2023年11月，龍芯中科在發(fā)布會上公開了其第四代微架構(gòu)首款產(chǎn)品——龍芯3A6000處理器。經(jīng)過評測，該款處理器的總體性能已經(jīng)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(shè)計制造領(lǐng)域注入了一針強心劑，表明我國桌面CPU自主研發(fā)設(shè)計踏上了新的臺階。

圖片來源：央視新聞

從二戰(zhàn)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(shù)的發(fā)展，更離不開芯片的設(shè)計和制造。

從無到有、從弱到強，龍芯的誕生和發(fā)展見證了中國在信息技術(shù)領(lǐng)域的崛起。龍芯3A6000的突破性能和創(chuàng)新技術(shù)，極大增強了我國在國際競爭中的話語權(quán)和影響力，對我國信息安全和科技發(fā)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(fā)展的呢？值此甲辰龍年歲首，讓我們走進(jìn)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(dǎo)體元件的總稱，又叫微電路、微芯片或集成電路，其本質(zhì)是半導(dǎo)體加集成電路，通常被制造在一塊半導(dǎo)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(shè)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(lán)牙的通信芯片，內(nèi)存、U盤里的存儲芯片，內(nèi)置陀螺儀的傳感芯片等。不同類型的芯片發(fā)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(xiàn)通信功能要有基帶芯片、射頻芯片、藍(lán)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(fù)雜程度遠(yuǎn)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(wèi)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(jìn)行設(shè)計,也就是IC設(shè)計。這就像建房子前的圖紙規(guī)劃，根據(jù)功能需要來確定建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計以及遵守的法規(guī)等，設(shè)計好圖紙后再開始動工搭建。制作芯片也需要經(jīng)過類似步驟，才能確保制作過程不會出現(xiàn)差錯。

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

在IC設(shè)計完成后，芯片就可以進(jìn)行制作了。首先需要經(jīng)過熔煉、切割等過程，得到芯片所需的晶圓，再經(jīng)過“光刻”“摻雜”等步驟，得到所需的晶體管并實現(xiàn)它們之間的互連，之后再次繼續(xù)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(jìn)制程的芯片，層數(shù)越多。一個芯片可以包含幾十層構(gòu)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(shù)就越先進(jìn)。從1958年全球第一塊現(xiàn)代集成電路誕生至今，芯片已經(jīng)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(dá)到了7納米級別。一根頭發(fā)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(fā)絲還要小上6萬倍！

1958年誕生的全球第一塊現(xiàn)代集成電路
（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

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(tǒng)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(jì)90年代末，以夏培肅、金怡濂、周毓麟為代表的一批中國科學(xué)家認(rèn)為：“我國在芯片研發(fā)方面存在‘造不如買’的隱患，通用CPU是核心技術(shù)，不可受制于人”，呼吁并討論自主研發(fā)國產(chǎn)CPU。

2001年，中國科學(xué)院計算技術(shù)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(fā)之路。

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

“當(dāng)‘login：’的字樣如約而至地出現(xiàn)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(xué)院計算所北樓105房間傳出，中國人結(jié)束了只能用歐美人的CPU造計算機的歷史……”這是該項目負(fù)責(zé)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(fā)展史上具有里程碑式的意義，是我國研制自主知識產(chǎn)權(quán)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(fā)布會。

2007年7月，龍芯第一款產(chǎn)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(jìn)展的標(biāo)志。

經(jīng)過20年研發(fā)與生態(tài)建設(shè)，龍架構(gòu)（LoongArch）在2020年發(fā)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(gòu)到指令功能和 ABI 標(biāo)準(zhǔn)等，全部無需國外授權(quán)，具有較好的自主性、先進(jìn)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(fā)布了一款跨時代產(chǎn)品——龍芯3A5000處理器，首次實現(xiàn)了從指令集、微構(gòu)架到芯片設(shè)計的完全自研，是一款根紅苗正的100%純國產(chǎn)處理器。

2023年8月，龍芯3A6000處理器研制成功，它的出現(xiàn)引發(fā)了網(wǎng)友們的驚嘆和熱議。作為我國自主CPU發(fā)展的重要里程碑，其突破性能和創(chuàng)新技術(shù)為我國的信息產(chǎn)業(yè)發(fā)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(fā)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(chǎn)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(shù)體系，努力讓“中國芯”從國產(chǎn)替代走向國產(chǎn)突破。如今，國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為中國科技領(lǐng)域的一股強大力量，帶動著相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和完善，促進(jìn)著中國經(jīng)濟的轉(zhuǎn)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(xiàn)實，在手機電腦中、在工廠車間內(nèi)、在高鐵飛機里、在北斗衛(wèi)星上......越來越多的中國“芯”正在閃耀跳動，發(fā)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(wǎng)記者 溫維娜、實習(xí)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(chǎn)芯片龍芯3A6000發(fā)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(yè)家雜志公眾號：《為國做“芯”——訪龍芯中科技術(shù)股份有限公司董事長胡偉武》，作者：姚詠梅；

5、央視中國經(jīng)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(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)急技術(shù)國家工程實驗室公眾號 ：《一文看懂國產(chǎn)芯片現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢》，作者：中國網(wǎng)安；

7、“中關(guān)村科學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)教育基金會公眾號：《夏培肅：中國計算機事業(yè)的無名先驅(qū)》。