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龍芯指令集,世界第三極

智能計算芯世界 ? 來源:智能計算芯世界 ? 2023-09-22 16:09 ? 次閱讀

國產CPU自主化先行者,基于LoongArch 自研指令系統實現芯片性能突破,國產替代成效漸顯,GPT+信創加持驅動增長駛入快車道。

中央處理器(CentralProcessingUnit,簡稱 CPU)本質是負責計算機運算和控制的超大規模集成電路。CPU 承擔耦合系統軟硬件資源的中樞作用:1)計算機系統中所有軟件層的操作,最終都將通過指令系統映射為 CPU 的操作;2)CPU 控制、調配所有硬件資源(如存儲器、輸入輸出單元),由控制單元實現指令讀取、指令譯碼,并通過運算單元執行數據加載、計算和回存任務。

CPU 是信息產業算力底座,生態體系上下游高度協同。CPU 生態體系是硬件和軟件的結合,是產業上下游交互的產物。

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指令系統是生態底層邏輯,可分為復雜指令集和精簡指令集。指令系統(ISA)屬于計算機中硬件與軟件的接口,可實現高級程序語言、匯編語言和機器語言的連接,最終編譯為 CPU 可執行的簡單指令,按照指令復雜程度可分為復雜指令集(CISC)和精簡指令集(RISC)。Intel 在 1978 年推出的 X86 架構是目前唯一的 CISC,其指令復雜、性能卓越、功耗較大,產業生態龐大且完善;以 ARM、MIPS、RISC-V、LoongArch 架構為代表的RISC 對指令集進行了高度優化,具備結構簡單、功耗低、體積小、多核并行運算等優勢,已全面覆蓋移動設備和嵌入式終端等應用場景。

微架構是執行指令集的物理電路設計,決定了芯片性能和自主創新程度。主流 ARM架構授權模式分為三類:1)使用層級授權,僅限 IP 核嵌入終端;2)IP 核授權,以內核為基礎延展外設;3)架構層級授權,可對指令集進行擴展或縮減,并形成專向化的各類 IP核。X86 架構相對封閉,目前架構層級授權僅對 Intel 和 AMD 開放,目前國產廠商龍芯和申威分別基于 MIPS 和 Alpha 架構開發出了完全自主創新的 LoongArch 和 SW 架構。

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CPU 行業由兩大生態體系主導:一是基于 X86 指令系統和 Windows 操作系統的Wintel 體系;二是基于 ARM 指令系統和 Android 操作系統的 AA 體系。PC 時代,以IBM 代表的軟硬一體化模式被英特爾和微軟所打破,二者在軟硬耦合的前提下,遵循“摩爾定律”和“安迪-比爾定律”滾動迭代,即計算芯片和存儲器每 18-24 個月實現硬件性能的翻倍,同時 Windows 操作系統凝聚海量開發者,軟件不斷升級支撐應用創新,最終構成穩固的生態壁壘。移動互聯網時代終端設備延續了 PC 發展規律,ARM 憑借其指令系統開源、異構運算、可定制化等一系列優勢,成功立足于低功耗的移動市場。

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CPU 呈雙巨頭格局,國產 CPU 市場份額較低。國際市場上主流的 CPU 公司都經歷了長期的技術和市場積累,Intel 和 AMD 幾乎形成壟斷,國內同行業的廠商仍處于成長階段,與國際主流廠商依舊存在技術差距。據 PASSMARKSOFTWARE 統計,截至 2022Q4,以出貨量計算的整個 X86CPU 市場中,Intel 的市場份額為 62.8%,AMD 的市場份額為 35.2%。

新技術和新架構為國產 CPU 發展帶來良好契機,自主研發更有潛力。1)處理器性能升級趨勢放緩,國產 CPU 來自制程、工藝方面的技術差距將逐步彌合,自研的微架構層級和軟件生態上的創新或能成為國產 CPU 性能實現彎道超車的關鍵變量。2)5G、云計算、人工智能等新一代信息技術加快落地,“萬物智聯”時代智能設備應用場景更趨于碎片化,對處理器產生專用定制化需求,結構簡單的自主化開源指令系統(LoongArch、RISC-V)未來也將成為中小企業開發的重要選項,擺脫 Wintel 和 AA 生態的歷史包袱。

國產 CPU 發展基于兩條主流路線:一是自主研發指令系統并構建相應生態體系;二是經已有 X86/AMD 架構授權,加入相應主流體系。國產 CPU 企業目前主要有 6 家,分別是龍芯中科、電科申泰、華為海思、飛騰信息、海光信息、上海兆芯。按采用的指令系統類型可大致分為三類:第一類包括龍芯中科和電科申泰,早期曾分別采用 MIPS 兼容的指令系統和類 Alpha 指令系統,現已分別自主研發指令系統。第二類包括華為海思和飛騰信息,采用 ARM 架構層級授權,自主性較強。第三類包括海光信息和上海兆芯,采用 X86指令系統。目前國產 CPU 企業在指令系統、微架構和基礎生態上實現了不同層次的自主創新,其中龍芯中科和電科申泰自主性最高。

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國產 CPU 廠商業務集中在黨政和重點行業市場。國內 CPU 市場主要分為三類:政務及重點行業市場、企業級市場以及消費級市場。政務及重點行業市場對安全性和定制化的要求最高,對產業生態的要求較低,與國產 CPU 當前的發展現狀契合,是近期國產 CPU的核心市場。企業級市場對產業生態的要求高于政務但低于消費級市場,是國產 CPU 未來重要的增量市場。消費級市場對產業生態的要求最高,對性價比較為敏感,迭代周期短,是國產 CPU 長期需突破的目標市場。

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推出的自主指令集 LoongArch 遷移或研發操作系統的核心模塊,包括內核、三大編譯器(GCC、LLVM、GoLang)、三大虛擬機(Java、JavaScript、.NET)、瀏覽器、媒體播放器、KVM 虛擬機等,形成了自主 CPU 研發和軟件生態建設的體系化關鍵核心技術積累。堅持自主研發核心IP,形成了包括系列化 CPUIP 核、GPUIP 核、內存控制器及 PHY、高速總線控制器及PHY 等上百種 IP 核,取得 400 余項專利,是國內 CPU 企業中極個別可進行指令系統架構及 CPUIP 核授權的企業。通過設計優化和先進工藝提升性能,擺脫對最先進工藝的依賴,通過自主設計 IP 核,克服境內工藝 IP 核不足的短板。目前與公司開展合作的廠商達到數千家,下游開發人員達到數十萬人,基于龍芯處理器的自主信息產業生態體系正在逐步形成。

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基于 LoongArch 指令系統的 CPU 產品性能有效突破。根據工業和信息化部下屬測試機構提供的說明,公司的 3A5000 芯片在國產同類桌面 CPU 中處于性能領先水平。與采用相同工藝節點的同類產品相比,3A5000 在 SPECCPU 整型/浮點單核性能、Unixbench 單線程測試分值等各項性能參數方面占優,與采用領先 3A5000 兩個工藝代制程的 ARM 架構桌面產品性能相當。作為一款四核 CPU,3A5000 的 Unixbench 多線程測試分值甚至超過采用X86 和 ARM 架構的相同工藝節點的可比公司八核桌面產品。

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原文標題:龍芯指令集,世界第三極

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