龍芯架構(gòu)開創(chuàng)國(guó)產(chǎn)自主指令集新時(shí)代，國(guó)產(chǎn)CPU即將擺脫國(guó)外限制

近日，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)自主指令系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用專委會(huì)（籌）（以下簡(jiǎn)稱“專委會(huì)”）正式啟動(dòng)。

專委會(huì)的目標(biāo)是大力發(fā)展自主CPU指令系統(tǒng)的技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，通過產(chǎn)學(xué)研深度融合，構(gòu)建獨(dú)立于x86體系和ARM體系的新型信息技術(shù)體系，理念為“共商、共建、共享”。

龍芯中科董事長(zhǎng)胡偉武任籌備組組長(zhǎng)，來(lái)自相關(guān)領(lǐng)域的11位專家任籌備組副組長(zhǎng)，《網(wǎng)信自主創(chuàng)新調(diào)研報(bào)告》主編田霞任籌備組執(zhí)行負(fù)責(zé)人，134位來(lái)自各行業(yè)的專家代表共同組成專委會(huì)籌備組。

在專委會(huì)第一次工作會(huì)議上，胡偉武發(fā)表了題為《破解卡脖子問題、構(gòu)建新發(fā)展格局》的報(bào)告。

他指出，指令系統(tǒng)是CPU和操作系統(tǒng)的共性基礎(chǔ)，是信息產(chǎn)業(yè)的“根技術(shù)”，我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心，就是基于自主指令系統(tǒng)構(gòu)，建安全可控的信息技術(shù)體系。

龍芯長(zhǎng)期堅(jiān)持核心IP自主研發(fā)，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化和工藝迭代，提高單核通用處理性能，目標(biāo)就是構(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)。

加入專委會(huì)，就可以獲得龍芯LoongArch龍架構(gòu)指令系統(tǒng)的使用授權(quán)，并以優(yōu)惠的價(jià)格，獲得龍芯中科IP授權(quán)、SoC設(shè)計(jì)服務(wù)。


國(guó)產(chǎn)自研指令系統(tǒng)邁出重要一步

2021年4月，MIPS生態(tài)的重要維護(hù)者龍芯宣布放棄MIPS指令系統(tǒng)，發(fā)布了完全自主指令集架構(gòu)Loongson Architecture，簡(jiǎn)稱龍芯架構(gòu)或LoongArch。

龍芯委托國(guó)內(nèi)第三方知名知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)估機(jī)構(gòu)對(duì)龍芯基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行深入細(xì)致的知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)估。從2020年二季度開始，雙方投入上百人月，將LoongArch與ALPHA、ARM、MIPS、POWER、RISC-V、X86等國(guó)際上主要指令系統(tǒng)有關(guān)資料和幾萬(wàn)件專利進(jìn)行深入對(duì)比分析。

2021年1月，針對(duì)被評(píng)估的基礎(chǔ)架構(gòu)版本該評(píng)估機(jī)構(gòu)認(rèn)為：

LoongArch在指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)、指令格式、指令編碼、尋址模式等方面進(jìn)行了自主設(shè)計(jì)。

LoongArch指令系統(tǒng)手冊(cè)在章節(jié)結(jié)構(gòu)、指令說(shuō)明結(jié)構(gòu)和指令內(nèi)容表達(dá)方面與上述國(guó)際上主要指令系統(tǒng)存在明顯區(qū)別。

LoongArch基礎(chǔ)架構(gòu)未發(fā)現(xiàn)對(duì)上述國(guó)際上主要指令系統(tǒng)中國(guó)專利的侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)。

CPU指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的軟硬件界面，是CPU所執(zhí)行的軟件指令的二進(jìn)制編碼格式規(guī)范。一種指令系統(tǒng)承載了一個(gè)軟件生態(tài)，如x86指令系統(tǒng)和Windows操作系統(tǒng)形成的Wintel生態(tài)以及ARM指令系統(tǒng)和Android操作系統(tǒng)形成的AA生態(tài)。

無(wú)論是x86還是ARM指令系統(tǒng)，都需要獲得“授權(quán)”才能研制與之相兼容的CPU。采用授權(quán)指令系統(tǒng)可以研制產(chǎn)品，但不可能形成自主產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

用個(gè)形象的比喻來(lái)解釋，中國(guó)人可以用英文寫小說(shuō)，但不可能基于英文形成民族文化。這也就是擁有指令集的公司很容易就能對(duì)獲得授權(quán)的芯片設(shè)計(jì)公司卡脖子的原因，完全開源的RISCV，也是來(lái)源于美國(guó)伯克利大學(xué)，因此Loongson Architecture對(duì)中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)而言是一個(gè)歷史性突破。

龍芯架構(gòu)包括基礎(chǔ)架構(gòu)部分和向量指令、虛擬化、二進(jìn)制翻譯等擴(kuò)展部分，近2000條指令，不包含MIPS指令系統(tǒng)，具有完全自主、技術(shù)先進(jìn)、兼容生態(tài)三方面特點(diǎn)。

具體而言，龍芯架構(gòu)從整個(gè)架構(gòu)的頂層規(guī)劃，到各部分的功能定義，再到細(xì)節(jié)上每條指令的編碼、名稱、含義，在架構(gòu)上進(jìn)行自主重新設(shè)計(jì)，具有充分的自主性。

