國內處理器的指令集體系及技術來源資料下載

龍芯并非最早的國產(chǎn)處理器，也不是最成功的國產(chǎn)處理器，但提到國產(chǎn)處理器，大家第一個想到的恐怕就是龍芯了，它是曝光率最高的國產(chǎn)處理器，而且考慮到它是中科院計算機所研發(fā)的，其血統(tǒng)的純正性更容易成為國產(chǎn)處理器的代表。 國產(chǎn)處理器“取代”Intel、AMD等國際公司的處理器一直是國家的戰(zhàn)略和夢想，如今在太湖之光計算機上算是真正圓夢了，不過當初的新聞報道中筆者也看到了評論中很多人對國產(chǎn)處理器的批評，這個問題也是影響國產(chǎn)處理器發(fā)展的一個重要因素，因為生態(tài)體系的缺乏，中國發(fā)展自己的處理器也只能是“摸著石頭過河”，這個石頭就是國外已經(jīng)發(fā)展的處理器指令集，但這種路線又很容易被不明真相的圍觀者嘲諷——都用了別人的指令集了，怎么還敢叫自主產(chǎn)權? 多年前龍芯處理器的架構師胡偉武博士也解釋過：“我們CPU也是可以做世界第一的，而且有，關鍵就是沒法用，用戶不用你?！避浖鷳B(tài)的現(xiàn)實決定了國產(chǎn)處理器不可能從0開始研發(fā)，在這方面日本80-90年代通過TRON計劃研制通用OS、CPU但最終失敗的例子可以說是前車之鑒，反而C919大飛機這種國際化分工合作的模式容易獲得成功。 今天我們就來簡單了解下國內處理器的指令集體系及技術來源。根據(jù)公開來源，筆者能找到的有代表性的國產(chǎn)處理器方案主要有龍芯、申威、兆芯、飛騰、宏芯以及智能手機/平板領域發(fā)展最好的海思、展訊、全志等，他們所用的架構涉及X86、ARM、MIPS、Power及SPARC、Alpha等，如下圖所示： 龍芯：血統(tǒng)純正的中國芯，商業(yè)化不盡如人意 龍芯并非最早的國產(chǎn)處理器，也不是最成功的國產(chǎn)處理器，但提到國產(chǎn)處理器，大家第一個想到的恐怕就是龍芯了，它是曝光率最高的國產(chǎn)處理器，而且考慮到它是中科院計算機所研發(fā)的，其血統(tǒng)的純正性更容易成為國產(chǎn)處理器的代表。 龍芯課題組于2001年成立，不過龍芯處理器的正式誕生之日是2002年8月10日，在計算所長李國杰院士的領導下，龍芯之父胡偉武博士及其團隊拿出了龍芯1號處理器，當年他還寫過《我們的龍芯1號》一文介紹龍芯的研發(fā)歷程，小編當年也看過這篇文章，記憶猶新的是龍芯的中文代號是“狗?！?，源于中國人“賴名好養(yǎng)活”的習俗，不過也可以看出團隊對龍芯處理器的未來雖然有期待，但當時應該是挺擔心這個項目的未來發(fā)展的，只是龍芯的英文名就非常高大上了——Godson，上帝之子! 龍芯一出世就頂著自主研發(fā)的美名，但是沒多久就被爆出龍芯的指令集實際上是源于MIPS，也就是說是買來的，這讓龍芯瞬間被千夫所指，研發(fā)團隊也背負了罵名和壓力，胡偉武博士也解釋過為何選擇MIPS指令集，前面說的“用戶不用你”就是根本原因，自建一套軟件生態(tài)系統(tǒng)對中科院這樣的學術單位來說是不可能的任務。 對龍芯的第二個質疑在于他們選擇了MIPS指令集而非現(xiàn)在大紅大紫的ARM指令集，不過時間回溯到2000年代(龍芯立項研發(fā)的時代可能更早一些)，當時的ARM可沒有如今這般強勢，而MIPS在大學、科研單位有良好的基礎，龍芯團隊選擇MIPS也是情有可原。 不管怎樣，龍芯這個項目算是活下來了，從最初的龍芯1到目前的龍芯3已經(jīng)發(fā)展了三代了，每一代其實又衍生出了多個版本，從單核、雙核到四核、八核，從180nm工藝到28nm工藝，從雙發(fā)射到四發(fā)射，龍芯處理器的架構、規(guī)格、頻率、性能都在不斷進步，龍芯3B2000甚至號稱性能達到了Intel Ivy Bridge處理器的水平，其指令集其實已經(jīng)遠遠超出了MIPS范疇，加入了很多龍芯團隊自己開發(fā)的指令，比之前的產(chǎn)品增加了500多條自定義龍芯擴展指令，可用于實現(xiàn)對其他主流指令系統(tǒng)的二進制翻譯兼容，另外存儲訪問和I/O效率也有大幅的提高，還有一點就是軟硬件將保持向前兼容。 