龍芯研發(fā)出 “自主” 又“兼容”的 LoongArch 指令集

8 月 13 日，在每兩年一度的全國計算機體系結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會（ACA2020）上，龍芯中科董事長、中科院計算技術(shù)研究所研究員胡偉武作了名為《指令系統(tǒng)的自主與兼容》的特邀報告。

在報告中，他透露了龍芯的新動向——研發(fā)既 “自主” 又“兼容”的 LoongArch 指令集。如果最終達(dá)成目標(biāo)，這將是一個自帶 “完整” 生態(tài)，且中國人能牢牢掌握的體系。

關(guān)于該事件的討論一度登上知乎熱榜，一位資深業(yè)內(nèi)人士告訴 DeepTech ：“LoongArch 的計劃已經(jīng)提了很長時間，由于近期‘?dāng)喙瘑栴}形勢嚴(yán)峻才特別凸顯。其實業(yè)內(nèi)一直想推出中國自有指令集系統(tǒng)，但奈何各方利益交錯，長期達(dá)不成共識，目前或許是一個契機。”

自主研發(fā) VS 選邊站隊

美國驢象兩黨，在很多方面都意見相左，但在對待中國的態(tài)度上卻少有地達(dá)成一致。可以預(yù)見，未來，不管特朗普連任與否，都不能幻想美國人的對華政策有較大變化。

目前，“構(gòu)建獨立于Wintel 體系(Windows+Intel)和AA 體系(ARM+Android)的安全可控的信息技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)”已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略。

要達(dá)成這一目的，“芯片”的問題是無法繞過的。而芯片難題又分為兩個小點：一是 CPU 的指令集架構(gòu)，一是生產(chǎn)的工藝制程。本文不談工藝問題，只談前者。

指令集架構(gòu)，又稱指令集或指令集體系，是計算機軟件運行的基礎(chǔ)設(shè)施。指令集的指令轉(zhuǎn)換成機器碼之后即直接與 CPU 發(fā)生交互，是比匯編語言更加底層的封裝。

圖 | 該指令含義為：將地址 2 的值與常量相加，然后寫入到地址 1

目前，仍然活躍在商業(yè)領(lǐng)域的指令集分成兩大類：以 ARM、RISC-V 及 MIPS 為代表的精簡指令集（RISC），以 X86 為代表的復(fù)雜指令集（CISC）。這里的精簡和復(fù)雜可以簡單理解為所包含指令數(shù)目的多少。

使用 X86 架構(gòu)的廠商是大名鼎鼎的 Intel 和 AMD，該架構(gòu)為 Intel 首創(chuàng)，由于歷史原因形成了現(xiàn)在的兩強局面。值得注意的是，X86 架構(gòu)基本不再對外授權(quán)。

ARM 指令集的產(chǎn)品眾多，由于其在功耗方面的優(yōu)勢，幾乎所有的智能手機（蘋果、安卓）、平板、便攜智能設(shè)備，都要向 ARM 購買授權(quán)，在商業(yè)上 ARM 是成功的。目前 ARM 隸屬于日本的軟銀，不過已有傳聞 NVIDIA 將收購 ARM，屆時 ARM 將歸屬美國。

RISC-V 比較特殊，屬于開源（僅ISA）指令集架構(gòu)，也就是說 RISC-V 指令集可以自由地用于任何目的，允許任何人設(shè)計、制造和銷售 RISC-V 芯片和軟件，而不必向任何公司支付專利費用。

中國，是最追捧 RISC-V 的國家，沒有之一。

追捧到什么程度呢？RISC-V 官網(wǎng)顯示，其首席會員一共十名，其中中國公司、組織占了八席，他們分別是：阿里巴巴、晶心科技（臺灣省）、華為、中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所、中國科學(xué)院軟件研究所、RIOS（清華 - 伯克利深圳研究院）、中興微電子和賽昉科技（SiFive 中國）。

