龍芯CPU是否能與Intel、AMD以及ARM的產(chǎn)品齊頭并進(jìn)呢？

從2001年龍芯項(xiàng)目組成立，到2008年龍芯公司誕生，20多年來，龍芯CPU從未像今年這樣揚(yáng)眉吐氣。最近剛發(fā)布的龍芯3A6000處理器總體性能與Intel公司2020年上市的第10代酷睿四核處理器相當(dāng)，形象地詮釋了厚積薄發(fā)的含義。龍芯3A6000是4核8線程的規(guī)格，對(duì)標(biāo)的是酷睿i3-10100，至于第10代酷睿那些核心更多的型號(hào)，龍芯也很快會(huì)推出后續(xù)產(chǎn)品去與它們對(duì)應(yīng)。

在酷睿14代已經(jīng)推出的當(dāng)下，第10代酷睿i3已經(jīng)不怎么起眼，不過我們不能只盯著差距而忽略龍芯的進(jìn)取。以往的龍芯看似前路茫茫，現(xiàn)在的它已能拽住市場主流CPU的尾巴，那么未來有朝一日，龍芯CPU是否能與Intel、AMD以及ARM的產(chǎn)品齊頭并進(jìn)呢？

龍芯CPU從零開始的追逐

從1971年到2001年，這30年間是集成電路和CPU技術(shù)高速發(fā)展的階段，CPU的集成度和運(yùn)算速度呈指數(shù)級(jí)增長，平均18個(gè)月翻一番，30年間CPU性能提高了百萬倍。不過因?yàn)镃PU性能越來越高，所以性能翻倍的時(shí)間間隔也越來越長。從2001年到2010年這10年，Intel CPU的單核性能上漲了十多倍，但從2011年至2020年這10年，同級(jí)別Intel CPU的單核性能只翻了一倍。

然而，Intel在這20年之所以能保持著單核性能近乎線性增長，說明它其實(shí)是游刃有余的。果然，在AMD給予Intel“驚嚇”之后，Intel第12代酷睿的性能突飛猛進(jìn)。雖然從第12代酷睿到酷睿14代，Intel又恢復(fù)了以往的節(jié)奏，但誰也不知道它是否留有余力。

2001年國內(nèi)的CPU設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)與世界脫節(jié)20～30年，龍芯CPU在這一年才開始孕育，準(zhǔn)備挑戰(zhàn)已經(jīng)成長了30年的x86 CPU產(chǎn)品。

由于科技水平的整體提升，龍芯不需要從Intel 4004的水平做起，但第一款龍芯CPU——龍芯一號(hào)的性能極低，只與Pentium（586）同級(jí)別，這些古老的CPU甚至運(yùn)行不了SPEC_CPU_2006。龍芯一號(hào)的性能不到同年Intel Pentium4的1/20，假如用SPEC_CPU_2006對(duì)它進(jìn)行測試，按比例算成績就只有0.2分左右。因此，縱然開始幾年龍芯CPU性能每年都翻倍，但增長的絕對(duì)性能卻不到Intel的零頭。測試成績從0.2翻倍到0.4，再翻倍到0.8……還要再翻兩次才能抵消Intel每年上漲的兩三分。如此推斷，在接下來的十來年里，龍芯與Intel的絕對(duì)性能差距會(huì)越來越遠(yuǎn)，這令最有信心的人也逐漸迷茫。

2006年之后，因?yàn)槟承┰颍信c“芯”有關(guān)的項(xiàng)目都備受質(zhì)疑，在各種壓力下，龍芯項(xiàng)目組開始急于求成。單核性能不足那就做多核，提升通用處理性能太難那就去提升專用性能，于是接連誕生幾款看似強(qiáng)大的產(chǎn)品：4核的龍芯3A1000、浮點(diǎn)運(yùn)算速度達(dá)到192GFlops的8核龍芯3B1500。龍芯3B1500的浮點(diǎn)性能甚至超過了Inte酷睿i7-980E，可是絕大多數(shù)應(yīng)用軟件需要的是單核通用處理性能，再強(qiáng)大的浮點(diǎn)性能也無法讓各種軟件都流暢運(yùn)行。從2006年到2015年的10年間，龍芯CPU的單核通用處理性能提升緩慢，哪怕是特定行業(yè)的客戶也視如敝屣，龍芯的發(fā)展境況雪上加霜。

