國(guó)產(chǎn)CPU里程碑！龍芯最強(qiáng)處理器、自研GPGPU來(lái)了，披露Tock“三劍客”

作者 |??程茜，編輯?|??Panken

龍芯3A6000實(shí)現(xiàn)主IP全自研，將開放CPU IP核授權(quán)，不收版稅。

芯東西11月28日?qǐng)?bào)道，今日，國(guó)產(chǎn)CPU企業(yè)龍芯中科自主研發(fā)的新一代CPU 3A6000發(fā)布，這也是我國(guó)國(guó)產(chǎn)CPU領(lǐng)域的最新里程碑成果。龍芯3A6000采用龍芯自主指令系統(tǒng)龍架構(gòu)（LoongArch），是龍芯第四代64位高性能微架構(gòu)LA664的首款產(chǎn)品，且主要IP核均自主研發(fā)，采用成熟工藝生產(chǎn)，主頻達(dá)到2.5GHz，支持多線程技術(shù)，全芯片共8個(gè)邏輯內(nèi)核。

該CPU采用全自研高性能DDR4接口，訪存效率超過(guò)80%，動(dòng)態(tài)頻率電壓調(diào)節(jié)能效提升，相比于上一代龍芯3A5000，相同頻率下整數(shù)通用性能提升60%以上，多核性能翻番。龍芯中科技術(shù)股份有限公司董事長(zhǎng)胡偉武稱，3A6000的性能已經(jīng)達(dá)到十代酷睿四核處理器水平。他談道，龍芯中科要構(gòu)建獨(dú)立于x86和Arm的第三套新型信息技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

在第三季度業(yè)績(jī)說(shuō)明會(huì)上，胡偉武還提到：“我們正在努力提高每GHz性能接近或達(dá)到蘋果CPU的水平。”他還透露，“3B6000將爭(zhēng)取每GHz的性能再提高20%-30%，在此基礎(chǔ)上用先進(jìn)工藝提高主頻?！?/p>

同時(shí)，龍芯中科推出了打印機(jī)主控芯片龍芯2P0500，這是國(guó)內(nèi)首款基于自主指令系統(tǒng)的打印機(jī)主控芯片。

01.將自主化優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化成技術(shù)優(yōu)勢(shì)性能追上十代酷睿四核處理器

當(dāng)下全球的信息產(chǎn)業(yè)構(gòu)建在西方主導(dǎo)的x86體系之上。胡偉武談道，2021年我國(guó)硅上工業(yè)企業(yè)利潤(rùn)率為6.8%，其中電子工業(yè)利潤(rùn)率為5.9%。2021年我國(guó)電子工業(yè)的利潤(rùn)總額為8283億元，蘋果一個(gè)公司就達(dá)到946億美元。

胡偉武談道，CPU和操作系統(tǒng)是信息產(chǎn)業(yè)的底座，但還有更底層的根技術(shù)被卡脖子，比如指令系統(tǒng)、芯片生產(chǎn)工藝和設(shè)備材料等。

國(guó)內(nèi)很多CPU都是基于Arm，操作系統(tǒng)都是基于安卓等，胡偉武認(rèn)為，我們要將自主經(jīng)營(yíng)到底，把底層的根技術(shù)做起來(lái)，不依賴國(guó)外授權(quán)和供應(yīng)鏈，只依賴人力資源和礦產(chǎn)資源。

因此，龍芯中科要構(gòu)建獨(dú)立于x86和Arm的第三套新型信息技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，其自研的指令集架構(gòu)龍架構(gòu)就是第三套體系的基礎(chǔ)。

龍芯中科有三大系列CPU產(chǎn)品，龍芯3號(hào)CPU系列是面向桌面、服務(wù)器應(yīng)用，龍芯2號(hào)SOC系列，面向工控和終端應(yīng)用，龍芯1號(hào)面向的是嵌入式專門應(yīng)用。

胡偉武稱，龍芯的主要IP核均自主研發(fā)，目前龍芯的軟硬IP核數(shù)量已經(jīng)有上百種。下圖中，龍芯3A6000結(jié)構(gòu)圖中4個(gè)方塊就是4個(gè)核，標(biāo)紅的就是3A6000用到的IP。其中，PCIe的IP為自主研發(fā)，可以做得很小并且成本更低，這也是自己做IP的好處。

3A6000有4個(gè)物理核和8個(gè)邏輯核，主頻2.0GHz到2.5GHz，還有片內(nèi)集成安全可信模塊，支持安全啟動(dòng)和國(guó)密算法。

首先，3A6000采用龍芯第四代64位高性能微架構(gòu)LA664，這一架構(gòu)有兩個(gè)特點(diǎn)，首先是大幅提升性能，其次是實(shí)現(xiàn)了同時(shí)多線程技術(shù)。胡偉武透露，龍芯的芯片是一個(gè)套殼加Tock+Tick，基于第二代GS464E，3A3000性能提升1.6倍。