圖 | RISC-V 首席會員

雖然 RISC-V 屬于全球性非盈利組織，理論上不會出現(xiàn)被 “卡脖子” 的情況，但該組織的核心管理者基本是美國人，且目前碎片化嚴(yán)重，很多有用高效的指令無法加入到主分支之中。總之，中國想要在這個體系掌握主導(dǎo)權(quán)，目前看來暫無可能。

最后，終于要說到龍芯使用的 MIPS。

它依舊屬于一家美國公司，龍芯是其最大客戶。該公司因戰(zhàn)略誤判，逐漸衰落，后幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)，被多次收購，開發(fā)人員也流失嚴(yán)重，目前已經(jīng)無力進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)迭代。不夸張地說，如果沒有龍芯，MIPS 已死。但就是這樣一家公司，龍芯想要收購接盤，也一直沒能得到美國政府的批準(zhǔn)。

綜上，X86 不授權(quán)，ARM 嚴(yán)格授權(quán)，中國此前一直把寶押在 RISC-V 和 MIPS 上。

胡偉武說道，自主和兼容這兩條路線已經(jīng)爭論了 15 年，兼容的好處是自帶生態(tài)，但劣勢是處處受制于人，并且會嚴(yán)重阻礙以 “操作系統(tǒng)” 為代表的基礎(chǔ)軟件軟件發(fā)展。他認(rèn)為，我們不可能基于國外的指令系統(tǒng)建立自主生態(tài)。

“龍芯曾經(jīng)選擇 MIPS 授權(quán)，覺得比較開放，還可以自主加指令，所以走了好多年。本以為可以通過比較弱勢的 MIPS 或者基于開源的 RISC-V 來構(gòu)建自己的生態(tài)，但最近發(fā)生的很多事情，讓我們認(rèn)識到，即使對方再弱小，也會在商業(yè)上對我們造成很大的干擾。”

所以，擺在龍芯面前的恐怕只剩下建立自己的指令集這一條路了。

兼容并濟，海納百川

完全自主，說起來容易，做起來難；做出一款能用產(chǎn)品容易，但做出一款大家都用的產(chǎn)品難。有沒有可能既獨立自主，又能兼顧現(xiàn)在的主流生態(tài)呢？

胡偉武的答案是“有”。就是研發(fā)兼容各大指令集架構(gòu)的自主指令集架構(gòu)。

胡偉武表示，這條路是完全可行的。

首先，基礎(chǔ)軟件方面，BIOS（PMON/UEFI）、內(nèi)核（Linux/VxWorks）的遷移，工作量不大；匯編器及編譯器（GCC、LLVM、GOLANG）的工作量是可控的；整個操作系統(tǒng)重新遷移和編譯工作量也不大，直接把 MIPS 匯編語言編譯成自主指令系統(tǒng)即可。

其次，動態(tài)翻譯虛擬機方面，Java、JavaScript、.NET 三大虛擬機，龍芯均可獨自完成遷移，完成之后可以直接運行各自的應(yīng)用程序而無須修改。

最后，二進(jìn)制翻譯方面，主要針對 X86、ARM 及 MIPS。QEUM 已經(jīng)可以實現(xiàn)，關(guān)鍵在于提高其運行效率。

目前，龍芯已經(jīng)完成了自主指令集的規(guī)劃，包含基礎(chǔ)指令 337 條、虛擬機拓展指令 10 條、二進(jìn)制翻譯擴展指令 176 條、128 位向量擴展 1024 條、256 位向量擴展 1018 條，合計 2565 條。值得注意的是，因增加二進(jìn)制翻譯指令而導(dǎo)致的 CPU 面積和延遲開銷幾乎可以忽略不計。

胡偉武解釋道，二進(jìn)制翻譯硬件支持主要涉及定點運算和訪存地址計算，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，硬件的開銷面積大概增加了 1% 到 2%，而延遲方面的開銷幾乎沒有。

在報告中，胡偉武給這一系列的操作稱之為“體系結(jié)構(gòu)翻譯”，并作了生動類比。

圖 | 語言文化 & 計算機體系結(jié)構(gòu)

