龍芯將兩款CPU核開源 助計算機教育從“用”向“造”突破

　　應(yīng)用開發(fā)人才充足，底層研發(fā)人才匱乏

　　龍芯首席科學(xué)家胡偉武指出，我國計算機領(lǐng)域的教育更多的還是教學(xué)生如何“用”計算機而不是“造”計算機，而且絕大多數(shù)高校只能培養(yǎng)應(yīng)用程序員，而且是對計算機系統(tǒng)底層知之甚少的應(yīng)用程序員。這直接導(dǎo)致國內(nèi)IT人才結(jié)構(gòu)失衡，應(yīng)用開發(fā)型人才充足，但底層基礎(chǔ)系統(tǒng)研發(fā)人才卻極度匱乏，使中國龐大的IT產(chǎn)業(yè)建立在國外軟硬件系統(tǒng)平臺之上——在硬件上，完全依賴國外的X86和ARM，在軟件上，也存在大而不強的現(xiàn)實狀況。

　　軟件產(chǎn)業(yè)強大與否，并不是取決于該國程序員數(shù)量，更不取決于軟件產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造的GDP，而在于產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)，以及是否擁有核心技術(shù)。一流企業(yè)做標(biāo)準(zhǔn)，二流企業(yè)做品牌，三流企業(yè)做產(chǎn)品，掌握了標(biāo)準(zhǔn)的制定權(quán)就能獲取高額利潤并立于不敗之地。而國內(nèi)軟件業(yè)從教學(xué)到產(chǎn)業(yè)，基本上跟著西方的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)走，沒有自己的一套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。像程序員常用的編程語言、編譯器、軟件開發(fā)工具，基本上用的都是國外產(chǎn)品。

　　軟件產(chǎn)業(yè)大而不強的另一個表現(xiàn)就是產(chǎn)品缺乏核心技術(shù)。以我們每天都用的手機和瀏覽器來說，國內(nèi)各家公司推出了不少瀏覽器，但基本上是國外瀏覽器的“馬甲”，所謂的國產(chǎn)瀏覽器都沒有國人自己編寫的瀏覽器內(nèi)核。手機操作系統(tǒng)也是如此，雖然很多國產(chǎn)手機都有諸如Emtion、nubia之類的系統(tǒng)，但撥開現(xiàn)象看本質(zhì)，這些還都是安卓操作系統(tǒng)的馬甲，只能算是一個UI(系統(tǒng)界面)。而BAT等互聯(lián)網(wǎng)巨頭推出的操作系統(tǒng)，其本質(zhì)也是基于安卓的二次開發(fā)，編寫的代碼僅限于重寫了虛擬機。

　　類似的例子還有很多，某家以殺毒軟件起家的互聯(lián)網(wǎng)公司，其殺毒軟件的用的是羅馬尼亞的BitDefender引擎。不少廠商隔三差五就會出現(xiàn)于媒體聚光燈下的云解決方案，其實上也是國外開源軟件(Openstack/Xen)的馬甲，有些廠商雖然也貢獻(xiàn)了少量代碼，但含金量遠(yuǎn)不及宣傳中那么足。國內(nèi)有幾十萬JAVA程序員，卻鮮有具備JAVA核心技術(shù)——JAVA虛擬機的研發(fā)能力。國內(nèi)從事瀏覽器應(yīng)用的團隊數(shù)以千計，卻少有掌握瀏覽器底層JS引擎研發(fā)技術(shù)，寫QT的也很多，但QT庫卻沒多少人干……國內(nèi)IT企業(yè)極少參加系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定，國內(nèi)軟件人才向國際開源社區(qū)貢獻(xiàn)的代碼也相對偏少。

　　因此，雖然中國軟件產(chǎn)業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)創(chuàng)造了海量的GDP，演繹了一批造富神話，吸納了大批就業(yè)崗位，但依附于西方技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、沒有自己編譯器和軟件開發(fā)工具、應(yīng)用軟件強而基礎(chǔ)軟件弱已成為中國軟件產(chǎn)業(yè)的內(nèi)傷。

　　底層研發(fā)人才匱乏的另一個表現(xiàn)就是圍繞國產(chǎn)硬件平臺的應(yīng)用開發(fā)能力和適配軟件優(yōu)化能力嚴(yán)重不足，國內(nèi)非常多做手機APP、網(wǎng)游、頁游的程序員，你讓他們在國外技術(shù)框架下寫能在X86、ARM芯片上跑的APP、網(wǎng)游、頁游程序，他們沒問題。但你讓他們脫離國外技術(shù)框架去給走自主路線的龍芯、申威開發(fā)軟件，就未必能做出來了，至于針對龍芯、申威平臺進(jìn)行軟硬件磨合優(yōu)化則根本無所適從，缺乏對國產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)平臺的適配調(diào)優(yōu)能力。由于不掌握從硬件角度進(jìn)行軟件開發(fā)與調(diào)優(yōu)的能力，一旦遭遇基礎(chǔ)軟件系統(tǒng)不完善，就不知該如何解決。在上層應(yīng)用系統(tǒng)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的磨合適配方面也存在一定問題——應(yīng)用開發(fā)對X86架構(gòu)形成依賴和慣性，而應(yīng)用設(shè)計的不足被X86平臺強大的性能掩蓋。