但是龍芯也不是沒有槽點，大多數(shù)龍芯處理器其實活在了中科院給外界展示成果的展臺上，盡管多年來大家對龍芯抱以期待，中科院甚至讓旗下的江蘇夢蘭集團參與成立中科龍夢公司加速商業(yè)化，也推出了靈瓏/福瓏/逸瓏臺式機、筆記本等產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品大都曇花一現(xiàn)，性能無法達到主流水平，很快就被人給忘記了。 申威/飛騰：最成功的國產(chǎn)處理器，軍方的秘密武器 申威和飛騰盡管選擇的處理器路線不同，不過這兩家要放在一起說了，因為這兩家背后有軍方背景，申威處理器是無錫江南計算技術研究所研發(fā)的，后者也是總參謀部第五十六研究所，它有個名字是上海高性能集成電路設計中心，而天津飛騰是國防科大旗下的。此外，早前我們還報道過一家名為PhyTIum公司在去年的Hotchips 2015會議上推出了代號為Mars(火星)的多核處理器，這家公司是廣州飛騰，據(jù)說也是國防科大下屬的，但跟研發(fā)飛騰FT處理器的天津飛騰又不是一家單位。 回到正題，江南所在計算機技術研究上也是老資歷了，不過在處理器指令集上他們的選擇看起來有點非主流——DEC公司的Alpha 21264指令集，在技術上Alpha有獨特之處，DEC當年在處理器市場也曾叱咤風云，AMD的K7架構就有部分技術源于Alpha架構，AMD上上上任CEO德克·梅爾(Dirk Meyer)就來自DEC公司，去年辭職走人的Zen架構之父Jim Keller也曾在DEC公司研發(fā)Alpha架構。 如今DEC公司早就煙消云散，公司幾經(jīng)轉賣，微軟在Win2000之后也放棄了對Alpha架構的支持，Alpha架構也早就不再更新了，專利也過期了，這可能是江南所選擇Alpha架構的原因之一。2011年濟南的超算中心部署了神威藍光，它所用的處理器就是神威SW1600，16核心，現(xiàn)在的資料都認為它是基于專利已經(jīng)過期的DEC ALPHA 21164A EV-56架構。 申威SW26010處理器是260核心 這次的太湖之光的神威SW26010處理器也是江南所研發(fā)的，雖然大家猜測它還是Alpha指令集，但跟龍芯后續(xù)架構類似，申威SW26010的架構、指令集已經(jīng)遠遠超出了之前的范疇，加入了很多新指令。這次的SW26010就是260核心眾核架構，亂序執(zhí)行架構，頻率1.45GHz，整個處理器包括4個MPE(Management Processing Element)管理單元、4個CPE(CompuTIng Processing Element)計算單元及4個MC內存控制器單元組成，其中CPE單元又由8x8陣列的64核心組成，所以總計是260個核心(4x64 4=260)。 與其他國產(chǎn)處理器相比，申威系在性能上完全走在了前列，在世界范圍內都是靠前的，SW26010的理論浮點性能高達3TFLOPS，其性能完全可與Inel最新的Xeon Phi加速卡一拼。不過申威處理器的不足之處在于內存系統(tǒng)，太湖之光性能達到天河2號三倍的同時總內存反而從1.4PB降低到了1.31PB，每個節(jié)點使用了四路128bit DDR3-2133內存，帶寬為136GB/s，這一點上不如Intel的Xeon Phi加速卡，后者自身集成了16GB eDRAM緩存，帶寬超過500GB/s，而且早就支持DDR4內存了。 再來說下飛騰，天津飛騰研發(fā)的FT系列處理器也在HPC領域有過應用，不過飛騰FT處理器用的架構更雜亂，從公開資料來看第一代FT處理器兼容于Intel安騰2指令集，第二代FT-64處理器在銀河計算機中有過使用，第三代產(chǎn)品FT-1000則是基于開源的UltraSPARC架構，8核64線程，在天河1號計算機的節(jié)點網(wǎng)絡上有使用。 之后的FT-1500還是基于SPARC架構，制程工藝從65nm升級到了40nm，16核心128線程，在天河2號超算中使用了4096顆FT-1500處理器作為節(jié)點前端處理器。 最新的FT-1500A雖然名字跟上面的類似，但實際上沒什么關系了，因為它的架構變成了ARM 64位，使用的是28nm工藝。