國產(chǎn)CPU之4種架構(gòu)和6大品牌
前言：服務(wù)器是一種為客戶機(jī)提供服務(wù)的高性能計(jì)算機(jī)
前篇“國產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件：開源、遷移、上云，關(guān)鍵在生態(tài)”分享了國產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件發(fā)展策略，今天接著國產(chǎn)化話題，講講國產(chǎn)處理器。
國產(chǎn) CPU 廠商得到了相應(yīng)指令集的架構(gòu)授權(quán)，發(fā)展成為6大主流廠商：龍芯、飛騰、鯤鵬、海光、申威、兆芯。CPU 的指令集分為復(fù)雜指令集(CISC)和精簡指令集(RISC)兩大類。復(fù)雜指令集以x86架構(gòu)為代表，精簡指令集則包括 ARM、MIPS、Alpha、Power 等。
6 大主流 CPU 廠商的技術(shù)路線和生態(tài)建設(shè)各有優(yōu)勢(shì)。目前在通用計(jì)算領(lǐng)域，優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)的是龍芯、飛騰、鯤鵬、海光這 4 大廠商，我們將在本章進(jìn)行重點(diǎn)介紹。
龍芯技術(shù)源于中科院計(jì)算產(chǎn)業(yè)，沿著市場(chǎng)化的道路不斷發(fā)展，已有超過 20 多年的 CPU 行業(yè)積累。2001 年，在中科院計(jì)算所知識(shí)創(chuàng)新工程的支持下，龍芯課題組正式成立。2010 年，龍芯公司正式成立。龍芯堅(jiān)持“市場(chǎng)帶技術(shù)”的道路，而不是“市場(chǎng)換技術(shù)”的道路，堅(jiān)持自主研發(fā)，堅(jiān)持市場(chǎng)化的機(jī)制，整體的發(fā)展可概況為三個(gè)十年。
龍芯 CPU 系列包括龍芯 3 號(hào)大 CPU、 龍芯 2 號(hào)中 CPU 、龍芯 1 號(hào)小 CPU 三個(gè)系列，分別針對(duì)電腦(桌面和服務(wù)器)、工控和嵌入式、單片機(jī)領(lǐng)域。本章重點(diǎn)介紹用于桌面和服務(wù)器的龍芯3 號(hào)系列 CPU。
1）早期階段(2015 年之前)：性能較低，達(dá)不到“可用”程度：龍芯第一代 3A1000/3B1500 的單核性能較低，SPEC CPU 2006 分值只有 2-3 分，打開 20M 的測(cè)試文檔需要 33 秒。
2）開始進(jìn)入“可用”階段(2016-2017 年)：單核性能顯著提升：龍芯第二代 3A3000/3B3000/7100 單核性能提升到 10-11 分，超過 Intel 凌動(dòng)系列，打開 20M 的測(cè)試文檔時(shí)間縮短為 6 秒。
3）“可用”向“好用”升級(jí)階段(2019-2020)：單核性能再次突破：龍芯第三代 3A/B4000、3A/C5000、7A2000 的單核性能提高到 20-30 分，打開 20M 的測(cè)試文檔時(shí)間少于 1 秒。
龍芯 3 號(hào)的更新升級(jí)有兩種模式：
1）工藝更新微結(jié)構(gòu)不變?
2）工藝不變更新微結(jié)構(gòu)。
龍芯 3A4000相比 3000，采用相同工藝(28nm)但性能成倍提高；龍芯 5000 系列工藝更新 12nm。龍芯 3 號(hào) CPU 下一代 5000 系列的目標(biāo)：提高主頻和核數(shù)。龍芯新一代桌面芯片 3A5000 將在2020年Q2 流片，采用 12nm 工藝，單核性能提高至 25-30 分，與 3A4000 可原位替換，操作系統(tǒng)二進(jìn)制兼容；龍芯服務(wù)器芯片 3C5000 預(yù)計(jì)于 2020 三季度流片，采用 12nm工藝，16 核結(jié)構(gòu)，支持 4-16 路服務(wù)器。
雖然從全球整體來看，MIPS 架構(gòu)的生態(tài)基礎(chǔ)相對(duì) x86 和 ARM 較為薄弱，但龍芯的信創(chuàng)生態(tài)建設(shè)已經(jīng)較為完善，而且處于不斷擴(kuò)張的發(fā)展中。龍芯非常重視 Linux 生態(tài)建設(shè)，為開源社區(qū)積極貢獻(xiàn)代碼，增強(qiáng)技術(shù)影響力。龍芯致力于 Linux 生態(tài)體系的兼容優(yōu)化，有上百人規(guī)模的開源軟件工程師團(tuán)隊(duì)，提供操作系統(tǒng)和底層軟件兜底服務(wù)的能力。
