第1章 国产计算机系统概述
中国发展国产计算机系统的历程堪称波澜壮阔。1956年，国家制定《1956—1967年科学技术发展远景规划纲要》，无数科研先驱艰苦奋斗，实现国产计算机从0到1的突破。20世纪80年代以来，随着“863计划”（国家高技术研究发展计划）、“973计划”（国家重点基础研究发展计划）的启动及“核高基”（核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品）的实施，一代代核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品研发成功。目前，驱动信息技术应用的创新产业加速发展。国产计算机系统走过了实验室可用、勉强能用不好用、能用可用多个阶段。目前，国产计算机系统已取得一系列成果，正步入好用和愿用阶段。国产计算机系统生态体系逐渐形成，芯片、固件、整机、操作系统、数据库、中间件等多个领域百花齐放，图1-1展示了国产计算机系统生态中各个领域的代表性企业和产品。随着国内信息安全需求的凸显，长期默默耕耘的国产计算机产业迎来重大历史性发展机遇，我国信息技术应用创新（以下简称信创）将迎来黄金发展期[1， 2]。
图1-1 国产计算机系统生态中各个领域的代表性企业和产品
资料来源：根据公开资料整理。
1.1 国产硬件系统的历史与发展概述
计算机硬件是指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种物理装置的总称。随着所采用的电子器件的变化，计算机硬件系统经历了四代演变，分别为电子管计算机时代（1946～1958年）、晶体管计算机时代（1958～1964年）、中小规模集成电路计算机时代（1964～1970年）和大规模及超大规模集成电路计算机时代（1970年至今）。
我国的计算机事业自1956年制定“十二年科学技术远景规划纲要”开始起步，经历了从无到有、从小到大的艰苦历程。1958年8月1日，中国第一台电子管计算机“103机”研制成功；1959年，大型通用计算机“104机”研制成功；1960年，我国第一台完全自主设计的通用电子数字计算机“107机”试制成功。这些工作为“两弹一星”和其他科学技术的发展奠定了坚实的基础[3]。
改革开放后，面对各领域日新月异的发展需求，邓小平代表党中央作出决定，将研制亿次巨型计算机的任务交给国防科技大学。面对技术落后、资料匮乏的国内环境和西方国家的技术封锁，以慈云桂院士为代表的科研人员经过5年艰苦卓绝的研究工作，攻克数以百计的技术难题，终于在1983年11月，成功研制了“银河Ⅰ”亿次巨型计算机。我国成为世界上少数几个能独立设计和制造巨型计算机的国家之一。随着科技的发展，我国又成功推出银河Ⅱ、Ⅲ型巨型计算机，计算机性能大幅提升，并在石油勘探、气象预报和工程物理等研究领域获得了广泛应用。
1986年，国家“863计划”启动，我国开始布局发展芯片等底层基础技术。国家专门制定了“531”发展战略（推广5μm技术，开发3μm技术，攻关1μm技术）。
1990年8月，“908”工程正式出炉。由于各种原因，“908”工程没有形成商业应用。
1995年12月13日，国务院推出了当时中国电子工业史上*大的一个国家项目—“909”工程。“909”工程诞生了半导体加工企业上海华虹（集团）有限公司，经过发展和积累，后来上海华虹（集团）有限公司转型升级为中国第一家晶圆代工厂。
1999年，方舟科技有限公司成立并进入中央处理器（Central Processing Unit，CPU）芯片领域，倪光南院士参与研发。2001年，方舟1号芯片产品发布，这也是我国首枚具有自主知识产权的32位实用化微处理器芯片。
2006年，国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》。作为16个重大科技专项之一，“核高基”重大专项启动并上升为国家战略，目标是将“863计划”研究成果导入产业。
2014年9月，国家半导体产业大基金成立，由财政部牵头，首期募资1387.2亿元，以投资拉动半导体产业生态不断丰富。
2015年，国务院印发《中国制造2025》文件，国产化在国内各行各业里的呼声变得越来越高。提升中国制造能力，自主创新，打破垄断，成为无数国人共同的梦想。
2018年以来，在政府和相关部门的大力支持下，相关国产硬件从规划和基础研发阶段进入正式的产业落地推进阶段，逐步从党政军特殊市场向其他重点行业领域推进，目标是实现全方位的国产替代，进一步扩大市场空间[2]。
目前，在国家政策的大力支持及一代代科研人员和从业者坚持不懈的努力下，我们取得了不少令人欣喜的成果，许多领域与国外先进水平的差距正不断缩小，相关研发工作也正处于如火如荼的发展之中。下面介绍部分芯片的发展情况。
1. 中央处理器芯片
目前，在中国科学院、中国电子信息产业集团有限公司和中国电子科技集团公司、地方国资及华为技术有限公司的支持下，国内已经有一系列具备设计能力的芯片厂商，芯片产品包括龙芯、飞腾、鲲鹏、申威、海光和兆芯等，其基础架构涵盖了MIPS（Microprocessor without Interlocked Piped Stages）、ARM（Advanced RISC Machine）、x86和Alpha等。
龙芯中科技术股份有限公司推出的龙芯系列CPU历经龙芯1号、2号，目前龙芯3号3A4000/3B4000 CPU采用龙芯中科技术股份有限公司自主研发的新一代GS464v微架构，主频为1.8～2.0GHz。
飞腾信息技术有限公司推出的飞腾系列CPU历经FT-1500和FT-2000两个系列，*新的FT-2000/4处理器集成了4个飞腾信息技术有限公司自主研发的处理器核FTC663，主频为2.6～3.0GHz；FT-2000+/64服务器芯片集成了FTC 662，主频达2.2GHz。