據(jù)天津飛騰總經(jīng)理谷虹介紹，F(xiàn)T-1500A系列處理器是64位通用CPU，兼容ARM V8指令集，采用國際先進的28nm工藝流片，具有高性能、低功耗等特點，關鍵技術國內領先，可實現(xiàn)對Intel中高端“至強”服務器芯片的替代，并廣泛應用于政府辦公和金融、稅務等各行業(yè)信息化系統(tǒng)之中。 不論是申威還是飛騰，這兩家軍方背景的國產(chǎn)處理器單位因為目標明確，可以說是國產(chǎn)處理器中做的最成功的——不論性能還是架構設計都有獨特之處，申威處理器不僅有硬件研發(fā)，還在編譯器及Linux操作系統(tǒng)(神威睿思)上做了創(chuàng)新，太湖之光這次有三項應用入圍戈登貝爾獎，這也得歸功于江南所在超算應用上的努力。 中晟宏芯：借力藍色巨人IBM，Power架構能撐起一片天? 通用處理器架構也曾百花齊放，Intel當年面對的對手比現(xiàn)在多得多，但X86現(xiàn)在差不多一統(tǒng)天下了，能跟Intel競爭的公司就更少了，強大如IBM這樣擁有Power架構的公司也不行了，他們索性于2013年聯(lián)合NVIDIA、泰安電腦等公司成立OpenPower開放聯(lián)盟，其他公司也可以獲得Power架構授權。此后在2014年還推動成立中國POWER技術產(chǎn)業(yè)生態(tài)聯(lián)盟，IBM與多家中國公司簽署了授權協(xié)議，中晟宏芯就是其中的一家。 IBM的Power架構一度成為國產(chǎn)處理器的希望 中晟宏芯成立于2013年，發(fā)起人是江蘇夢蘭集團、江蘇中晟智源、蘇州高新創(chuàng)業(yè)投資集團，夢蘭集團之前我們說過是中科院旗下的公司，而后兩者可以說是江蘇政府代表，因此中晟宏芯獲得Power架構技術得到了工信部及江蘇政府、中科院計算所的支持，計算所甚至派了一個技術團隊，如果一切都能按照預定的引進、消化、吸收，中晟宏芯應該在2019年推出國產(chǎn)化的Power處理器。 但是事與愿違，中晟宏芯雖然很快就推出了CP1處理器，但這只是IBM Power 8處理器的馬甲而已，還沒等這家公司消化Power技術，他們就鬧出了欠薪風波，中科院派出的技術人員發(fā)不出工資，此后公司也不斷動蕩，股東發(fā)生變化，人員也波動頻繁，指望中晟宏芯推動Power架構國產(chǎn)化是沒希望了。 此外，IBM的Power架構在國內銀行等關鍵行業(yè)有重要應用，而且Power處理器性能強勁，是個好東西，但真要引進消化也沒這么容易，以Power 8架構為例，它是12核心96線程，核心面積達到了650mm2，復雜度遠高于普通處理器，再加上原本使用的是IBM自己的22nm SOI工藝，而SOI工藝已經(jīng)沒多少代工廠搞了(GlobalFoundries用過，28nm節(jié)點放棄，后來又繼承了IBM的衣缽)，這無疑增加了Power處理器的國產(chǎn)化難度。 ·兆芯/海光：中國能用X86技術打敗Intel、AMD? 前面提到的國產(chǎn)處理器中，除了軍方背景的申威、飛騰之外，基于MIPS、SPARC以及Power架構的處理器發(fā)展過程都是一波三折，他們面臨的核心問題也是一樣的——軟件生態(tài)遠不如X86。既然大家都能注意到這個問題，那中國為什么不直接選擇X86體系呢?這是個好問題，你還別說，國內還真有搞X86架構的。 國內較早跟X86架構授權有關的是北大微電子中心，2005年AMD跟中國政府達成了協(xié)議，科技部指定北大微電子中心接收AMD Geode-2處理器技術授權，北大微電子中心還把這事作為重點宣傳，表示“這是美國歷史上，第一次向在美國境外授權開發(fā)X86兼容的微處理器及系統(tǒng)芯片。此次合作也是迄今為止中美半導體領域最具影響力的技術合作?！? AMD給的這個處理器是X86架構的，中國因此獲得了X86技術，不過Geode處理器大部分人是沒聽說過的吧，因為這是AMD嵌入式處理器，其最初起源于Cyrix公司的MeidaGX平臺，后來Cyrix這部分業(yè)務被國家半導體(NS)收購，2003年AMD又把國家半導體的Geode業(yè)務收了。 