　　推行計算機教育改革試點

　　若要系統(tǒng)能力的培養(yǎng)則需要從硬件開源做起，讓學(xué)生有更多機會了解并設(shè)計自己的處理器，使學(xué)生掌握如何“造”計算機而不是如何“用”計算機，使學(xué)生對計算機系統(tǒng)融會貫通——當(dāng)鼠標(biāo)點一下屏幕打開一個網(wǎng)頁的過程中，搞清楚有關(guān)瀏覽器、圖形系統(tǒng)、操作系統(tǒng)內(nèi)核等是如何協(xié)同工作的，在完成這些工作過程中指令和數(shù)據(jù)是如何在硬件系統(tǒng)的CPU、GPU、南北橋中流動的，CPU的微結(jié)構(gòu)中取指、運算、訪存等各個模塊是如何配合的。

　　對此，中國科學(xué)院大學(xué)為首的高校聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界共同編撰涵蓋本科、碩士、博士的《計算機體系結(jié)構(gòu)》課程。在本科階段，主要強調(diào)基礎(chǔ)性和系統(tǒng)性，學(xué)習(xí)作為軟硬件界面的指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包含CPU、GPU、南北橋協(xié)同的計算機硬件結(jié)構(gòu)，CPU的微結(jié)構(gòu)，并行處理結(jié)構(gòu)，計算機性能分析等五部分主要內(nèi)容。在碩士階段，主要介紹CPU微結(jié)構(gòu)，包括指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、二進(jìn)制和邏輯電路、靜態(tài)流水線、動態(tài)流水線、多發(fā)射流水線、運算部件、轉(zhuǎn)移猜測、高速緩存、TLB、多核對流水線的影響等。在博士階段，主要強調(diào)實踐性，通過設(shè)計真實的(而不是簡化的)CPU，運行真實的(而不是簡化的)操作系統(tǒng)，對結(jié)構(gòu)設(shè)計、物理設(shè)計、操作系統(tǒng)做到融會貫通。目前，該課程已經(jīng)在中國科學(xué)院大學(xué)講授。

　　將知識融會貫通，就離不開具體實踐，在龍芯將GS132和GS232兩款CPU核向高校和學(xué)術(shù)界開源后，大學(xué)老師可以基于龍芯平臺設(shè)計實驗課程，使學(xué)生可以在真實的CPU上運行真實的操作系統(tǒng)，在龍芯實驗平臺上啟動操作系統(tǒng)并進(jìn)行性能分析。在流水線設(shè)計方面，讓學(xué)生把GS132的三級靜態(tài)流水線改造成五級靜態(tài)流水線。在TLB和Cache設(shè)計方面，讓學(xué)生在五級GS132處理器核上按MIPS32規(guī)范實現(xiàn)TLB及Cache，運行通用操作系統(tǒng)，進(jìn)行有/無Cache的性能分析。在雙發(fā)射結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，把GS132處理器核改造成雙發(fā)射CPU，進(jìn)行單發(fā)射和雙發(fā)射性能比較。在動態(tài)流水線設(shè)計方面，在GS232基礎(chǔ)上改寫部分模塊(如乘法器、保留站等)進(jìn)行靜態(tài)單發(fā)射、靜態(tài)雙發(fā)射、動態(tài)雙發(fā)射的性能分析。

　　此外，龍芯還研發(fā)了CPU實驗平臺、操作系統(tǒng)實驗平臺、并行處理實驗平臺等數(shù)款龍芯教學(xué)平臺，通過為高校提供完整的線上、線下實驗環(huán)境，助力教學(xué)改革和計算機專業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)，實現(xiàn)“設(shè)計真實處理器，運行真實操作系統(tǒng)”。

　　據(jù)了解，復(fù)旦大學(xué)、南開大學(xué)、南京航空航天學(xué)院、東北林大、金陵科技學(xué)院、大連海洋大學(xué)將開展基于龍芯平臺的教育試點。雖然中國計算機人才質(zhì)量不高、行業(yè)技術(shù)原創(chuàng)少、依附跟隨外國技術(shù)等問題不是僅僅設(shè)計一個專業(yè)課程，增加學(xué)生工程規(guī)模的系統(tǒng)實踐就能解決的，但這畢竟是一個好的開始，筆者還是衷心希望本次的計算機教育改革試點能解決部分現(xiàn)存的問題，為國家培養(yǎng)更多的專業(yè)人才。