今天，龍芯中科發(fā)布龍芯4000系列CPU芯片，分別為3A4000和3B4000。性能方面，3A4000/3B4000采用28nm FDSOI工藝，微架構(gòu)為GS464V核心，通用處理性能提升一倍以上，這將成為我國自主CPU發(fā)展史上又一新的里程碑。

據(jù)悉，龍芯4000系列進(jìn)一步完善對(duì)虛擬機(jī)的支持，效率達(dá)到95%以上。在相同主頻下，龍芯4000系列比3A3000的流水線效率提高50%，主頻提升至1.8GHz-2.0GHz。

龍芯中科總裁、中科院計(jì)算技術(shù)研究所總工程師、龍芯CPU首席科學(xué)家胡偉武博士介紹，龍芯4000系列是首次全面集成可信模塊、國內(nèi)密碼算法、訪問控制等安全機(jī)制的CPU芯片。

也就是說，龍芯4000系列處理器除了性能大幅提升之外，還擁有片內(nèi)安全機(jī)制和高效云化的特點(diǎn)。

據(jù)介紹，龍芯在2019年的芯片出貨量已超50萬顆。未來，龍芯中科將著重提升CPU主頻與核數(shù)，3A5000和3C5000兩款芯片將分別計(jì)劃在2020年上半年和下半年流片。

▲龍芯中科總裁、中科院計(jì)算技術(shù)研究所總工程師、龍芯CPU首席科學(xué)家胡偉武博士

一、我國自主CPU發(fā)展的里程碑

龍芯中科是國產(chǎn)自主高性能通用處理器技術(shù)領(lǐng)先者和產(chǎn)品提供商，搭載龍芯中科CPU的計(jì)算機(jī)已進(jìn)入政府采購目錄。

龍芯脫胎于中國科學(xué)院計(jì)算所，曾研發(fā)出我國首枚擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通用高性能微處理芯片。

CPU芯片長期被英特爾等國外巨頭所壟斷，龍芯先推出的龍芯1號(hào)、龍芯2號(hào)，打破了中國缺自主研發(fā)CPU芯片的歷史，是中國形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)道路上的一座里程碑。

從2001年至今，龍芯研發(fā)了龍芯1號(hào)、龍芯2號(hào)、龍芯3號(hào)三個(gè)系列處理器和龍芯橋片系列。

龍芯1號(hào)系列為32位低功耗、低成本處理器，主要面向低端嵌入式和專用應(yīng)用領(lǐng)域；龍芯2號(hào)系列為64位低功耗單核或雙核列處理器，主要面向工控和終端等領(lǐng)域；龍芯3號(hào)系列為64位多核系列處理器， 主要面向桌面和服務(wù)器等領(lǐng)域。

今天發(fā)布的龍芯3A4000是龍芯3號(hào)系列處理器的最新產(chǎn)品，據(jù)上一代龍芯3A3000發(fā)布已相隔兩年。

2017年時(shí)，龍芯年?duì)I收達(dá)1.5億元，利潤2000多萬元，2018年?duì)I收和利潤均比2017年翻番，利潤達(dá)到歷史最高水平，交的稅款已超過國家給龍芯各類補(bǔ)助的總和。

胡偉武表示，今年上半年龍芯收入已超過去年全年，利潤是去年全年的1.3倍左右，預(yù)計(jì)到2021年，龍芯交給國家的稅將超過之前所有的研發(fā)投入。

二、采用GS464v架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三大特點(diǎn)

龍芯3A4000是龍芯第三代高性能處理器核，采用新一代處理器架構(gòu)GS464V，擁有雙DDR4-2400/2133內(nèi)存通道，雙HT3.0系統(tǒng)總線，效率提升一倍。

