龍芯胡偉武：克服奴才心態(tài)，做自己的CPU指令系統(tǒng)！LoongArch將與X86/Arm并駕齊驅(qū)
2022年6月6日，由工業(yè)和信息化部網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心指導，北京經(jīng)開區(qū)國家信創(chuàng)園和龍芯中科聯(lián)合主辦的“2022年LoongArch生態(tài)發(fā)展暨通明湖創(chuàng)新應(yīng)用論壇”在線上召開。會上，龍芯重磅發(fā)布了龍芯3C5000服務(wù)器處理器，并聯(lián)合生態(tài)伙伴共同發(fā)布新一代國產(chǎn)服務(wù)器基礎(chǔ)軟硬件平臺。
克服奴才心態(tài)，做自己的指令系統(tǒng)
“指令系統(tǒng)、基礎(chǔ)工業(yè)(工藝材料和設(shè)備)是信息產(chǎn)業(yè)的兩個最重要基石?；趪庵噶钕到y(tǒng)的信息產(chǎn)業(yè)支撐不了中華民族偉大復興。我們中國人可以用英文來寫文章，但不可能基于英文來發(fā)展我們自己的民族文化。同樣，我們中國人也可以用國外的指令系統(tǒng)做產(chǎn)品，但是我們不能指望用國外的指令系統(tǒng)來做自己的生態(tài)。”胡偉武坦言，龍芯這么多年的發(fā)展歷程就是一個鮮活的例子，“做跟班是可以的，想超越是不行的。龍芯CPU曾經(jīng)在MIPS架構(gòu)里邊性能是最高的，在軟件生態(tài)方面，龍芯也是慢慢成為MIPS領(lǐng)域的主導者，但是MISP覺得龍芯要超過他們則是不允許的。丫鬟拿了一輩子鑰匙，也還是丫鬟。所以，我們需要克服奴才心態(tài)，做自己的指令系統(tǒng)。”
龍芯中科董事長 胡偉武
“LoongArch指令系統(tǒng)正在與x86、Arm一樣成為一個國際主流的指令系統(tǒng)，它以后還會開源，但它跟RISC-V不一樣，RISC-V的開源是美國人主導的，而我們LoongArch的開源是我們中國人自己的開源指令系統(tǒng)。雖然過去我們國內(nèi)曾經(jīng)有過一些自主研發(fā)的指令系統(tǒng)都沒成功，但是我相信我們的LoongArch是可以成功的。”胡偉武說道。
根據(jù)龍芯中科公布的國內(nèi)第三方測試機構(gòu)的測試結(jié)果顯示，龍芯3A5000處理器在GCC編譯環(huán)境下運行SPEC CPU2006的定點、浮點單核Base分值均達到26分以上，四核分值達到80分以上。基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)的龍芯3A5000桌面系統(tǒng)的Unixbench單線程分值達1700分以上，四線程分值達到4200分以上。上述測試分值已經(jīng)逼近市場主流桌面CPU水平，在國內(nèi)桌面CPU中處于領(lǐng)先地位。
較上一代龍芯3A4000處理器，龍芯3A5000處理器在保持引腳兼容的基礎(chǔ)上，性能提升50%以上，功耗降低30%以上。
據(jù)龍芯中科副總裁 張戈介紹，此次發(fā)布的龍芯3C5000系列是龍芯面向服務(wù)器領(lǐng)域傾力打造的高性能通用處理器，采用全新的龍芯LoongArch自主指令系統(tǒng)，具備超強算力性能卓越的特點，可滿足通用計算大型數(shù)據(jù)中心云計算中心的計算需求。
龍芯中科副總裁 張戈
在芯片設(shè)計方面，龍芯3C5000通過封裝集成了四個3A5000硅片，形成16核處理器，重點優(yōu)化多核多路互聯(lián)效率。單芯片unixbench分值9500以上，雙精度計算能力達560GFlops，16核處理器峰值性能與典型Arm 64核處理器的峰值性能相當，并支持最高16路互連，搭配新一代龍芯7A2000橋片，PCIe吞吐帶寬比上一代提升400%以上?？蓾M足通用計算、大型數(shù)據(jù)中心、云計算中心的計算需求。