2020 年 3 月 17 日，Java14f 發(fā)布，根據(jù)官方發(fā)布的統(tǒng)計(jì)，Oracle、紅帽、SAP、龍芯和谷歌，位于 OpenJDK 代碼提交次數(shù)的全球前五位。
在應(yīng)用開發(fā)環(huán)境建設(shè)方面，龍芯支持主流的 Linux 開發(fā)環(huán)境，包括多種編程語言、函數(shù)庫、平臺(tái)引擎和集成開發(fā)工具等。
PC 端的生態(tài)建設(shè)：龍芯 CPU 已經(jīng)支持主流的整機(jī)、操作系統(tǒng)、辦公軟件、瀏覽器、輸入法和部分設(shè)計(jì)工具等常見軟硬件，覆蓋了基本的辦公需求。
服務(wù)器生態(tài)領(lǐng)域：龍芯目前的 3B4000 服務(wù)器芯片是 4 核的，可以支持雙路、 四路全相連結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)效率提升至 95%以上、跨片訪存帶寬提升至 400% 以上、內(nèi)存數(shù)量線性擴(kuò)展以及高吞吐率。目前也已經(jīng)有百款廠商適配了龍芯的服務(wù)器 CPU。我們認(rèn)為，龍芯新一代 16 核的服務(wù)器CPU 在 2020 年內(nèi)流片之后，龍芯在服務(wù)器領(lǐng)域的市場(chǎng)影響力將進(jìn)一步得到增強(qiáng)。
云計(jì)算生態(tài)領(lǐng)域：龍芯的 KVM 虛擬機(jī)于 2019 年 4 月發(fā)布，完善支持 OpenStack 集群管理工具，實(shí)現(xiàn)了從 CPU 到系統(tǒng)， 全鏈條虛擬機(jī)的自主研制。在云容器方面，龍芯的 Doker 容器于2017 年發(fā)布，完善支持集群管理工具 Swarm、 Kubernets、 Openshift、 Mesos 等。龍芯的云計(jì)算生態(tài)伙伴包括：浪潮云、 騰訊云、 金山云、 曙光云、 云棧希云、 中標(biāo)易云、 道客云、航天科工天熠云、 UCLOUD、 CETC 電科云、 普華云、 升騰云、 金蝶云、江蘇華云、 廣西梯度云、 上海田畝云、 北京優(yōu)炫云、 成都精靈云、 廣東品高云，等等。
飛騰有 20 多年的 CPU 研制積累，背后依托中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)(CEC)。2014 年，中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)、天津?yàn)I海新區(qū)政府、天津先進(jìn)技術(shù)研究院三方聯(lián)合成立天津飛騰信息技術(shù)有限公司，致力于飛騰系列 CPU 的設(shè)計(jì)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)推廣。飛騰公司核心技術(shù)和研發(fā)團(tuán)隊(duì)來自國內(nèi)頂尖高校，擁有 20 多年自主 CPU 研制經(jīng)驗(yàn)。飛騰的芯片面向三大領(lǐng)域：服務(wù)器、PC 和嵌入式，本章重點(diǎn)介紹服務(wù)器和 PC 端的 CPU。
從技術(shù)路線角度，飛騰的發(fā)展經(jīng)歷了 2 個(gè)階段：
1）早期：基于 SPARC 架構(gòu)(1999-2012)，生態(tài)建設(shè)受限。2000 年，飛騰第一款嵌入式 CPU 推出；2005 年，飛騰團(tuán)隊(duì)推出了 32 位、64 位的通用 CPU；2009 年推出第一款 8 核高性能 CPU， 2012 年飛騰 16 核高性能通用 CPU 推出。但整個(gè) SPARC 架構(gòu)生態(tài)日漸式微，也一定程度上影響了飛騰 CPU 的進(jìn)一步推廣。
2）新篇章：基于 ARM 架構(gòu)(2014-至今)，性能顯著提升、生態(tài)建設(shè)順利推進(jìn)。2014 年飛騰基于ARM 架構(gòu)的 FT-1500A 推出，性能相當(dāng)于 Intel Xeon E3，從此開啟了技術(shù)發(fā)展的新篇章。2017年，飛騰推出 64 核的 FT-2000+系列。2019 年，飛騰桌面版 FT-2000/4 問世，采用 16nm 工藝，性能相當(dāng)于 Intel Core i3 系列。
飛騰新一代的 CPU 實(shí)現(xiàn)了性能的顯著提升：在桌面領(lǐng)域：飛騰新一代的 FT-2000/4 較上一代 FT-1500A/4 計(jì)算性能提升了 1 倍，功耗方面降低 33%。FT-2000/4 還可以通過“降頻”、“減核”的方式，在能源、交通、化工、金融等關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)嵌入式低功耗終端應(yīng)用。在服務(wù)器領(lǐng)域：飛騰新一代的服務(wù)器芯片 FT-2000+/64 較上一代 FT-1500A/16 計(jì)算性能提升 5.5 倍，單位功耗算力提升近 2 倍，是更加高效更加綠色的芯片。