性能方面，其主頻為1.8GHz，睿頻2.0GHz，采用37.5mm*37.5mm封裝工藝，典型功耗為30-40W。

據(jù)胡偉武介紹，龍芯3A4000主要有三方面特點(diǎn)：

1、相同工藝性能成倍提高

龍芯3A4000采用28nm工藝，進(jìn)一步通過設(shè)計(jì)優(yōu)化提升處理器性能，反映傳統(tǒng)桌面性能的SPEC INT2000的單核base分值，從930分提高到了2090分。

此外，它的科學(xué)計(jì)算性能與3A3000相比，提升了4倍以上，支持128/256位向量。而3B4000支持四路直連，與3B3000雙路服務(wù)器相比，四路服務(wù)器性能亦提升了4倍。

與此同時(shí)，龍芯3A4000的虛擬機(jī)效率大幅度提高，從原先的88%提升至98%。胡偉武稱，其單核性能已高于用14nm實(shí)現(xiàn)的Arm處理器。

2、片內(nèi)安全機(jī)制

龍芯3A4000支持AES、MD5、SHA等加解密算法，片內(nèi)集成安全可信模塊，支持國密算法。

此外，它支持操作系統(tǒng)內(nèi)核棧防護(hù)機(jī)制，支持IO防護(hù)、安全執(zhí)行環(huán)境等訪問控制，其高性能密碼算法服務(wù)能力支持商密及以上算法。

3、自主研發(fā)

龍芯3A4000的所有模塊源代碼和各類全定制模塊均為自主研發(fā)，除了廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)單元庫和內(nèi)存編譯器（Memory Compiler）外，沒有任何第三方IP。

除此之外，龍芯3A4000在功耗管理和封裝方面也有了進(jìn)一步提升。

一方面，它第五個(gè)核（GS132E）監(jiān)控主核運(yùn)行，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)功耗管理。例如，搭載龍芯3A4000的筆記本電腦工作時(shí)長比3A3000相比，提高了一倍以上；

另一方面，龍芯3A4000的封裝尺寸比3A3000更小，支持普通BGA、LGA和CBGA多種封裝形式，同時(shí)其桌面主板可支持四層布線。

值得一提的是，龍芯4000系列用于片間互連及連接橋片的HT控制器帶寬提高了一倍以上，內(nèi)存控制器從DDR3升級(jí)至DDR4，SPEC CPU2006定點(diǎn)和浮點(diǎn)單核分值提高到20分。

但胡偉武也指出，龍芯4000系列處理器依然存在兩大問題。

一是DDR4內(nèi)存頻率不夠高。DDR4規(guī)定的速率范圍是1600至3200，而龍芯4000系列最高DDR4工作速率為2400/2133，與規(guī)定范圍還存在一定差距。

二是功耗偏大。其非向量模式的典型功耗為30至40W，主要在于工藝不夠先進(jìn)，設(shè)計(jì)優(yōu)化比較極致，建議科學(xué)計(jì)算環(huán)境下使用256位浮點(diǎn)向量時(shí)，適當(dāng)降低電壓和頻率。

三、未來重點(diǎn)突破主頻與核數(shù)

胡偉武談到，龍芯的下一步將會(huì)把研發(fā)重點(diǎn)放在提高主頻與核數(shù)上。

一方面，龍芯3A5000將提高主頻至2.5GHz，采用12nm工藝，單核性能將提高至30分左右，計(jì)劃于2020年上半年流片。

同時(shí)，其內(nèi)存控制器延遲/寬帶進(jìn)一步優(yōu)化，LLC增加一倍，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)級(jí)二進(jìn)制兼容。

另一方面，龍芯3C5000將增加核數(shù)，同樣采用12nm工藝，支持4至16路服務(wù)器，計(jì)劃將于2020年下半年流片。

在胡偉武看來，目前國內(nèi)CPU企業(yè)發(fā)展核心技術(shù)主要有兩個(gè)途徑，一是市場換技術(shù)，如汽車產(chǎn)業(yè)；二是市場帶技術(shù)，如航天產(chǎn)業(yè)，而龍芯中科走的則是第二條路。