龍芯現(xiàn)階段的主要矛盾：應(yīng)用生態(tài)
縱觀龍芯CPU的發(fā)展歷程，胡偉武認為，可以分為三個階段：
在2019年之前，龍芯面臨的主要矛盾是CPU性能不足。比如，在2013- 2015年龍芯第一代產(chǎn)品(3A1000、3B1500) 通用處理性能只有市場主流產(chǎn)品的1/10，隨后在2016-2018年推出的第二代產(chǎn)品(3A2000、 3A3000) ，3A3000性能是3A1000的4倍，解決了操作系統(tǒng)與硬件結(jié)合部的穩(wěn)定性問題，達到基本可用。
在2019-2021年，龍芯推出了第三代產(chǎn)品(3A4000、3A5000、3C5000)?，尤其是自主LoongArch指令集的3A5000性能達到了3A3000的3倍，相比上一代的3A4000性能也提升了50%以上，功耗降低30%以上，逼近市場主流產(chǎn)品水平，達到了好用的程度。
但是，配套的國產(chǎn)操作系統(tǒng)成為了龍芯當時面臨的主要矛盾。當時國內(nèi)眾多“小而散”的國產(chǎn)操作系統(tǒng)開發(fā)團隊逐漸整合成了統(tǒng)信、麒麟兩大國產(chǎn)操作系統(tǒng)團隊，各自已有2000-3000人的規(guī)模。在這過程中，龍芯需要解決操作系統(tǒng)與硬件結(jié)合部的兼容性問題，消除操作系統(tǒng)和硬件的組合“爆炸”。
“我們曾經(jīng)有一個時期，每個整一個操作系統(tǒng)對每款整機都有適配，現(xiàn)在我們一個操作系統(tǒng)，不管誰的整機，比如只要龍芯CPU裝上就能跑?！焙鷤ノ湔f道。
隨著自主LoongArch指令集的3A5000系列的推出，接下來，龍芯還將會推出第四代產(chǎn)品(3A6000、3A7000) ，屆時將達到市場主流產(chǎn)品水平。
據(jù)胡偉武透露，3A6000將會采用與3A5000相同的制裁工藝（應(yīng)該是12nm），將主要通過設(shè)計優(yōu)化來提高性能?；诜抡娼Y(jié)果，3A6000處理器單核SPEC CPU 2006定點/浮點base分值（GCC）從26/28分提高到35/45分，雙DDR4的Stream帶寬(峰值51. 2GBps)也將從25GBps提高到38GBps。
隨著龍芯CPU性能的不斷提高，2022年起龍芯技術(shù)平臺的主要矛盾也開始轉(zhuǎn)向應(yīng)用生態(tài)。龍芯基礎(chǔ)軟件工作重點也從操作系統(tǒng)與硬件結(jié)合部轉(zhuǎn)向操作系統(tǒng)與應(yīng)用結(jié)合部。
三大舉措，構(gòu)建LoongArch應(yīng)用生態(tài)
對此，龍芯采取了三大舉措：一個是夯實基礎(chǔ)；二是廣泛兼容，不光Linux內(nèi)部的兼容，還要跟x86和Arm兼容；三是開發(fā)自主應(yīng)用，形成自主編程框架和編程語言。
為此，龍芯除了持續(xù)與統(tǒng)信、麒麟等國產(chǎn)操作系統(tǒng)廠商合作之外，還面向信息化應(yīng)用和工控及終端應(yīng)用分別推出了龍芯基礎(chǔ)版操作系統(tǒng)Loongnix和龍芯基礎(chǔ)版操作系統(tǒng)LoongOS。
龍芯還完成了LoongArch基礎(chǔ)軟件體系（LBF）的建設(shè)，已經(jīng)可以實現(xiàn)原生支持Linux全部主流基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用環(huán)境。也就是說，在Linux平臺上，x86、Arm有的，龍芯也有。
當然，Linux平臺的開放性也引發(fā)了很多應(yīng)用兼容性問題，包括打包格式不兼容，API環(huán)境不兼容，內(nèi)核升級引起不兼容等等。為了解決這一問題，龍芯推出了龍芯應(yīng)用兼容框架（LCF）實現(xiàn)跨Linux版本應(yīng)用兼容。
