LoongArch和RISC-V對比分析

有讀者留言希望比較LoongArch和RISC-V，鐵流簡單分析一下。

loongArch是一套全新指令集

在龍芯推出loongArch后，一些人總是把loongArch和MIPS混淆，認(rèn)為龍芯盜版或魔改MIPS，搞了個loongArch。

事實(shí)上，LoongArch 是全新的指令集，有2000多條指令。從2020年二季度開始，龍芯和第三方將LoongArch與國際上主要指令系統(tǒng)有關(guān)資料和幾萬件專利進(jìn)行深入對比分析。工信部下屬單位評估認(rèn)為：LoongArch指令系統(tǒng)手冊在章節(jié)結(jié)構(gòu)、指令說明結(jié)構(gòu)和指令內(nèi)容表達(dá)方面與上述國際上主要指令系統(tǒng)存在明顯區(qū)別。LoongArch基礎(chǔ)架構(gòu)未發(fā)現(xiàn)對上述國際上主要指令系統(tǒng)中國專利的侵權(quán)風(fēng)險。

具體來說，LoongArch摒棄了傳統(tǒng)指令系統(tǒng)中部分不適應(yīng)當(dāng)前軟硬件設(shè)計技術(shù)發(fā)展趨勢的陳舊內(nèi)容，吸納了近年來指令系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域諸多先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展成果。比如重新設(shè)計的指令格式可以包含更多的指令槽，有利于以后的長遠(yuǎn)發(fā)展。MIPS只有3種指令格式，LoongArch重新設(shè)計了指令格式 ，使可用的格式多達(dá)10種 ，其包含3種無立即數(shù)格式和7種有立即數(shù)格式。例如單條指令支持的立即數(shù)從MIPS的最大16位擴(kuò)展到最大24位，分支跳轉(zhuǎn)偏移也從64K擴(kuò)展到1M字節(jié)，以及尋址空間從固定分段改變?yōu)閱我黄矫娴?，都有效減少了編譯結(jié)果的目標(biāo)指令條數(shù)和訪存次數(shù)，提高了效能。在Coremark的測試中，程序運(yùn)行過程中執(zhí)行的指令總數(shù)LoongArch為MIPS的83%，相當(dāng)于運(yùn)行效率提高了20%。LoongArch指令集計算CRC32的速度則是MIPS的4倍。

事實(shí)上，開發(fā)一套指令集并不難，難得是開發(fā)一套高效率的指令系統(tǒng)并將其實(shí)現(xiàn)，也就是基于該指令集開發(fā)CPU，以及基于該指令集開發(fā)一整套軟件生態(tài)。

指令集不是越少越好

最初，CPU的指令系統(tǒng)相對簡單，隨著面對的應(yīng)用越來越復(fù)雜，CPU的指令系統(tǒng)也隨之越來越龐大。半個世紀(jì)前，美國學(xué)術(shù)界提出了一種新的思路，把各種指令功能盡可能的拆解為最小單元，把相同的單元合并為一條指令，所有的復(fù)雜功能都可以使用這些簡單指令組合實(shí)現(xiàn)，分解指令執(zhí)行的每一個步驟，盡量使每一條指令都只消耗一個時鐘周期，實(shí)現(xiàn)指令流水線設(shè)計，而這是傳統(tǒng)指令系統(tǒng)所做不到的。

RISC指令集也就應(yīng)運(yùn)而生，斯坦福大學(xué)的幾名老師帶著研究生成立了MIPS項目組，開發(fā)的MIPS CPU所用的晶體管只有CISC處理器的幾分之一，但性能卻更強(qiáng)，在1983年的ISSCC大會上大放異彩。隨后，Alpha、Power、PA-RISC、SPARC等諸多RISC指令集百花齊放。Intel雖然堅持CISC指令系統(tǒng)，但也引入了RISC的思路，CPU后端使用類RISC流水線的設(shè)計，在CISC指令集解碼的階段轉(zhuǎn)換為RISC類的指令，使自己的CISC處理器在性能上不被RISC處理器超越。

也許是這段歷史太過刻骨銘心，使很多人先天就認(rèn)為指令集越少越好，RISC優(yōu)于CISC，本能認(rèn)為loongArch指令數(shù)達(dá)到2000條，而RISC-V不破白條，因而RISC-V更好。

事實(shí)上，隨著時代發(fā)展，RISC指令集的指令數(shù)量越來越多，同時，CISC也借鑒了RISC的優(yōu)點(diǎn)，兩者已經(jīng)殊途同歸了。

RISC-V的思路和半個世紀(jì)前開發(fā)MIPS時的思路是類似的，指令集盡可能精簡，因為指令數(shù)量少，CPU微結(jié)構(gòu)中使用的晶體管就少，設(shè)計難度、研發(fā)成本、生產(chǎn)成本、產(chǎn)品功耗等都可以壓制到極低的水平。

不過，現(xiàn)階段的RISC-V有些過度“精簡”了，只有四十多條基礎(chǔ)指令，加速擴(kuò)展指令，指令數(shù)量依然沒有破百，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能相對有限，雖然在嵌入式CPU上，這些指令已經(jīng)足夠，但在桌面和服務(wù)器等高性能領(lǐng)域，這點(diǎn)指令是不夠用的。

因為桌面和服務(wù)器應(yīng)對的場景更加復(fù)雜，就必然需要相應(yīng)的指令去滿足這些應(yīng)用場景，在嵌入式這種用途單一且性能要求一般的場景，幾十條指令夠用，這是RISC-V所擅長的。但在桌面和服務(wù)器上，RISC-V指令集過于精簡反而是其劣勢。

舉例來說，SG2042搭載64核玄鐵C910，主頻2.0GHz，每16核為一個numa節(jié)點(diǎn)，共4個內(nèi)存通道。SPEC CPU2006 單核測試，使用社區(qū)版GCC10，int_base測試最好成績?yōu)?.97。使用廠家推薦參數(shù)調(diào)優(yōu)，int_base測試得分10.6。作為對比，龍芯3A6000 int_base 43+，差距是非常明顯的。

事實(shí)上，龍芯也有類似RISC-V的指令系統(tǒng)，那就是LoongArch精簡版，共有50條指令，基于LoongArch精簡版開發(fā)的CPU已經(jīng)向高校開源用于教育。如果RISC-V要開發(fā)高性能CPU，必然要對指令集進(jìn)行擴(kuò)展，其實(shí)，X86、ARM這些成熟指令系統(tǒng)都是上千條指令。

LoongArch精簡版是對LoongArch的剪裁，而RISC-V還需要繼續(xù)添加各種擴(kuò)展指令，才能成為成熟的指令集，目前的RISC-V還不適合用到復(fù)雜多變的桌面和服務(wù)器環(huán)境中。

編輯：黃飛