飛騰基于 ARM V8 架構(gòu)的服務(wù)器 CPU，相比 x86 架構(gòu)的海外廠商產(chǎn)品，優(yōu)勢(shì)在于多核處理能力和功耗上面。在 2019 年的某項(xiàng)目中，4 臺(tái)基于飛騰 FT-2000+/64(64 核，16nm)的單路服務(wù)器和 4 臺(tái)搭載英特爾至強(qiáng) E5-2650V4(12 核，14nm)的雙路服務(wù)器在大數(shù)據(jù)方面進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。在 Storm測(cè)試中，飛騰的各項(xiàng)測(cè)試均相當(dāng)或占優(yōu)。
在離線計(jì)算 Spark 測(cè)試中，飛騰得益于其多核處理能力，也實(shí)現(xiàn)了性能占優(yōu)；在消息隊(duì)列 Kafka 測(cè)試中，飛騰的性能和 x86 服務(wù)器基本相當(dāng)。飛騰的功耗僅僅為對(duì)方的 50%。體現(xiàn)出了飛騰對(duì)大數(shù)據(jù)組件，尤其對(duì)離線計(jì)算的良好支持，也體現(xiàn)了飛騰 CPU的節(jié)能。
針對(duì)云計(jì)算平臺(tái)的虛擬化方面，飛騰服務(wù)器芯片提供了較好的硬件輔助虛擬化支持。在FT2000+/64 服務(wù)器上對(duì)比了虛擬機(jī)雙核（采用 KVM 虛擬化）和宿主機(jī)雙核在基準(zhǔn)測(cè)試中的效率比值，平均約為 97.5%左右，這為基于 KVM 虛擬化的云平臺(tái)性能提供了強(qiáng)有力的支撐。
生態(tài)建設(shè)：飛騰通過性能強(qiáng)大、低功耗的桌面 CPU，構(gòu)建了終端全棧生態(tài)。終端全棧架構(gòu)包括硬件層，固件、操作系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層。
飛騰軟硬件生態(tài)圈：飛騰聯(lián)合了近 1000 家國內(nèi)的軟件/硬件廠商，支持超過 300 款服務(wù)器、30 多款整機(jī)、40 多款便攜筆記本、20 多款存儲(chǔ)設(shè)備。
鯤鵬處理器基于 Armv8 架構(gòu)永久授權(quán)，處理器核、微架構(gòu)和芯片均由華為自主研發(fā)設(shè)計(jì)，鯤鵬計(jì)算產(chǎn)業(yè)兼容全球 Arm 生態(tài)。除了傳統(tǒng)的服務(wù)器 CPU 和桌面 CPU，華為圍繞鯤鵬處理器打造了“算、存、傳、管、智”五個(gè)子系統(tǒng)的芯片族。歷經(jīng) 10 多年，目前已累計(jì)投入超過 2 萬名工程師。
在通用計(jì)算領(lǐng)域，鯤鵬 CPU 目前主要集中在服務(wù)器領(lǐng)域。鯤鵬 920 服務(wù)器 CPU 基于 ARM V8 多核架構(gòu)，最高集成 64 個(gè)物理核，主頻最高 2.6GHz，通過多核來提升算力。另外，華為鯤鵬 PC 級(jí) 的 CPU 也在規(guī)劃中。
根據(jù)華為開發(fā)者大會(huì) 2020(cloud)公布的數(shù)據(jù)，相比英特爾 Skylake 服務(wù)器 CPU，華為鯤鵬 920 系列芯片的性能更高，功耗更低，主要得益于鯤鵬 920 的工藝升級(jí)到了 7nm，內(nèi)核數(shù)量更多，而且進(jìn)行了多核優(yōu)化處理。
華為推出了基于鯤鵬 CPU 的泰山服務(wù)器系列，包含多個(gè)種類。根據(jù)華為 2019 年的生態(tài)大會(huì)公布的信息，華為未來將重點(diǎn)聚焦于算力的上游，進(jìn)行生態(tài)伙伴賦能，未來有可能逐漸退出服務(wù)器整機(jī)領(lǐng)域。我們認(rèn)為，隨著華為生態(tài)建設(shè)的逐步完善和廠商對(duì)鯤鵬 CPU 接受度進(jìn)一步提高，華為鯤鵬CPU 未來有望不依賴于華為自己的服務(wù)器整機(jī)進(jìn)行推廣，從而實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略升維。
在 AI 算力方面，華為提供昇騰 AI 處理器和 Atlas 平臺(tái)。昇騰系列包括 310 和 910 兩款，均采用華為自研的達(dá)芬奇架構(gòu)。昇騰 310 定位是高效、靈活、可編程的 AI 處理器，功耗僅 8W，八位整數(shù)精度（INT8）性能達(dá)到 16TOPS，16 位浮點(diǎn)數(shù)（FP16）性能達(dá)到 8 TFLOPS；昇騰 910 定位為超高算力的 AI 處理器，其最大功耗為310W，八位整數(shù)精度（INT8）下的性能達(dá)到 512TOPS，16位浮點(diǎn)數(shù)（FP16）下的性能達(dá)到 256 TFLOPS。