同時(shí)，龍芯架構(gòu)摒棄了傳統(tǒng)指令系統(tǒng)中部分不適應(yīng)當(dāng)前軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的陳舊內(nèi)容，吸納了近年來(lái)指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域諸多先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展成果。同原有兼容指令系統(tǒng)相比，不僅在硬件方面更易于高性能低功耗設(shè)計(jì)，而且在軟件方面更易于編譯優(yōu)化和操作系統(tǒng)、虛擬機(jī)的開發(fā)。

生態(tài)方面，龍芯架構(gòu)充分考慮兼容生態(tài)需求，融合了各國(guó)際主流指令系統(tǒng)的主要功能特性，基于龍芯團(tuán)隊(duì)在二進(jìn)制翻譯方面十余年的技術(shù)積累創(chuàng)新，不僅能夠確保現(xiàn)有龍芯電腦上應(yīng)用二進(jìn)制的無(wú)損遷移，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多種國(guó)際主流指令系統(tǒng)的高效二進(jìn)制翻譯。


國(guó)產(chǎn)CPU進(jìn)入全新時(shí)代

龍芯3A5000是首款支持LoongArch架構(gòu)的龍芯芯片，也是3A6000的前代產(chǎn)品。它首次實(shí)現(xiàn)了從指令集、微架構(gòu)到芯片設(shè)計(jì)的完全自研。在與龍芯3A4000處理器保持引腳兼容的基礎(chǔ)上，頻率提升至2.5GHz，性能提升50%以上，且功耗降低至少30%。它使用成熟工藝制造，支持128位/256位向量指令；四發(fā)射亂序執(zhí)行；擁有4個(gè)定點(diǎn)單元、2個(gè)向量單元和2個(gè)訪存單元，和2個(gè)DDR4控制器；典型功耗在35W@2.5GHz。

而龍芯3A6000是龍芯第四代微架構(gòu)的首款產(chǎn)品，采用成熟制造工藝，其最高主頻仍然保持在2.5GHz，集成4個(gè)最新研發(fā)的高性能6發(fā)射64位LA664處理器核，支持128位向量處理擴(kuò)展指令（LSX）和256位高級(jí)向量處理擴(kuò)展指令（LASX）。架構(gòu)指令集的提升，使得龍芯3A6000較龍芯3A5000單核性能提升了60%以上，并且龍芯3A6000首次支持同步多線程，實(shí)現(xiàn)四核八線程，多核性能提升100%。

今年一季度，龍芯3A5000和3A6000兩款芯片的總出貨量，已經(jīng)達(dá)到了2023年全年水平。

另外，雖然龍芯3A6000的運(yùn)行頻率只有2.5GHz，但根據(jù)中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院賽西實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試，龍芯3A6000的總體性能與英特爾2020年上市的第10代酷睿處理器相當(dāng)，也就是3.6GHz的i3-10100。

而在去年的發(fā)布會(huì)上，主板大廠華碩還表示，把英特爾13代i5處理器降頻至與龍芯3A6000同樣頻率后，二者性能相當(dāng)。可見，這顆國(guó)產(chǎn)CPU已經(jīng)達(dá)到了很強(qiáng)的水準(zhǔn)。

而這些也都意味著，3A6000可以滿足絕大部分的辦公、娛樂、學(xué)習(xí)等方面的需求。

性能的進(jìn)步當(dāng)然很驚喜，但更重要的是實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用。龍芯3A6000發(fā)布后，有數(shù)十家廠商發(fā)布了基于3A6000的桌面計(jì)算機(jī)、筆記本、板卡、存儲(chǔ)產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等各類產(chǎn)品，涵蓋信息化辦公、娛樂、工業(yè)控制、智能制造、智能家居、數(shù)字五金等多個(gè)場(chǎng)景。

例如，相關(guān)的電腦產(chǎn)品已經(jīng)可以流暢運(yùn)行大型3D游戲，使用微信、釘釘、中望CAD、WPS等常用辦公軟件和行業(yè)軟件。

那么2024年一季度的銷量，能取得這么好的成績(jī)，也說(shuō)明，龍芯3A6000得到了真正的商業(yè)化應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)，這才是最令人欣喜的。

技術(shù)上有什么突破，固然重要，但如果這個(gè)技術(shù)不能實(shí)際應(yīng)用，就沒有太大的意義了。

除此之外，還有好消息，頭一段時(shí)間，龍芯中科還表示，下一代的3B6600和3B7000也快來(lái)了。其中的3B6600主頻為3.0GHz，同時(shí)集成 LG200 核顯。而3B7000主頻更是達(dá)到了 3.5GHz，很值得期待。

總之，隨著3A6000的問世，國(guó)產(chǎn)自主化CPU也正式進(jìn)入了一個(gè)嶄新的歷史階段，實(shí)現(xiàn)徹底擺脫對(duì)國(guó)外處理器的依賴，已經(jīng)不再是奢望。

因?yàn)樘幚砥鞯纳?jí)迭代以及生態(tài)的不斷發(fā)展，龍芯表示，龍架構(gòu)的最終目標(biāo)是成為與 X86 和 ARM 并列的頂層架構(gòu)。這讓我想起了鴻蒙操作系統(tǒng)，未來(lái)有一天也將成為與安卓、ios甚至是Windows、linux并駕齊驅(qū)的頂級(jí)操作系統(tǒng)。