他說，我們現(xiàn)在所要達(dá)到的效果是語言級翻譯，實現(xiàn)難度根據(jù)架構(gòu)而有所不同。

舉個例子，將繁體中文翻譯成簡體中文非常簡單，將法文翻譯成英文也比較簡單，但要把英文翻譯成中文相對困難。

技術(shù)的發(fā)展給二進(jìn)制翻譯帶來了新的機遇。第一，硬件資源得到了極大的豐富。晶體管、CPU 性能都出現(xiàn)了過剩的情況。第二，虛擬機技術(shù)快速發(fā)展。二進(jìn)制翻譯本質(zhì)上是一種跨指令系統(tǒng)的虛擬機，支持虛擬機的很多基礎(chǔ)設(shè)施，在二進(jìn)制翻譯體系可以復(fù)用。

也許有人會問，二進(jìn)制翻譯固然可以兼容現(xiàn)有的指令集，但會不會存在法律問題呢？

胡偉武認(rèn)為，目前國際上的確存在不同看法，但美國等發(fā)達(dá)國家法律普遍認(rèn)為不構(gòu)成侵權(quán)。歷史上，IBM、HP、Intel、Appel、Transmeta、QualComm、NVIDIA 都采用過這個技術(shù)來協(xié)助推新架構(gòu)，并且 Transmeta 曾打贏了與 Intel 官司。

在基本謀定了方案之后，龍芯已經(jīng)開始行動，并已經(jīng)取得了初步成果。

龍芯的二進(jìn)制翻譯系統(tǒng)名為LAT（Loongson Architecture Translator）。胡偉武為這個系統(tǒng)定了一個 “十九八七” 的預(yù)定目標(biāo)。

圖 | LAT“十九八七”規(guī)劃

胡偉武曬出了一張圖表，這張表的唯一變量只有指令體系架構(gòu)，微結(jié)構(gòu)一模一樣。

可以看到，僅更換為 LoongArch 指令架構(gòu)，處理器的定點性能就提升了 16.6%，浮點性能提升了 9.4%。

圖 | LoongArch VS MIPS（SPEC CPU2000 Train 運行時間 FPGA 20MHz）

在 Linux 進(jìn)程級 MIPS 二進(jìn)制翻譯方面，胡偉武拿出一份專門為本次報告臨時跑出的結(jié)果，他表示很多軟件庫還沒有完善，優(yōu)化工作也沒有完成。但從結(jié)果來看，一兩個月能達(dá)到這個效果，完成 100% 的預(yù)定目標(biāo)應(yīng)該不成問題。

圖 | Linux 進(jìn)程級 MIPS 二進(jìn)制翻譯效果（SPEC CPU2000 Train 運行時間 FPGA 20MHz）

Linux 進(jìn)程級 X86 二進(jìn)制翻譯效果，同樣是未完善的數(shù)據(jù)，可以看到定點性能達(dá)到原生的 44.4%，浮點性能達(dá)到原生的 58.5%。雖然，相較 QEMU 這個成績已經(jīng)非常不錯，但離預(yù)定目標(biāo)的 80% 仍有很大差距。

圖 | Linux 進(jìn)程級 X86 二進(jìn)制翻譯效果（SPEC CPU2000 Ref 運行時間 龍芯 3A4000 1.8GHz）

在報告中，胡偉武匯報了目前 LoongArch 指令系統(tǒng)的工作進(jìn)度。

他表示，目前已完成龍芯 GS132、GS264、GS464 三大系列 IP 核指令系統(tǒng)修改?；?LoongArch 的某龍芯 CPU 已于 2020Q2 交付流片，預(yù)計 2020Q4 樣片。

基礎(chǔ)軟件 OS 方面，已經(jīng)完成 BIOS、編譯器的內(nèi)核改造，可以在 FPGA 平臺上運行 SPEC CPU 等復(fù)雜應(yīng)用；正在開展完整操作系統(tǒng)編譯工作；正在開展 Java、JavaScript、.NET 虛擬機遷移工作。