2011年龍芯重整旗鼓，確立了桌面CPU的研究重心——提高CPU單核通用性能，并決定在每GHz的性能達(dá)到主流水平之前，最多只做4核CPU，放棄當(dāng)時(shí)的眾核路線。因?yàn)橘Y金不足，龍芯開始“減員增效”，又分散了大量的精力設(shè)計(jì)能賺錢的嵌入式CPU，以維持桌面CPU的研發(fā)，新核心的研發(fā)進(jìn)度被拖慢。龍芯3A2000仿真測試完成后還要等著籌集流片的錢，直到2015年才正式降生。在間斷等待期間，龍芯的研發(fā)者也沒有閑著，比如同步多線程、二進(jìn)制翻譯、動(dòng)態(tài)調(diào)壓調(diào)頻等都誕生于這個(gè)階段，只是要經(jīng)濟(jì)狀況好轉(zhuǎn)、技術(shù)條件成熟之后才能把科研成果變成商用產(chǎn)品。

龍芯3A2000改用國內(nèi)40nm工藝，主頻從龍芯3B1500的1.5GHz降回1.0GHz。但因?yàn)槊縂Hz的性能提高到了2.5倍，所以單核性能達(dá)到Intel Pentium 4的水平。4核的龍芯3A2000整體性能是Pentium 4的3倍以上，應(yīng)對(duì)普通的辦公已經(jīng)沒有問題。

龍芯3A2000幫助龍芯實(shí)現(xiàn)了扭虧為盈，2017年發(fā)布的龍芯3A3000則是更換工藝提高頻率的版本，龍芯已經(jīng)啟用了Tick-tock的策略：一代升級(jí)工藝，一代升級(jí)核心。2019年發(fā)布的龍芯3A4000使用了新設(shè)計(jì)的核心，每GHz的性能接近AMD的Zen核心。龍芯3A4000成為龍芯與Intel性能差距的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，它們的距離不再是越來越遠(yuǎn)。接下來，龍芯3A5000升級(jí)工藝，龍芯3A6000再次升級(jí)核心，通過提升單核心性能，低頻打高頻，一舉把與Intel的差距縮短到了3年。從龍芯CPU的進(jìn)步趨勢，我們看到了龍芯追趕Intel產(chǎn)品性能的希望。

龍芯敢與群雄逐鹿的底氣

如果只看CPU性能是否接近，前段時(shí)間有家公司找Intel做的OEM產(chǎn)品當(dāng)然更加接近Intel CPU的性能，但是它不可能用Intel的產(chǎn)品去戰(zhàn)勝Intel。同樣，依賴國外授權(quán)的架構(gòu)和IP核也不可能戰(zhàn)勝規(guī)則的制定者。

只要CPU中使用的標(biāo)準(zhǔn)、專利、關(guān)鍵技術(shù)等都由國外掌握，或者依附國外的軟硬件生態(tài)，就隨時(shí)可能失去競爭的資格。如果不想前進(jìn)的路上突然出現(xiàn)深淵，就必須提升自主的層次。龍芯是極少數(shù)主動(dòng)提升自主層次的國產(chǎn)CPU企業(yè)之一，少有CPU企業(yè)像龍芯這樣不但自己設(shè)計(jì)指令集、建立自主軟硬件生態(tài)，還力求所有IP核都自主設(shè)計(jì)。

龍芯二十多年時(shí)間累積了上百個(gè)IP核，覆蓋了CPU功能的方方面面。這里我們列出了龍芯自主設(shè)計(jì)的重要IP核，不含已經(jīng)淘汰的版本。其中用在龍芯3A6000中的全部IP核全都是自主設(shè)計(jì)。自主的LoongArch指令集和自主設(shè)計(jì)的IP核，使龍芯設(shè)計(jì)CPU時(shí)完全不必依賴外部授權(quán)，有底氣面對(duì)一切封鎖和制裁。

很多人認(rèn)為，因?yàn)辇埿静荒馨惭bWindows，就注定會(huì)讓用戶望而卻步。這只是一種弱者思維，任何強(qiáng)大的生態(tài)都有弱小的時(shí)候，并且龍芯LoongArch指令集的軟件生態(tài)已經(jīng)越過了拐點(diǎn)，正在從“能用”向“好用”轉(zhuǎn)變。對(duì)于Linux桌面和服務(wù)器用戶來說，使用龍芯電腦與其他電腦幾乎沒有區(qū)別，各種開發(fā)工具、開源軟件、國產(chǎn)常用軟件等都有龍芯版本，Linux軟件生態(tài)的成熟度已經(jīng)與x86和ARM是同等水平。