龍芯3號(hào)系列芯片按照Tick-Tock路線發(fā)展，Tick指的是工藝節(jié)點(diǎn)的增強(qiáng)，Tock指的是微體系結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)。

第三代架構(gòu)是GS464V、LA464，與3A3000相比，3A4000工藝沒變，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化性能提高了兩倍，3A5000采用更先進(jìn)工藝性能提升了1.5倍。

3A6000采用的是第四代架構(gòu)，使得CPU在相同工藝下性能比上一代產(chǎn)品大幅提高。根據(jù)電子四院的報(bào)告，3A6000單線程通用處理性能提升60%，多進(jìn)程通用處理性能提升100%。

定點(diǎn)單線程的性能分?jǐn)?shù)是43分，CPU 2017的單線程性能是5分。

CPU執(zhí)行指令的過(guò)程中，由于指令供給不及時(shí)等，存在空閑指令。同時(shí)多線程就使得CPU核心“一心二用”，也就是在單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行多個(gè)線程的更多指令，3A6000性能在相同工藝下相比上一代產(chǎn)品大幅提高。

3A6000的性能達(dá)到十代酷睿四核處理器水平，2.5GHz的龍芯3A6000和3.6GHz的酷睿i3比較數(shù)據(jù)如下：

胡偉武稱，龍芯中科走出了一條基于成熟工藝，通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化提高性能的道路，標(biāo)志著在弱一點(diǎn)的工藝條件下，與英特爾、AMD等的產(chǎn)品性能可比。下一步龍芯中科將繼續(xù)基于成熟制程研發(fā)，達(dá)到英特爾先進(jìn)工藝的性能。

2013年，胡偉武就在反思，中國(guó)CPU和國(guó)外先進(jìn)水平的主要性能差距在什么地方？是通用處理能力不行、還是專業(yè)處理能力不行？是單核性能不足還是核數(shù)不夠？是設(shè)計(jì)能力不行還是工藝不行？

他認(rèn)為，剛剛提到的43分，就相當(dāng)于3A6000“研究生畢業(yè)”。并且當(dāng)時(shí)龍芯3A1000主頻差距在2-3倍，每GHz性能差距為4-6倍。

目前，龍芯中科已經(jīng)完成了通用處理性能技術(shù)補(bǔ)課，十代酷睿是2020年的產(chǎn)品，胡偉武稱，現(xiàn)在很多人電腦上還用的是八代、九代酷睿，今年龍芯中科推出的3A6000已經(jīng)達(dá)到市場(chǎng)主流水準(zhǔn)。

龍芯中科已經(jīng)完成龍芯3C6000設(shè)計(jì)，龍芯3C6000采用單硅片16核32線程，通用處理性能成倍提升，內(nèi)存采用DDR4-3200x4，訪存帶寬比上一代3C5000成倍提高。

此外，3C6000通過(guò)龍鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)了片間互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)LS3D6000雙硅片32核64線程、LS3E6000四硅片64核128線程，支持GPGPU、各類加速器擴(kuò)展。

胡偉武認(rèn)為，龍架構(gòu)指令系統(tǒng)是龍芯的一個(gè)貢獻(xiàn)，片間互聯(lián)就是龍芯的第二個(gè)貢獻(xiàn)，未來(lái)，龍芯中科都會(huì)開放。

龍芯中科突破片間高速互聯(lián)技術(shù)，對(duì)標(biāo)的是nVLink、CXL，這也是破解Chiplet技術(shù)的關(guān)鍵。片間互聯(lián)可以大幅降低延遲提高帶寬效率。

在GPGPU方面，龍芯第二代自研圖形處理器LG200有圖形加速、科學(xué)計(jì)算加速、AI加速三個(gè)功能，右邊是GPGPU的結(jié)構(gòu)圖。

龍芯中科將基于2K3000的GPGPU技術(shù)及3C6000的龍鏈技術(shù)，研制專用GPGPU芯片。胡偉武認(rèn)為，由本次發(fā)布的桌面處理器龍芯3A6000、在研服務(wù)器處理器龍芯3C6000和移動(dòng)桌面終端處理器2K3000構(gòu)成的龍芯“三劍客”已具有一定開放市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

02.自主化優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為軟件生態(tài)優(yōu)勢(shì)三大階段完成生態(tài)建設(shè)

指令系統(tǒng)是軟件生態(tài)的基礎(chǔ)，2020年，龍芯中科推出龍芯指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)LoongArch，簡(jiǎn)稱龍架構(gòu)或LA架構(gòu)，完成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)估。

胡偉武透露，構(gòu)建龍架構(gòu)軟件生態(tài)分三個(gè)階段。

首先是夯實(shí)基礎(chǔ)，龍芯中科的架構(gòu)已經(jīng)得到國(guó)際開源軟件認(rèn)可，開發(fā)者可以完全基于龍架構(gòu)的國(guó)際開源軟件直接構(gòu)建出完整的操作系統(tǒng)。其次，該框架得到了國(guó)內(nèi)操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)應(yīng)用的認(rèn)可和支持，目前支持統(tǒng)信、麒麟、歐拉、龍蜥、開源鴻蒙等操作系統(tǒng)，支持WPS、微信、QQ、釘釘、騰訊會(huì)議、美團(tuán)等應(yīng)用。

