用盡可能少的時(shí)間去追趕國(guó)際巨頭多年的積累， 用少得多的資源去實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的突破，更需要和難以控制的外部因素較勁，比如彌漫整個(gè)行業(yè)的人才荒、成熟工程師的中途“跑路”，以及對(duì)國(guó)產(chǎn)芯片的質(zhì)疑等等。

“一點(diǎn)點(diǎn)前進(jìn)，一點(diǎn)點(diǎn)改變現(xiàn)狀”，王惟林深知，差距無(wú)法一日彌合，但在中國(guó)芯片人的努力下，整個(gè)行業(yè)已經(jīng)以可感知的速度向前進(jìn)步了。

王惟林，國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題研發(fā)負(fù)責(zé)人，國(guó)產(chǎn)x86 CPU技術(shù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，上海兆芯集成電路有限公司總工程師

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18年奮斗，從0到IC生態(tài)鏈完備

王惟林2019年的目標(biāo)很明確，“完成下一代7nm驗(yàn)證芯片的開(kāi)發(fā)，包括新工藝下的高速高功耗設(shè)計(jì)流程和最新規(guī)格的接口IP。”

盡管又是一場(chǎng)硬仗，但打過(guò)硬仗的王惟林有信心。

劍指國(guó)產(chǎn)處理器芯片的研發(fā)和量產(chǎn)，兆芯雖然成立于2013年，但它的研發(fā)團(tuán)隊(duì)卻要遠(yuǎn)早于此，王惟林是重要的組建者。“兆芯這支研發(fā)團(tuán)隊(duì)其實(shí)2001年就成立了，最早是在威盛電子做芯片組。在威盛時(shí)期，這支設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就是芯片組核心的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，完成了很多美國(guó)和臺(tái)灣同事認(rèn)為不可能做到的項(xiàng)目， 曾經(jīng)2次在半年內(nèi)完成了新型芯片組和手機(jī)芯片的研發(fā)流片任務(wù)?？梢哉f(shuō)，在進(jìn)入處理器設(shè)計(jì)之前，我們已經(jīng)是國(guó)內(nèi)最好的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之一，有培養(yǎng)好的人才、有良好的設(shè)計(jì)流程、豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，”王惟林說(shuō)，“到2010年，很多員工從芯片組研發(fā)的工作中分離出來(lái)，組建成了CPU研發(fā)團(tuán)隊(duì)。到后來(lái)兆芯成立，這支全部由本土員工組成的國(guó)內(nèi)研發(fā)團(tuán)隊(duì)也隨之被納入到兆芯的體系之下。”

所謂芯片組，是一組共同工作的集成電路“芯片”，它負(fù)責(zé)將計(jì)算機(jī)的核心——微處理器和機(jī)器的其他部分相連接，是發(fā)揮處理器性能，保證整機(jī)性能和系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的重要部件。而CPU則是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心，每一臺(tái)電腦、每一部手機(jī)都由它控制，每年，我國(guó)從國(guó)外進(jìn)口的CPU金額有550億到600億美元之多。

如今，CPU和芯片組，是兆芯的研發(fā)重點(diǎn)，有一只500人規(guī)模的軟硬件工程師團(tuán)隊(duì)。王惟林仍然記得這支團(tuán)隊(duì)在研發(fā)第一顆處理器芯片時(shí)的酸甜苦辣。

從0開(kāi)始，消化吸收再創(chuàng)新。當(dāng)年，兆芯引進(jìn)了第一顆x86高性能處理器芯片，王惟林的團(tuán)隊(duì)吸收了它的微架構(gòu)，同時(shí)復(fù)現(xiàn)了完整的流程，“初步了解了高性能處理器完整的設(shè)計(jì)流程。”

在完成了第一顆高性能處理器芯片的消化之后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始對(duì)微架構(gòu)和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，他們對(duì)內(nèi)核做了優(yōu)化，把頻率往上拉，把功耗往下降，同時(shí)把共享總線改成共享緩存來(lái)提高效率。這樣相較于第一代芯片的40nm兩核1.6GHz 60平方毫米，20瓦功耗，第二代處理器芯片在頻率和IPC(每時(shí)鐘周期指令數(shù))提高的同時(shí)，還把內(nèi)核增加了一倍，面積壓縮20平方毫米，功耗壓縮到十幾瓦。