很多Linux用戶會(huì)用Wine運(yùn)行Windows軟件以彌補(bǔ)Linux的不足，在基于龍芯LoongArch架構(gòu)的電腦上也同樣可以這么做。盡管Wine和Windows軟件都只支持x86架構(gòu)，但龍芯憑借自己的二進(jìn)制翻譯技術(shù)能把它們一并翻譯。龍芯的目標(biāo)是基于龍芯的基礎(chǔ)軟硬件發(fā)展自己的應(yīng)用，但作為過渡手段，還要通過二進(jìn)制翻譯技術(shù)兼容部分x86和ARM的應(yīng)用。龍芯還用二進(jìn)制翻譯徹底解決了困擾Linux幾十年的打印機(jī)兼容性問題，在龍芯電腦上可以直接使用Windows版的打印機(jī)驅(qū)動(dòng)，即使x86版的Linux也沒有這樣的能力。龍芯這種一邊發(fā)展自主軟件生態(tài)，一邊“收割”Windows應(yīng)用軟件的策略，使龍芯電腦可用的軟件迅速豐富，基本掃清了桌面和服務(wù)器的應(yīng)用障礙。

而在嵌入式行業(yè)，龍芯的策略是把CPU架構(gòu)及核心授權(quán)出去。龍芯是國內(nèi)唯一向其他組織授權(quán)通用CPU指令集和IP核的公司。放眼當(dāng)世，這樣的企業(yè)不外乎Intel、AMD和ARM，現(xiàn)在還加上龍芯。而依賴Intel、AMD和ARM授權(quán)的CPU廠商，則不具有二次授權(quán)的資格，甚至不能對(duì)指令集和IP核自主升級(jí)。

LoongArch指令集授權(quán)正在籌劃，龍芯設(shè)計(jì)的CPU核心已經(jīng)向10家公司和組織開放授權(quán)，其中雄立科技已經(jīng)完成了產(chǎn)品化，成為第二家設(shè)計(jì)和銷售LoongArch架構(gòu)CPU的企業(yè)。

優(yōu)秀的CPU一定有優(yōu)秀的核心

我們知道CPU是由很多功能模塊組成的，大到CPU核心，小到溫度傳感器，各種功能模塊都統(tǒng)稱為IP核。大多數(shù)CPU企業(yè)都是購買CPU核心、內(nèi)存控制器、PCIe控制器等各種IP核再集成為CPU。國內(nèi)只有龍芯因?yàn)榉e累了完備的IP庫，可以不依賴外來IP核。

CPU核心是CPU最重要的組成部分，龍芯二十多年來大約設(shè)計(jì)了14款CPU核心。龍芯的CPU分為三個(gè)大系列，命名為1、2、3系列或小、中、大系列。龍芯CPU核心的型號(hào)也極其直白，比如LA132的第一個(gè)數(shù)字“1”表示單發(fā)射，后來的“32”表示32位，LA664就是6發(fā)射64位。

1號(hào)系列CPU核心用于低功耗嵌入式設(shè)備，其中LA132的用途及每GHz的性能對(duì)標(biāo)ARM Cortex-M4。龍芯的合作企業(yè)有用它做SSD主控的、做智能門鎖的、做機(jī)器人玩具的，還有做跑步機(jī)的……

2號(hào)系列CPU核心面向的是中高端工控、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、輕薄筆記本等。其中LA264對(duì)標(biāo)的是ARM Cortex-A55，LA364對(duì)標(biāo)ARM Cortex-A75（實(shí)際上LA364每GHz的性能與Cortex-A76更接近）。Cortex-A76工藝下限是TSMC的16nm，推薦7nm，而LA364僅要求28nm工藝即可，使用12nm工藝時(shí)就能達(dá)到與使用7nm工藝的A76相近的頻率，更符合國內(nèi)實(shí)際情況，也更有性價(jià)比。

3號(hào)系列CPU核心用于桌面和服務(wù)器CPU，龍芯3A6000的核心就是LA664，上一代龍芯3A5000的核心是LA464。龍芯3號(hào)系列的核心經(jīng)過了4次大版本迭代，LA664架構(gòu)的龍芯3A6000的總體性能已經(jīng)演進(jìn)到了第10代酷睿的水平，在一些測試軟件下，單核心同頻性能甚至能達(dá)到挑戰(zhàn)14代酷睿的水平。

