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龙芯曲折的自主CPU之路

来源::网络整理 | 作者:管理员 | 本文已影响

通用CPU被称作是集成电路中的“珠穆朗玛峰”,对集成电路和软件产业具有基础性和带动性作用。但CPU的微架构需要长期积累,且需要对应用、操作系统、编译、逻辑和电路的行为都融会贯通。我国由于缺少自主的CPU技术和产业,在信息产业严重受制于人。在自主CPU的研发道路上,国内以龙芯为代表的企业手握自主创新的“枪杆子”走过了坎坷的十八年。

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行走在路上的龙芯

回顾龙芯十八年多的发展历史,走的是“之”字形的发展道路,弯路比直路多。 

2000年10月,一个偶然的机缘,胡伟武开始参与中科院计算所的CPU开发项目。

2001年8月,中国自主研发的龙芯1号FPGA成功地运行了Linux操作系统。

2002年8月10日,“龙芯1号”问世,中国人结束了只能用国外CPU造计算机的历史,被业内人士誉为民族科技产业化道路上的一个里程碑。

2003年4月18日,由中科院计算技术研究所自主研发的国产首款64位高性能通用CPU——“龙芯2号”问世。龙芯2号在性能上有着大幅提高,对我国行成具有自主知识产权的计算机产业有着重要的推动作用。

此后研制龙芯3号系列CPU发展道路之曲折、奋斗之艰辛,付出之巨大无人知晓,直到2016年,龙芯3A3000才研制成功,因2016年是红军长征胜利80周年,因此以CZ80命名,每颗芯片的硅片上都刻有CZ80字样。

十年来,龙芯先后研制了龙芯3A1000、3B1000、3B1500、3A2000/3B200、3A3000/3B3000五款龙芯3号系列芯片。为什么龙芯CPU研制经历这么多坎坷呢?除了龙芯的质量流程需要持续改进以外,究其根本原因,是因为龙芯始终坚持芯片中的核心模块自己研制,龙芯长期坚持芯片中的核心IP自己掌握。

胡伟武在《龙芯的足迹》一书中写到:“做任何事情,依靠别人总是容易一些,完全靠自己则困难的多。但依靠的多了,吃过亏后才明白还得靠自己”。

比肩AMD,龙芯新一代CPU实现自主可控

那么自主CPU与国外先进水平主要差距在哪?在胡伟武看来,自主CPU在技术上的核心问题是由于没有很好地掌握处理器的微架构技术,自主处理器单核性能较低,而不是处理器核不够多,在CPU芯片中多放些处理器核是容易的,难的是要把处理器核做好。再就是通用处理能力和设计能力不行。

龙芯的设计原则是练好内功,通过设计优化来提高单核通用处理性能。在昨天的龙芯新产品发布暨用户大会上,龙芯发布了新一代通用CPU产品3A4000/3B000。3A4000/3B000基本完成了单核通用处理性能“补课”。

龙芯曲折的自主CPU之路


龙芯3A4000/3B4000在片内集成了安全机制,实现自主可控和安全可靠的统一。3A4000/3B4000主要有三大特点:

特点一:相同工艺性能(28nm)成倍提高 

龙芯3A4000/3B4000使用与上一代产品3A3000/3B3000相同的28nm工艺,通过设计优化成倍提升性能。具体可表现为SPEC CPU2006单核peak分值双21分,base分值双18分;3B4000支持四路直连,四路服务器性能是3B3000双路服务器的四倍;科学计算性能是3A3000的四倍以上,支持128/256位向量;据胡伟武介绍,3A4000通用处理性能与AMD公司28nm工艺最后产品“挖掘机”处理器相当,且单核性能高于用14nm实现的ARM处理器。

特点二:片内安全机制 

龙芯3A4000/3B4000能够从机制上有效防范Meltdon和Spectre等漏洞,支持MD5、AES、SHA等加解密算法,支持专用安全可信模块及国密算法,支持“影子栈”等访问控制机制。据龙芯中科董事长胡伟武介绍,传统的CPU安全机制只是在处理器核外增加安全可信模块,龙芯3A40003B4000专门在处理器核内设计了安全控制机制,从而达到本质安全。

特点三:一如既往地自主研发 

龙芯3A4000/B4000一如既往地强调自主研发。芯片中的所有功能模块,包括CPU核心、片内互联总线、DDR4内存控制器及各种接口模块等的所有源代码均自主设计。芯片中各类全定制模块,包括多端口寄存器堆、锁相环、DDR4PHY、PLL等均自主研发。除了流片厂家提供的基本设计环境,龙芯3A4000/3B4000没有使用任何第三方IP。

3A4000/3B4000使用龙芯公司最新研制的新一代处理器核GS464V,主频1.8ghz-2.ghz,通过优化功耗管理,基于龙芯3A4000笔记本工作时间比上一代产品延长一倍以上。采用37.5mm*37.5mm封装工艺,还支持BGA、LGA以及CBGA的多种封装形式,同时其桌面主板可支持四层布线。

胡伟武还指出,3A4000/3B4000还存在一些问题,例如DDR4内存频率不够高,功耗偏大,但这也是龙芯进一步改进的动力。下一步龙芯的主要工作重点就是提高主频和核数。龙芯将于明后年推出使用12nm工艺的四核3A5000和16核3C5000,其主频将提高到2.5GH以上,通用处理性能将达到当时AMD的水平,3A5000通过工艺改进提高主频,3C5000工艺改进增加核数。通过20年积累完成CPU性能“补课”。

龙芯操作系统的“三条线、两个面”

龙芯的“初心”是打造独立于Wintel和AA (ARM+Android)的第三大生态体系。优秀的生态有三个重要特点:一是开放,越开放合作伙伴越多,产业生态力量越大,Google和ARM做得最好;二是兼容,越兼容越容易形成合力,产业生态不易碎片化,Intel和微软做得最好;三是优化,以用户体验为中心,通过软硬件紧密结合进行优化,苹果做得最好。

他山之石,可以攻玉。经过多年探索,龙芯形成了“Intel+ Google+ Apple”的商业与技术模式。一是学 Intel商业上形成CPU、OS、ODM核心并向外辐射,技术上做好 Outside规范,保持结构的兼容和稳定,实现操作系统级二进制兼容。二是学 Google“做OS但不卖OS”,谷歌研制 Android但不卖 Android操作系统,而小米的米OS和华为的麒麟OS均基于 Google的 Android;龙芯研制 Loongnix形成龙芯CPU的基础版操作系统并免费开放给合作伙伴,支持合作伙伴推出发行版操作系统产品。三是学 Apple以用户体验为中心从全系统角度进行优化,把细节做精。

结合龙芯生态建设的要求,龙芯在实践中形成了软件生态“三条线、两个面”的总体思路。

龙芯操作系统的“三条线”: Loongnix面向通用信息化系统,基于通用Linux平台进行完善和优化,为统一操作系统龙芯版提供支持;LoongOS面向高可靠实时终端,基于Linux/RT-Linux构建简洁高效的OS,没有Xserver的图形系统;LoongWorks面向实时嵌入式应用,针对历史应用,基于VxWorks内核,完善图形、网络等API,把VxWorks从“DOS”阶段升级到Windows阶段;龙芯操作系统的“两个面”指的是在“三条线”的基础上,通过统一系统架构实现操作系统跨硬件的二进制兼容,完善API实现应用的二进制兼容及优化。 

一是面向硬件,对不同主板实现二进制兼容,ARM系统做不到OS的二进制兼容,其设计OS、BIOS、桥片等多方面规范,ARM只能管住CPU核及AMBA总线,Intel能管住UEFI、PCI软件协议等;


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