最為重要的是，經(jīng)此一役，兆芯的處理器研發(fā)團(tuán)隊(duì)徹底掌握了高性能處理芯片研發(fā)的精髓。

但教訓(xùn)也有很多。“做完之后發(fā)現(xiàn)有些性能功耗和我們的預(yù)期的不太一樣。有些設(shè)計(jì)當(dāng)時(shí)考慮的比較簡(jiǎn)單，需要再次優(yōu)化。處理器需要在在選定工藝下，把握微架構(gòu)，主頻，功耗的平衡，我們努力補(bǔ)上性能評(píng)估、功耗評(píng)估等設(shè)計(jì)流程缺失的環(huán)節(jié)，現(xiàn)在終于把功耗和性能的誤差控制在了1%之內(nèi)。”

基于此前芯片的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，重新設(shè)計(jì)的芯片——開(kāi)先KX-5000系列處理器在2016年8月成功流片了。“開(kāi)先KX-5000系列處理器在內(nèi)核流水線、分支預(yù)測(cè)、內(nèi)存帶寬、調(diào)度算法優(yōu)化和多核節(jié)點(diǎn)互連優(yōu)化的同時(shí)，IO、Memory性能改進(jìn)了很多。整機(jī)性能達(dá)到了英特爾I3的標(biāo)準(zhǔn)，除了辦公， 很多桌面娛樂(lè)，游戲支持的也不錯(cuò)”。

兆芯國(guó)產(chǎn)通用處理器性能顯著提升，應(yīng)用體驗(yàn)不斷改善

從最初到現(xiàn)在，兆芯CPU單核性能提高了2.5倍，整機(jī)性能提高了8倍多;芯片組則一直跟國(guó)際最新芯片保持同樣的性能和設(shè)計(jì)規(guī)格。在芯片生態(tài)方面，兆芯與工藝、操作系統(tǒng)、中間件、應(yīng)用軟件、整機(jī)開(kāi)發(fā)制造等環(huán)節(jié)的合作伙伴形成了一個(gè)完備的生態(tài)鏈。

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銜枚疾進(jìn)，呼吁破局IC產(chǎn)業(yè)「人才荒」

表面上，一切順利，但研發(fā)中的波折和困難，王惟林記憶猶新。

人力上一直處于緊繃的狀態(tài)，一兩個(gè)人的去留甚至?xí)绊懙揭粋€(gè)設(shè)計(jì)特性的開(kāi)發(fā)進(jìn)度。“工程師稍微有些變化，就有可能放棄或者降低一些設(shè)計(jì)規(guī)格，”王惟林說(shuō)，“第六代產(chǎn)品開(kāi)先KX-6000的一些優(yōu)化本在開(kāi)先KX-5000的時(shí)候就準(zhǔn)備做進(jìn)去，但因?yàn)楫?dāng)時(shí)負(fù)責(zé)的工程師離職，只好收縮戰(zhàn)線。”

有處理器領(lǐng)域的權(quán)威人士曾說(shuō)95年以后的論文不用看，因?yàn)榧軜?gòu)講得都差不多了。在傳統(tǒng)的高性能處理器領(lǐng)域，這個(gè)說(shuō)法確實(shí)比較貼近事實(shí)。但是國(guó)內(nèi)，甚至很多國(guó)外的設(shè)計(jì)公司在面向高性能處理器芯片的研發(fā)中，設(shè)計(jì)技術(shù)和方法依然十分生澀。“這就好比，我們知道過(guò)河要搭橋，但不知道如何搭個(gè)好的橋， 甚至我們猜到了很多方法， 但由于時(shí)間和成本很難去試一試，”王惟林說(shuō)“方法和流程，如同材料學(xué)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，需要大量的試錯(cuò)和基礎(chǔ)預(yù)研。”

我們要確保每一顆芯片成功。Intel、AMD研制一款芯片，大概需要5年以上的時(shí)間，甚至很多技術(shù)很早就開(kāi)始預(yù)研了，而且各方面成本投入非常大，積累深厚。“我們一直處于趕路的狀態(tài)，很多現(xiàn)實(shí)壓力讓你沒(méi)有時(shí)間去看清楚、看細(xì)致，也沒(méi)辦法進(jìn)行試錯(cuò)，找出某些關(guān)鍵問(wèn)題的更優(yōu)解。”