龍芯中科通過體制內(nèi)市場引導(dǎo)，帶動(dòng)技術(shù)進(jìn)步后，再進(jìn)一步參與體制外的市場競爭。同時(shí)，龍芯CPU自主編寫CPU源代碼，在應(yīng)用中不斷演進(jìn)，并注重自主CPU的自主生態(tài)建設(shè)，以逐步提高產(chǎn)品性能和完善生態(tài)。

雖然，龍芯發(fā)展至今已經(jīng)為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的崛起提供了不可或缺的力量。但胡偉武認(rèn)為，我國自主CPU與國外先進(jìn)水平相比，在通用處理能力、單核性能和設(shè)計(jì)能力三大方面還存在較大差距。

“龍芯需要練好內(nèi)功，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化提高單核通用處理性能。”胡偉武說到，3A4000和3B4000已基本填補(bǔ)單核通用處理性能的缺陷，性能提高2至3倍（約20-30分），達(dá)到AMD的水平。

而目前，市場主流CPU使用GCC編譯的單核分值為20至40分。

四、龍芯操作系統(tǒng)支持軟件生態(tài)建設(shè)

胡偉武談到，龍芯的操作系統(tǒng)目前具有兩種商業(yè)和技術(shù)模式。

面向?qū)ｉT企業(yè)，龍芯提供桌面和Windows服務(wù)器系統(tǒng)；面向設(shè)備企業(yè)，龍芯則基于基礎(chǔ)版開源OS維護(hù)，支持OS、整機(jī)和應(yīng)用企業(yè)。

實(shí)際上，龍芯已面向三大不同的平臺(tái)開發(fā)相應(yīng)的操作系統(tǒng)：

1、面向通用信息化系統(tǒng)的Loongnix。該系統(tǒng)基于通用Linux平臺(tái)進(jìn)行完善和優(yōu)化，為統(tǒng)一操作系統(tǒng)UOS龍芯版提供支撐。

2、面向高可靠實(shí)時(shí)終端的LoongOS。該系統(tǒng)基于Linux/RT-Linux構(gòu)建了簡潔高效的OS。

3、面向?qū)崟r(shí)嵌入式應(yīng)用的LoongWorks。該系統(tǒng)針對(duì)歷史應(yīng)用，基于VxWorks內(nèi)核，完善圖形和網(wǎng)絡(luò)等API。

另一角度看，龍芯操作系統(tǒng)針對(duì)不同的硬件和應(yīng)用，亦分別提出了兩種不同的二進(jìn)制兼容。

除此之外，胡偉武也提到，龍芯將進(jìn)一步統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)跨主板整機(jī)兼容和CPU代際兼容。

從龍芯3A4000開始，龍芯也將參考設(shè)計(jì)全面支持統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)，開發(fā)支持ACPI主板、固件、內(nèi)核及OS的參考設(shè)計(jì)，以及基于ACPI/EC筆記本標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。

結(jié)語：我國自主CPU研發(fā)的里程碑

龍芯中科經(jīng)過近二十年的發(fā)展，已經(jīng)成為我國國產(chǎn)自主高性能通用處理器的技術(shù)領(lǐng)先者，不僅打破了我國缺乏自主研發(fā)CPU芯片的歷史，同時(shí)也是我國形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)道路上的一座里程碑。

近二十年來，龍芯的自主CPU和OS已經(jīng)趨于成熟。胡偉武稱，龍芯CPU單核通用處理性能已達(dá)到AMD水平，OS成熟度也已接近Windows XP。

然而，龍芯尚未豐富的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)不配套，無疑是擺在自主CPU和OS未來發(fā)展道路上的一個(gè)阻礙。未來，龍芯如何完善基礎(chǔ)軟件環(huán)境和配套芯片，推動(dòng)CPU和OS生態(tài)的進(jìn)一步成熟發(fā)展，這十分值得我們期待。