二進(jìn)制翻譯系統(tǒng) LAT 已基本完成開發(fā)，開始調(diào)試優(yōu)化。MIPS 和 X86 用戶態(tài)二進(jìn)制翻譯持續(xù)改進(jìn)中；X86 系統(tǒng)二進(jìn)制翻譯已經(jīng)基本跑通，最難的地址翻譯已經(jīng)調(diào)通。

以上工作爭取在 2020 年底前完成。

報告的末尾，他描繪了 LoongArch 的未來規(guī)劃。

1. 對 LoongArch 指令系統(tǒng)進(jìn)行知識產(chǎn)權(quán)分析。已委托第三方機構(gòu)進(jìn)行，預(yù)計 2020 年底完成國內(nèi)部分，2021 年完成國際部分。

2. 組建自主指令系統(tǒng)聯(lián)盟。龍芯將把 LoongArch 免費開放，并開放 Cortex-A53 以下性能處理器 IP 核，條件是聯(lián)盟內(nèi)企業(yè)彼此間不能發(fā)生指令系統(tǒng)訴訟，期望最終能夠形成對第三方的 CPU 防御聯(lián)盟。同時，還將嘗試在高校推廣百條指令左右的 LoongArch 小系統(tǒng)。

此外，龍芯也將持續(xù)改進(jìn)二進(jìn)制翻譯的硬件支持和軟件優(yōu)化，爭取在 2025 年消除指令系統(tǒng)間的壁壘，達(dá)到 “天下大同” 的境界。

最后，胡偉武總結(jié)道，二進(jìn)制翻譯能解決兼容性問題，但要認(rèn)清它在戰(zhàn)略上屬于“過渡方案”，它更多地是為新架構(gòu)鋪路，新架構(gòu)失敗了它會消亡，新架構(gòu)成功了它也會消亡。

知乎網(wǎng)友 maomaobear 表示了對翻譯后程序運行效率的擔(dān)心：“微軟的 X86 轉(zhuǎn) ARM，英特爾的 ARM 轉(zhuǎn) X86，效率都很低，就蘋果做的看起來高一點?！?/p>

龍芯內(nèi)部人士對此回應(yīng)：“龍芯做指令集研發(fā)快 20 年了，能推出完全自主指令集架構(gòu)，是積累出來的，不是拍腦袋，寫論文出來的?！?/p>

后來者的宿命

其實，我們不必為 “卡脖子” 感到悲憤。

在電子計算機領(lǐng)域，包括我國在內(nèi)的絕大多數(shù)國家都是“后來者”，縱觀其發(fā)展史，幾乎可以算是一部美國的國內(nèi)產(chǎn)業(yè)史。

第一臺真正意義的電子計算機是美國人于 1937 年發(fā)明的；“現(xiàn)代計算機之父”馮 · 諾依曼是美國人；集成電路是美國人做出來的；第一款微處理器是 Intel 推出的；互聯(lián)網(wǎng)是美國人建立的；第一臺桌面電腦、操作系統(tǒng)、鼠標(biāo)、鍵盤、硬盤等也均由美國人首創(chuàng)……

在這個過程中，美國涌現(xiàn)出了一大批名垂青史的名字。無數(shù)的學(xué)者、商人、官員和工程師，讓美國成為了先行者。擁有了絕對優(yōu)勢的同時，也為后來者們設(shè)立了諸多障礙。

這些障礙，我們有的已經(jīng)跨了過去，比如鋰電池隔膜、比如通訊領(lǐng)域的 5G、比如北斗全球定位系統(tǒng)；有的正在跨越，比如本文的 CPU 指令系統(tǒng)。

不過，我們不必急躁，也無須驚慌。我們不是落后于一朝一夕，也不可能一朝一夕便能趕上。

原文標(biāo)題：丟掉幻想！龍芯中科將推出LoongArch自主指令集，深度兼容Windows、Linux、Android程序

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