而從2.0GHz到3.0GHz，到更高頻率，隨著處理器主頻的上升，芯片設(shè)計(jì)也出現(xiàn)新的課題。“我們只能在短時(shí)間內(nèi)盡力做好， 同時(shí)在一步一步往前趕，一點(diǎn)點(diǎn)改變這個(gè)現(xiàn)狀，一次到位很難，”王惟林說(shuō)。

與此同時(shí)，可能是出于宣傳的需要或是工程師的個(gè)人偏好，注重單點(diǎn)性能而罔顧整體性能、穩(wěn)定性、可靠性的風(fēng)氣，一度也把芯片設(shè)計(jì)帶到了歧路上。“處理器要量產(chǎn)一定要保證可靠性、穩(wěn)定性和兼容性。這個(gè)控制不住，肯定會(huì)出問(wèn)題。所以，我們?cè)谧龅漠a(chǎn)品， 最重要的是在保證用戶性能需球的同時(shí)，要確保用戶使用起來(lái)穩(wěn)定兼容，設(shè)計(jì)上要處理好這些， 比如功耗，信號(hào)的完整性，電源平面的抖動(dòng)等。”

人才荒，則是整個(gè)行業(yè)的面臨的共通困難。

王惟林每年都會(huì)去大學(xué)招聘，“以前去某中部地區(qū)著名大學(xué)招聘，每年都能招來(lái)十幾人。大概從前兩年開(kāi)始，我每年只能招來(lái)幾個(gè)”，王惟林很納悶，回過(guò)頭去問(wèn)這些專業(yè)的情況，才發(fā)現(xiàn)很多研究方向都改為軟件了。

集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)是人才、資金和技術(shù)密集型的行業(yè)，高性能處理器更是其中尖端復(fù)雜的代表，兆芯的研發(fā)人員大部分都是碩士、博士畢業(yè)，研究方向偏硬件，投入時(shí)間和經(jīng)濟(jì)回報(bào)上的不對(duì)稱，讓越來(lái)越多的優(yōu)秀人才流出。“小朋友也要養(yǎng)家糊口，”王惟林理解這些壓力。

雖然現(xiàn)實(shí)艱難，但是王惟林也注意到，政府在提供更好的支持。在北京，政府做出了IC產(chǎn)業(yè)北設(shè)計(jì)、南制造的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，北邊的中關(guān)村集成電路產(chǎn)業(yè)園，集合了海思、展訊等企業(yè)，南邊則有亦莊。“這很像美國(guó)硅谷，一個(gè)園區(qū)集聚了產(chǎn)業(yè)鏈上下游的企業(yè)，”王惟林說(shuō)。

值得關(guān)注的是，北邊的中關(guān)村集成電路產(chǎn)業(yè)園去年還落成了中關(guān)村集成電路科技館，面向公眾、在校學(xué)生、業(yè)內(nèi)人士開(kāi)放，意在提升IC產(chǎn)業(yè)的社會(huì)影響力，讓更多年輕人接觸IC、了解IC、投身IC，從根子上提升年輕人對(duì)這一生澀產(chǎn)業(yè)的認(rèn)知和興趣。

改變?cè)诎l(fā)生，王惟林也期待和呼吁政府等部門，在人才培養(yǎng)、人才引進(jìn)、戶口、住房等問(wèn)題上，讓IC企業(yè)得到持續(xù)的支持，多方位破局困擾行業(yè)發(fā)展的「人才荒」難題。

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國(guó)產(chǎn)芯片關(guān)鍵是要能響應(yīng)國(guó)家的使命召喚

一個(gè)“奇怪”的現(xiàn)象是，國(guó)產(chǎn)芯片喊了很多年，也時(shí)有成果發(fā)布，但是普通人的手機(jī)和電腦上，仍然是進(jìn)口芯片一統(tǒng)江湖。國(guó)產(chǎn)芯片去哪兒了?