AMD授權給北大的X86技術顯然不可能是最頂級的，所以選了嵌入式架構給中國，不過這點“施舍”已經(jīng)可以讓北大好好裝一下了，很多人恐怕不記得還有北大眾志處理器吧，原先也是做MIPS架構，得到AMD授權之后，他們的PKUnity86-3就是X86兼容處理器，但最后也是不了了之，也只活在了展臺上，現(xiàn)在都沒什么消息了。 說得有點遠了，回到正題上來。由于X86架構是AMD、Intel吃飯的家伙，他們通常是沒可能把技術授權給別人的，AMD之前那個例子更多地是拿買來的技術迎合中國市場而已，中國公司從這兩家獲得X86技術的可能性幾乎沒了。不過我們別忘了X86技術實際上并非只有AMD和Intel，VIA威盛公司也有X86授權的，他們的技術來源于Cyrix，后者又是Intel當年對外授權X86技術的幾家公司之一。 在當年的Intel反壟斷案和解之后，VIA的X86技術也算是正當化了，但是VIA自己是個小公司，沒法玩轉高性能X86架構的，他們出的Nano、Nehemiah(尼希米)、Esther(以斯帖)、Isaiah(以賽亞，VIA總經(jīng)理陳文琦、王雪紅夫婦是基督徒，產(chǎn)品代號也很有宗教特色)等處理器雖然不乏特色，但因為制造工藝不能跟Intel相比，架構和性能也是不能相提并論的。既然沒有市場了，那VIA索性把X86技術賣給了大陸的上海兆芯公司。 兆芯這家公司也是很有背景的，2013年由上海國資委旗下的聯(lián)和投資與VIA成立的，注冊資本2億美元，上海出資80%，VIA占股20%。這次的合作顯然是大陸出錢，VIA出技術，因為兆芯的業(yè)務范圍包括X86 CPU、ARM CPU、GPU及芯片組研發(fā)都是VIA現(xiàn)有的，上海國資委下面的投資公司可沒這技術。 憑借雄厚的背景，兆芯如愿拿下了國家的核高基項目，根據(jù)公開報道兆芯拿到的核高基補貼高達56億，后續(xù)還在申請，總額高達70億。至于回報，兆芯號稱自主研發(fā)的ZX-C處理器于2015年4月量產(chǎn)，28nm工藝，四核處理器，主頻可達2.0GHz，TDP功耗僅為18W，并且支持國密算法加密，但兆芯的CPU基本上都是VIA處理器的馬甲，畢竟從成立到拿出產(chǎn)品只有2年左右的時間，這么快就生產(chǎn)出四核X86處理器并不容易。 除了上海兆芯，國內另一家獲得X86技術授權的是天津海光，這事還得從AMD說起，今年Q2季度財報公布之后，AMD宣布他們跟中國天津海光投資公司達成了協(xié)議，將X86技術授權給海光公司，獲得2.93億美元的授權費，雙方還會成立合資公司。 目前有關AMD、海光的X86授權協(xié)議還不明確，但AMD這次授權給中國公司的X86很可能不再是低端的，因為AMD要打開中國高性能服務器市場，授權的架構很可能是高性能的Zen技術，換句話說AMD有可能給了中國公司最尖端的X86技術，如果真是如此，AMD這一次可真的是拼了。 海思：商用市場的成功才是真成功 這里雖然選擇了華為的海思，不過筆者要說的其實是海思、展訊、全志、瑞芯微等一幫民營公司開發(fā)的處理器，選擇海思作為代表，是因為海思是其中的佼佼者。這些公司雖然沒多少背景(海思背后的華為算是大公司，是個例外)，但他們恰恰是商業(yè)化最成功的國產(chǎn)處理器，這點跟前面介紹的其他處理器不同。 商業(yè)公司以市場為導向，不必背負什么國產(chǎn)、自主產(chǎn)權的壓力，他們無一例外選擇了最熱門的ARM體系，架構也多是購買的ARM公司的Cortex-A系列授權，GPU也是花錢授權的，海思還可以研發(fā)自己的基帶及ISP、DSP等芯片，目前的麒麟950處理器是首款Cortex-A72核心、Mali-T880 GPU及TSMC 16nm Plus工藝處理器，已經(jīng)具備國際先進水平。 總結： 以上介紹的國產(chǎn)處理器中，他們大體可以寫分為學院派、軍方派、國資派及民營派，其中商業(yè)化最好的顯然是民營派，國內廠商在手機/平板SoC處理器上已經(jīng)闖出一片天，軍方派的飛騰、申威因為目標明確，實際上發(fā)展的也相當成功，申威SW26010在眾核架構上也具備世界水準了。不能讓人滿意的要屬學院派及國資派了，龍芯被寄予厚望，但市場化舉步維艱，考慮到MIPS指令集的應用場合，龍芯進入主流市場是沒可能了。 『本文轉載自網(wǎng)絡,版權歸原作者所有,如有侵權請聯(lián)系刪除』 (mbbeetchina)