國產(chǎn)CPU里程碑！龍芯最強處理器、自研GPGPU來了，披露Tock“三劍客”

作者 |??程茜，編輯?|??Panken

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

芯東西11月28日報道，今日，國產(chǎn)CPU企業(yè)龍芯中科自主研發(fā)的新一代CPU 3A6000發(fā)布，這也是我國國產(chǎn)CPU領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（LoongArch），是龍芯第四代64位高性能微架構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)，主頻達到2.5GHz，支持多線程技術，全芯片共8個邏輯內核。

該CPU采用全自研高性能DDR4接口，訪存效率超過80%，動態(tài)頻率電壓調節(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。龍芯中科技術股份有限公司董事長胡偉武稱，3A6000的性能已經(jīng)達到十代酷睿四核處理器水平。他談道，龍芯中科要構建獨立于x86和Arm的第三套新型信息技術體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

在第三季度業(yè)績說明會上，胡偉武還提到：“我們正在努力提高每GHz性能接近或達到蘋果CPU的水平?！彼€透露，“3B6000將爭取每GHz的性能再提高20%-30%，在此基礎上用先進工藝提高主頻。”

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

01.將自主化優(yōu)勢轉化成技術優(yōu)勢性能追上十代酷睿四核處理器

當下全球的信息產(chǎn)業(yè)構建在西方主導的x86體系之上。胡偉武談道，2021年我國硅上工業(yè)企業(yè)利潤率為6.8%，其中電子工業(yè)利潤率為5.9%。2021年我國電子工業(yè)的利潤總額為8283億元，蘋果一個公司就達到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被卡脖子，比如指令系統(tǒng)、芯片生產(chǎn)工藝和設備材料等。

國內很多CPU都是基于Arm，操作系統(tǒng)都是基于安卓等，胡偉武認為，我們要將自主經(jīng)營到底，把底層的根技術做起來，不依賴國外授權和供應鏈，只依賴人力資源和礦產(chǎn)資源。

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

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

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結構圖中4個方塊就是4個核，標紅的就是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個物理核和8個邏輯核，主頻2.0GHz到2.5GHz，還有片內集成安全可信模塊，支持安全啟動和國密算法。

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

龍芯3號系列芯片按照Tick-Tock路線發(fā)展，Tick指的是工藝節(jié)點的增強，Tock指的是微體系結構的增強。

第三代架構是GS464V、LA464，與3A3000相比，3A4000工藝沒變，通過結構優(yōu)化性能提高了兩倍，3A5000采用更先進工藝性能提升了1.5倍。

3A6000采用的是第四代架構，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)電子四院的報告，3A6000單線程通用處理性能提升60%，多進程通用處理性能提升100%。

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

CPU執(zhí)行指令的過程中，由于指令供給不及時等，存在空閑指令。同時多線程就使得CPU核心“一心二用”，也就是在單位時間內執(zhí)行多個線程的更多指令，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，通過設計優(yōu)化提高性能的道路，標志著在弱一點的工藝條件下，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)，達到英特爾先進工藝的性能。

2013年，胡偉武就在反思，中國CPU和國外先進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？是設計能力不行還是工藝不行？

他認為，剛剛提到的43分，就相當于3A6000“研究生畢業(yè)”。并且當時龍芯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補課，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)達到市場主流水準。

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

此外，3C6000通過龍鏈技術實現(xiàn)了片間互聯(lián)，實現(xiàn)LS3D6000雙硅片32核64線程、LS3E6000四硅片64核128線程，支持GPGPU、各類加速器擴展。

胡偉武認為，龍架構指令系統(tǒng)是龍芯的一個貢獻，片間互聯(lián)就是龍芯的第二個貢獻，未來，龍芯中科都會開放。

龍芯中科突破片間高速互聯(lián)技術，對標的是nVLink、CXL，這也是破解Chiplet技術的關鍵。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、科學計算加速、AI加速三個功能，右邊是GPGPU的結構圖。

龍芯中科將基于2K3000的GPGPU技術及3C6000的龍鏈技術，研制專用GPGPU芯片。胡偉武認為，由本次發(fā)布的桌面處理器龍芯3A6000、在研服務器處理器龍芯3C6000和移動桌面終端處理器2K3000構成的龍芯“三劍客”已具有一定開放市場競爭力。

02.自主化優(yōu)勢轉化為軟件生態(tài)優(yōu)勢三大階段完成生態(tài)建設

指令系統(tǒng)是軟件生態(tài)的基礎，2020年，龍芯中科推出龍芯指令系統(tǒng)結構LoongArch，簡稱龍架構或LA架構，完成了自主知識產(chǎn)權評估。

胡偉武透露，構建龍架構軟件生態(tài)分三個階段。

首先是夯實基礎，龍芯中科的架構已經(jīng)得到國際開源軟件認可，開發(fā)者可以完全基于龍架構的國際開源軟件直接構建出完整的操作系統(tǒng)。其次，該框架得到了國內操作系統(tǒng)和基礎應用的認可和支持，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、騰訊會議、美團等應用。

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

龍芯中科已經(jīng)升級完成，目前正在做廣泛兼容，在龍架構上運行x86、Windows應用，但不能運行Windows，還有運行安卓應用。

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

在廣泛兼容方面，通過二進制方案運行x86應用，龍芯中科要架起兩座橋，一個是把x86的指令翻譯成龍架構指令，一個是把Windows接口翻譯成Linux接口。

龍架構的一大優(yōu)勢就是可以自由加指令，將不侵權的功能類似的指令加進去，翻譯時就相當于英文翻中文。

打印機驅動是Linux的一大難題，多數(shù)打印機只有Windows驅動，沒有Linux驅動?，F(xiàn)在龍芯架構可以支持95%以上的打印機。

通過二進制翻譯運行x86應用，龍芯生態(tài)可以運行絕大多數(shù)x86和Linux應用，用戶體驗流暢，對于x86/Windows應用可以大量運行。龍芯下一代處理器將完善對二進制翻譯的支持，如x87的80位浮點指令。

03.構建獨立于x86和Arm之外的生態(tài)體系

3A6000性能達到市場主流產(chǎn)品水平，龍芯架構的基礎軟件生態(tài)基本建成，龍芯中科要構建獨立于x86和Arm體系的自主信息技術體系。

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

胡偉武演講前面提到一個問題，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)品可以在市場實踐中不斷迭代，3A6000就是個例子。他補充說，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)勢轉化為性能和生態(tài)優(yōu)勢，與x86和Arm體系三足鼎立，形成新型信息技術體系和軟件生態(tài)。

04.結語：自研CPU任重道遠

以通用CPU、GPU為代表的計算芯片是算力的基石，是計算系統(tǒng)和信息基礎設施的核心，當下核心技術受制于人是我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大的隱患。近年來，以龍芯中科為代表的企業(yè)推動核心技術突破，使得國產(chǎn)芯片性能持續(xù)提升，供應鏈的可持續(xù)性、生態(tài)完備性上也取得進步。

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