4個(gè)代次的CPU核心不只是規(guī)格的變化，更重要的是每一個(gè)大版本都進(jìn)行過多次改進(jìn)，通過優(yōu)化微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)性能提升。設(shè)計(jì)CPU微結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)是CPU企業(yè)的秘密，除了微結(jié)構(gòu)本身，還有設(shè)計(jì)思路、優(yōu)缺點(diǎn)、多種方案的抉擇過程……只有高質(zhì)量的設(shè)計(jì)鍛煉，才能融會(huì)貫通。如果以為買到一套CPU核心源碼就能具有同等的能力，那就像學(xué)渣以為拿到學(xué)霸的試卷就能并列第一那樣滑稽。

因?yàn)長oongArch的設(shè)計(jì)比MIPS優(yōu)秀得多，所以在GS464V被LA464替換之后，每GHz的性能提高了10%左右，這是人們始料未及的。不過LA464畢竟不是專為LoongArch設(shè)計(jì)，很多指令是通過微操作進(jìn)行兼容處理，因此基于LA664的龍芯3A6000這款CPU才是LoongArch更合適的載體。LA664的規(guī)格提高了很多，微結(jié)構(gòu)也有重大突破，每GHz的性能提高了60%以上。特別是增加了超線程支持后，多核性能提高一倍以上。

每GHz性能挑戰(zhàn)14代酷睿還不是LA664的極限，據(jù)說以LA664為基礎(chǔ)優(yōu)化出的后續(xù)版本預(yù)計(jì)每GHz的性能還能提高20%～30%。如果能實(shí)現(xiàn)，這將是超過Intel處理器，挑戰(zhàn)蘋果處理器的水平。蘋果也是走的高IPC路線，擅長低頻打高頻，只不過龍芯受限于工藝，主頻比蘋果的CPU更低。在工藝落后，也沒有充足的資金多次流片改進(jìn)物理設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀下，提高每GHz的性能是最具性價(jià)比的路線，也是難度最高的路線。

龍芯CPU未來的產(chǎn)品規(guī)劃

龍芯除了升級(jí)CPU核心，其他IP核也在持續(xù)改進(jìn)和增加。比如3A6000中的內(nèi)存控制器雖然和3A5000的規(guī)格一樣，都是DDR4 3200，但實(shí)際訪存性能提高了一倍，比第10代酷睿訪問相同規(guī)格內(nèi)存的速度還快，和第13代酷睿差不多，還突破了片間高速互聯(lián)技術(shù)。龍芯第二代自研圖形處理器核LG200支持圖形加速、科學(xué)計(jì)算加速、AI加速，并支持OpenGL 4.0和OpenCL 3.0的API。龍芯的這些年進(jìn)步所形成的技術(shù)儲(chǔ)備，使它能更加自由、快速地組合產(chǎn)品，比如最下面一張圖片中沒有實(shí)物照片的就是規(guī)劃中的新款CPU。

桌面CPU已經(jīng)有了3A6000，服務(wù)器CPU 3C6000就成了龍芯的當(dāng)務(wù)之急。3C6000集成16個(gè)LA664核心，因?yàn)閱魏诵阅芗岸嗪诵侍岣?，通用處理器性能將達(dá)到上一代3C5000的兩倍，訪存性能也是3C5000的兩倍。有了3C6000之后，就能使用龍鏈技術(shù)(Loongson Coherent Link)把多顆龍芯3C6000整合成核心更多的產(chǎn)品，如32核的3D6000、64核的3E6000。

同樣比較迫切的是2K3000，它集成了8個(gè)LA364核心以及GPGPU。2K3000的單核性能與上一代桌面CPU 3A5000相當(dāng)，8核并行性能應(yīng)該非常接近4核8線程的3A6000。2K3000的低功耗、全集成設(shè)計(jì)使它比3A5000和3A6000更適合輕薄型筆記本電腦。

最后的7000系列是升級(jí)工藝、提高頻率的一代。龍芯7000系列能把頻率提到多少尚未可知，但以龍芯低頻戰(zhàn)高頻的能力，料想能與Intel酷睿14代以及同代的服務(wù)器CPU匹敵吧！

Intel、AMD和ARM都是技術(shù)強(qiáng)大、積累深厚的CPU企業(yè)，又是各個(gè)領(lǐng)域的先行者，龍芯的市場競爭能力遠(yuǎn)不如它們。雖然龍芯無論在多么拮據(jù)的時(shí)候都在堅(jiān)持研發(fā)更好的產(chǎn)品，但市場對(duì)龍芯CPU的接受程度又有誰說得準(zhǔn)呢？不過市場歸市場，技術(shù)歸技術(shù)，只要龍芯CPU性能可與Intel這些巨頭齊頭并進(jìn)，就是自主CPU的大勝利。

審核編輯：劉清