而為了兼容各種x86、Arm應(yīng)用，龍芯也推出了自研的x86架構(gòu)翻譯系統(tǒng)（LATX）和Arm架構(gòu)翻譯系統(tǒng)。胡偉武表示，這里邊需要用到很多核心技術(shù)：首先LoongArch指令一定要加入一些x86和Arm功能的指令，這樣翻譯才會高效；其次，要做一個從x86架構(gòu)到LoongArch架構(gòu)的高效的二進制翻譯器；第三還要模擬出Windows環(huán)境來。
據(jù)介紹，目前龍芯在兼容x86/Windows應(yīng)用方面，正按照“3＋10＋X”的節(jié)奏在推進?！?”指的是Windows打印機（Linux平臺很多打印機驅(qū)動都沒有）、IE兼容的瀏覽器、.NET虛擬機；“10”指的是10個常見的基礎(chǔ)應(yīng)用。
胡偉武表示：“按照3＋10＋X的節(jié)奏，我們第一要把兼容性做好，第二是要把性能優(yōu)化好，最后再把整個普通通用的平臺做好。我覺得也許今年3＋10可以做好，明年我們再把X也做好?！?/span>
此外，為了解決Linux及Windows生態(tài)當中一些用戶經(jīng)常遇到的瀏覽器問題，龍芯還推出了自主開發(fā)的兼容IE的龍芯瀏覽器。比如，基于IE/Windows系統(tǒng)開發(fā)的大量歷史應(yīng)用（各類網(wǎng)頁元素及插件）無法在當前的Chrome等瀏覽器上運行，像很多用戶登錄網(wǎng)銀都會遇到類似的問題。而龍芯瀏覽器通過插件兼容技術(shù)、二進制翻譯、網(wǎng)頁元素兼容轉(zhuǎn)碼等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了對IE應(yīng)于的兼容。
胡偉武自豪的表示：“我相信全球的Linux平臺，只有龍芯瀏覽器能夠順利的登錄咱們的各家網(wǎng)銀。所以我經(jīng)常說生態(tài)是做出來的，不是跟出來的，不是說我跟x86兼容，我的生態(tài)就肯定好，因為人家的生態(tài)也不一定好?！?/span>
最后，對于目前國內(nèi)信創(chuàng)領(lǐng)域出現(xiàn)的，自主CPU和操作系統(tǒng)的整機產(chǎn)品需要無休止的遷移適配問題，龍芯也正在推動自主編程框架和編程語言的建立。
胡偉武指出，自主CPU和國產(chǎn)操作系統(tǒng)的整機產(chǎn)品需要無休止的遷移適配，是因為運行在上面的應(yīng)用都是基于國外的編程框架寫出來的。而Windows、安卓、iOS平臺則不存在適配問題，因為他們有自己的編程框架。
胡偉武強調(diào)，自主指令系統(tǒng)＋自主編程框架是自主軟件生態(tài)的底座。自主編程框架是自主操作系統(tǒng)的重要特征。目前的國產(chǎn)操作系統(tǒng)都不是真正意義上的自主操作系統(tǒng)，只是開源操作系統(tǒng)的自主發(fā)行版。APP開發(fā)者使用自主編程框架進行編程才能徹底解決無休止的適配問題。
為了解決這一問題，龍芯計劃推出自主龍芯自主編程框架LDF (Loongson appl ication Development Framework) 。據(jù)介紹，目前龍芯正在調(diào)研Windows、 IOS、 Android編程框架的特征，形成龍芯自主編程框架，爭取2023/2024年推出。
“龍芯經(jīng)過20年的發(fā)展，到2021年自主CPU和OS基本完成補課，自主CPU的應(yīng)用軟件生態(tài)正變得越來越好。龍芯將在‘十四五’期間努力完成‘三個轉(zhuǎn)變’：從技術(shù)‘補課’到生態(tài)建設(shè)的轉(zhuǎn)變；從政策性市場到開放市場的轉(zhuǎn)變；從跟隨性發(fā)展的‘必然王國’到自主發(fā)展的‘自由王國’的轉(zhuǎn)變。”胡偉武最后總結(jié)說到。
編輯：芯智訊-浪客劍
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