申威26010 CPU更是成就了世界领先的中国超级计算机“神威太湖之光”，申威1621处理器基于第三代“申威64”核心进行研制，拥有16个核心，设计工作频率为2GHz。
兆芯的KX-6000系列和KH-30000系列CPU采用16nm CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）制程工艺，其中KX-U6880A处理器为8核心/8线程，主频为3.0GHz。
鲲鹏系列处理器是华为技术有限公司发布的高性能数据中心处理器，目的在于满足数据中心的多样性计算和绿色计算需求，具有高性能、高带宽、高集成度、高效能四大特点。鲲鹏920（Kunpeng 920）处理器，兼容ARM架构，采用7nm工艺制造，可以支持32/48/64个核心，主频为2.6GHz。
2. 图形处理芯片
2014年4月，长沙景嘉微电子股份有限公司的芯片设计团队历经8年攻关，成功研制出国内首款具有完全自主知识产权的图形处理芯片—JM5400，实现了军用领域的国产替代。2018年发布的JM7200图形处理芯片采用28nm工艺，内核频率达1200MHz，已成功流片。2018年，中国船舶重工集团公司第709研究所推出了凌久GP101，凌久GP101支持2D（dimensional）、3D图形加速和OpenGL ES2.0，同时支持4K分辨率、视频解码和硬件图层处理等功能，可以广泛地应用于军民两用电子设备、工业控制、电子信息等领域。
3. 内存和闪存芯片
在内存芯片方面，国内主要有西安紫光国芯半导体有限公司和长鑫存储技术有限公司等企业在进行研制。2020年2月，长鑫存储技术有限公司正式发布了其自主研发的DDR4、LPDDR4X 内存芯片及多款内存产品，均符合国际通行标准规范。在闪存方面，2020年4月，长江存储科技有限责任公司发布了全球首款128层QLC 3D NAND 闪存芯片（型号：X2-6070），相关技术处于世界领先地位，目前，该闪存芯片已通过多款控制器验证，形成固态硬盘等终端存储产品。
除了上述传统芯片产业的发展，我国近年来在移动通信、物联网和人工智能等新兴领域核心芯片的自主研发及设计上也取得了许多可喜的成就，涌现了如紫光展锐（上海）科技有限公司、海思半导体有限公司、平头哥半导体有限公司、中科寒武纪科技股份有限公司等优秀的国产芯片企业，在许多高精尖技术领域达到了国际领先水准。从中国制造到中国创造、中国智造，我们在认清自身差距的同时，也在不断地寻求突破和创新。
1.2 国产操作系统的历史与发展概述
操作系统（Operating System，OS）是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，占据着整个计算机系统核心地位。
1946年，第一台通用电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）诞生于美国宾夕法尼亚大学，ENIAC没有操作系统，其交互只是在“人-硬件”的方式下进行。20世纪50年代，晶体管出现并取代真空管，从而诞生了第二代计算机。随着计算机系统功耗与体积大幅缩小、性能大幅提升，人机、中央处理器与输入/输出（Input/Output，I/O）之间的效率矛盾日益突出，进而产生了单道与多道批处理系统、分时系统和实时系统。随着半导体技术的快速迭代，以集成电路为主要功能部件的第三代和第四代计算机相继出现，操作系统也经历了企业商用、个人计算机，再到移动端三个阶段，诞生了诸如UNIX、Linux、Windows、Mac OS、Android等操作系统。其中，微软开发的Windows操作系统在近30年的时间里，垄断了桌面操作系统市场。而在中高端服务器领域及移动、嵌入式设备领域，则以UNIX/Linux为主导。随着开源的UNIX/Linux系统及其衍生版本出现，UNIX/Linux在个人计算机上也迅速流行起来。其中Linux操作系统凭借着精简高效的内核与网络设计及开源的特性，受到了全球开发者的广泛关注，各大主流发行版本可以支持大型机到中小型机等各类设备[4]。
操作系统作为软硬件纽带，在安全领域中也扮演着核心地位。发展国产操作系统是防范网络攻击与威胁，保障国家安全的直接需要。我国国产操作系统的探索始于20世纪末，多数是基于Linux进行的二次开发，先后诞生了20多个不同的版本。但由于中国软件市场的开放、微软系统生态的攻势与知识产权等问题，许多国产操作系统在市场竞争中举步维艰，*初的Xteam Linux、蓝点Blue Point、中科红旗等都由于各种原因黯然退出市场。目前市场比较流行的有银河麒麟Kylin、中标麒麟Neokylin、深度Deepin、统信UOS（UnionTech OS）等[4]。
银河麒麟是由国防科技大学、中国软件与技术服务股份有限公司、联想集团、浪潮集团有限公司和北京民族恒星科技公司合作研制的操作系统。此操作系统源于国家“863计划”重大攻关科研项目，目标是打破国外操作系统的垄断，研发一套中国自主知识产权的服务器操作系统。现已形成了服务器操作系统、桌面操作系统、嵌入式操作系统、麒麟云等产品，能够同时支持飞腾、龙芯、申威、兆芯、海光、鲲鹏等国产CPU。
中标麒麟操作系统采用Linux内核并进行了安全强化，分桌面版、通用版、高级版和安全版等，可以满足不同客户的要求，已经广泛地应用在能源、金融、交通、政府等行业领域。中标麒麟增强安全操作系统，采用麒麟强制访问控制框架和角色权限管理机制，同时支持以模块化方式实现安全策略，并提供多种访问控制策略的统一平台，是一款超越“多权分立”的B2级 结构化保护操作系统产品。2019年12月20日，中国电子信息产业集团有限公司旗下的中国软件与技术服务股份有限公司宣布整合旗下的中标软件有限公司、天津麒麟信息技术有限公司两大子公司，通过整合两家公司的研发优势及创新资源可以取长补短，形成合力，进而打造统一的麒麟软件[5]。
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