也正是這樣的情況，形成了大眾對(duì)國(guó)產(chǎn)芯片的直觀印象：砸了很多錢，但不爭(zhēng)氣。

“可以理解。愛(ài)之彌深、恨之彌深，大概是這樣一種態(tài)度。”對(duì)于公眾對(duì)國(guó)產(chǎn)芯片的質(zhì)疑，王惟林認(rèn)為有幾個(gè)原因：一是整個(gè)國(guó)產(chǎn)芯片行業(yè)的發(fā)展水平與國(guó)際相比，確實(shí)還比較初級(jí);二是在產(chǎn)業(yè)的初期，很多芯片為了獲取經(jīng)費(fèi)拼命宣傳，只強(qiáng)調(diào)一些不實(shí)用的單點(diǎn)指標(biāo)，整體的處理性能還非常差，同時(shí)不注重穩(wěn)定性和可靠性，宣傳效果和實(shí)際可用性落差大。

但在經(jīng)過(guò)近20年發(fā)展之后，國(guó)產(chǎn)芯片設(shè)計(jì)水平在摸爬滾打中取得的顯著進(jìn)步也應(yīng)該被看到。國(guó)產(chǎn)高性能處理器在很多領(lǐng)域是可以勝任需求的。在民政系統(tǒng)的婚姻登記系統(tǒng)、在上海銀行的柜面業(yè)務(wù)中，兆芯CPU驅(qū)動(dòng)的整機(jī)都已投入使用。

兆芯平臺(tái)整機(jī)已經(jīng)獲得廣泛的行業(yè)應(yīng)用和認(rèn)可

“兆芯ZX-C CPU完全可以支持WPS\OFFICE這些辦公軟件，支持打印機(jī)、掃描機(jī)這樣的掃描裝置，兆芯最新的處理器性能也足以支持當(dāng)下的熱門游戲，比如讓吃雞，使命召喚流暢地跑起來(lái)，這些應(yīng)用都沒(méi)問(wèn)題”王惟林介紹。

現(xiàn)在，擺在國(guó)產(chǎn)處理器面前的還有一個(gè)重要的“路線爭(zhēng)論”：我們知道，處理器只是硬件，需要配合整機(jī)、操作系統(tǒng)、中間件，應(yīng)用軟件一起才能發(fā)揮作用，這也反映出了生態(tài)的重要性。那么到底是從頭開(kāi)始原創(chuàng)自建生態(tài)?還是融入已有生態(tài)，基于此開(kāi)發(fā)自己的產(chǎn)品?兆芯走的是第二條路線。“我們的長(zhǎng)期目標(biāo)是要建設(shè)自己的生態(tài)，那么短期呢?芯片關(guān)系著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)高性能處理器仍然是行業(yè)的追趕者，想要更加快速的趕上來(lái)，站在巨人的肩膀上是一種投入產(chǎn)出比更高的途徑。另外，在國(guó)際主流生態(tài)幾乎占據(jù)壟斷地位的現(xiàn)實(shí)下，一旦再度發(fā)生影響產(chǎn)業(yè)安全的情況，從頭做起的薄弱生態(tài)如何能彌補(bǔ)產(chǎn)業(yè)的空白，這對(duì)產(chǎn)業(yè)安全是格外嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在擁有更大市場(chǎng)，更多話語(yǔ)權(quán)之后，我們的長(zhǎng)期目標(biāo)——建立自己的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，這個(gè)工作就會(huì)容易一些了。”

而隨著摩爾定律遇到瓶頸，新成果迭出，王惟林也在關(guān)注量子芯片、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片等新興技術(shù)。

“我們現(xiàn)在還是典型的馮·諾依曼架構(gòu)，存儲(chǔ)和計(jì)算分離。一個(gè)指令出來(lái)，去memory抓取，memory沒(méi)有就去硬盤里找，非常漫長(zhǎng)。但人的大腦不是這樣，每一個(gè)神經(jīng)元都是存儲(chǔ)和計(jì)算在一起。”王惟林和他的團(tuán)隊(duì)兩年前就在探討國(guó)際最前沿的科研趨勢(shì)，“未來(lái)，可能會(huì)走到這一步，但現(xiàn)在，我們要認(rèn)認(rèn)真真做好每一個(gè)細(xì)節(jié)”。