第二要克服Linux生態(tài)碎片化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不同分支及版本的應(yīng)用兼容。龍芯平臺(tái)支持不同版本不同分支，如麒麟的應(yīng)用在統(tǒng)信上可以跑，統(tǒng)信的應(yīng)用在麒麟生態(tài)上也可以跑。

龍芯中科已經(jīng)升級(jí)完成，目前正在做廣泛兼容，在龍架構(gòu)上運(yùn)行x86、Windows應(yīng)用，但不能運(yùn)行Windows，還有運(yùn)行安卓應(yīng)用。

第三是自主應(yīng)用。胡偉武稱，龍芯中科要推出自主編程框架，就像安卓、iOS等一樣有自己的應(yīng)用平臺(tái)。

在廣泛兼容方面，通過(guò)二進(jìn)制方案運(yùn)行x86應(yīng)用，龍芯中科要架起兩座橋，一個(gè)是把x86的指令翻譯成龍架構(gòu)指令，一個(gè)是把Windows接口翻譯成Linux接口。

龍架構(gòu)的一大優(yōu)勢(shì)就是可以自由加指令，將不侵權(quán)的功能類似的指令加進(jìn)去，翻譯時(shí)就相當(dāng)于英文翻中文。

打印機(jī)驅(qū)動(dòng)是Linux的一大難題，多數(shù)打印機(jī)只有Windows驅(qū)動(dòng)，沒有Linux驅(qū)動(dòng)。現(xiàn)在龍芯架構(gòu)可以支持95%以上的打印機(jī)。

通過(guò)二進(jìn)制翻譯運(yùn)行x86應(yīng)用，龍芯生態(tài)可以運(yùn)行絕大多數(shù)x86和Linux應(yīng)用，用戶體驗(yàn)流暢，對(duì)于x86/Windows應(yīng)用可以大量運(yùn)行。龍芯下一代處理器將完善對(duì)二進(jìn)制翻譯的支持，如x87的80位浮點(diǎn)指令。

03.構(gòu)建獨(dú)立于x86和Arm之外的生態(tài)體系

3A6000性能達(dá)到市場(chǎng)主流產(chǎn)品水平，龍芯架構(gòu)的基礎(chǔ)軟件生態(tài)基本建成，龍芯中科要構(gòu)建獨(dú)立于x86和Arm體系的自主信息技術(shù)體系。

為了加強(qiáng)生態(tài)體系建設(shè)，龍芯中科要與合作伙伴共建。首先解決做龍架構(gòu)芯片企業(yè)少的問(wèn)題，龍芯中科將CPU IP核開放授權(quán)，且不收版稅。未來(lái)，龍架構(gòu)指令系統(tǒng)也會(huì)開放授權(quán)。

胡偉武演講前面提到一個(gè)問(wèn)題，龍芯CPU最自主所以性能低生態(tài)差？他的答案是，龍芯CPU最自主，所以性能最高。原因在于自主研發(fā)的CPU沒有天花板，產(chǎn)品可以在市場(chǎng)實(shí)踐中不斷迭代，3A6000就是個(gè)例子。他補(bǔ)充說(shuō)，龍芯CPU軟件生態(tài)最好，理由是自主生態(tài)只能靠自己建，靠跟著走沒有前途。因此，龍芯中科要將自主化的優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為性能和生態(tài)優(yōu)勢(shì)，與x86和Arm體系三足鼎立，形成新型信息技術(shù)體系和軟件生態(tài)。

04.結(jié)語(yǔ)：自研CPU任重道遠(yuǎn)

以通用CPU、GPU為代表的計(jì)算芯片是算力的基石，是計(jì)算系統(tǒng)和信息基礎(chǔ)設(shè)施的核心，當(dāng)下核心技術(shù)受制于人是我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大的隱患。近年來(lái)，以龍芯中科為代表的企業(yè)推動(dòng)核心技術(shù)突破，使得國(guó)產(chǎn)芯片性能持續(xù)提升，供應(yīng)鏈的可持續(xù)性、生態(tài)完備性上也取得進(jìn)步。

此次，龍芯中科正式發(fā)布龍架構(gòu)，并開放了IP授權(quán)，同時(shí)，國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件的協(xié)同發(fā)展，將加速國(guó)產(chǎn)CPU生態(tài)建設(shè)。面對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命加速演進(jìn)，以龍芯中心為代表的國(guó)產(chǎn)玩家正在通過(guò)自主研發(fā)、創(chuàng)新突破一步步探索芯片研發(fā)的天花板，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)CPU性能和成熟度不斷提升。