作為一款高集成度的片上系統(tǒng)（SoC），除了基于達(dá)芬奇架構(gòu)的 AI 核外，昇騰 910 還集成了多個(gè) CPU、DVPP 和任務(wù)調(diào)度器，具有自我管理能力，可以充分發(fā)揮其高算力的優(yōu)勢(shì)。昇騰 910 集成了 HCCS、PCIe 4.0 和 RoCE v2 接口，為構(gòu)建橫向擴(kuò)展（Scale Out）和縱向擴(kuò)展（Scale Up）系統(tǒng)提供了靈活高效的方法。HCCS 是華為自研的高速互聯(lián)接口，片內(nèi) RoCE 可用于節(jié)點(diǎn)間直接互聯(lián)，最新的 PCIe 4.0 的吞吐量比上一代提升一倍。華為 Atlas 平臺(tái)是搭載昇騰處理器相關(guān)的服務(wù)器、邊緣計(jì)算小站、AI 集群等。
鯤鵬生態(tài)加速推進(jìn)：華為聚焦于架構(gòu)和并發(fā)，提供算力；硬件開放、軟件開源、支持遷移和生態(tài)伙伴共建生態(tài)。在華為開發(fā)者大會(huì) 2020（Cloud）上，華為宣布“沃土計(jì)劃 2.0” ，將在 2020 年投入 2 億美元推動(dòng)鯤鵬計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并公布面向高校、初創(chuàng)企業(yè)、開發(fā)人員及合作伙伴的扶持細(xì)則。
華為攜手騰訊游戲啟動(dòng)在鯤鵬領(lǐng)域的全面合作，并與麒麟軟件、普華基礎(chǔ)軟件、統(tǒng)信軟件、中科院軟件所共同宣布基于 openEuler 的商用版本操作系統(tǒng)正式發(fā)布，加速鯤鵬生態(tài)在各行業(yè)落地。
海光(Hygon)獲得 AMD x86 授權(quán)：2016 年，為應(yīng)對(duì)危機(jī)，AMD 成立了天津海光來授權(quán) x86 芯片的設(shè)計(jì)，由此獲得 2.93 億美元現(xiàn)金。天津海光成立了成都海光微電子和成都海光集成電路公司。AMD 分別擁有海光微電子股份 51%和海光集成電路 30%的股份。海光微電子由 AMD 持有大多數(shù)控股，因此被授權(quán)使用 x86 的設(shè)計(jì)。
2019 年，海光進(jìn)入實(shí)體清單，產(chǎn)業(yè)鏈一度受到影響，但恢復(fù)程度有望超預(yù)期。依托中科曙光、中科院的雄厚的研發(fā)實(shí)力，從長期來看，海光具備吸收先進(jìn)的技術(shù)并做出自主改進(jìn)和升級(jí)的能力，供應(yīng)鏈的影響逐步減弱。在半導(dǎo)體生產(chǎn)線全球化布局的大背景下，公司通過全面梳理供應(yīng)鏈，積極尋找可替代部件，也和部分上游企業(yè)進(jìn)行了積極溝通，以促進(jìn)交易恢復(fù)。公司供應(yīng)鏈運(yùn)營方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，已經(jīng)形成了相對(duì)完整的應(yīng)對(duì)方案，能夠保持公司供應(yīng)鏈平穩(wěn)運(yùn)行。可以看到，掌握先進(jìn)制程工藝的廠商已經(jīng)有三星、中芯國際、臺(tái)積電等廠商。
海光在吸收了 AMD 的技術(shù)的基礎(chǔ)上，憑借 x86 的生態(tài)和性能優(yōu)勢(shì)，依托中科院、中科曙光的研發(fā)實(shí)力支撐，通過整合供應(yīng)鏈資源，有望在 2020 年實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)份額的進(jìn)一步突破。
完整內(nèi)容參考《國產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件：開源、遷移、上云，關(guān)鍵在生態(tài)》內(nèi)容如下，下載鏈接：國產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件：開源、遷移、上云，關(guān)鍵在生態(tài)
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來源：智能計(jì)算芯世界
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