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2023-01-31
性能接近國際巨頭后，龍芯將迎來什么？
更新時間：2023-01-13 09:38:09作者：智慧百科
【文/科工力量專欄作者 鐵流】
日前，龍芯發(fā)布了用于服務(wù)器市場的的3D5000系列芯片，引發(fā)關(guān)注。
3D5000與3C5000屬于同一代CPU，是采用Chiplet技術(shù)把兩片3C5000芯片互聯(lián)和封裝在一起，進(jìn)而獲得一片32核CPU，這種方式也被稱為“膠水32核”。就性能而言，龍芯3D5000的IPC接近AMD Zen2的水平，全芯片性能與同主頻下的32核AMD Zen2架構(gòu)CPU接近，對于大部分應(yīng)用已經(jīng)是夠用了。
在2023年，性能更強(qiáng)的龍芯6000系列CPU將要問世，龍芯在IPC上與英特爾、AMD的差距將會進(jìn)一步縮小，真正阻礙龍芯在市場上推廣的要素將不再是CPU性能，而是軟件生態(tài)。
龍芯5000系列是自主CPU里程碑
2019年，龍芯3A4000四核處理器亮相。龍芯3A4000是繼3A3000之后的新一代處理器。3A4000既升級了新內(nèi)核GS464V，IPC大幅提升；又通過在原有28nm工藝上深入磨合優(yōu)化，改進(jìn)電路和物理設(shè)計方法，在制造工藝與3A3000相同的情況下，將性能提升了一倍。就3A4000的IPC而言，已經(jīng)從3A3000的7/G達(dá)到了9.8/G，AMD的Zen大致也就在10/G水平，龍芯3A4000的GS464V是一款可以與第一代Zen匹敵的內(nèi)核。
3A5000的內(nèi)核是基于GS464V進(jìn)行小改，IPC為10.6/G，采用12nm工藝，主頻為2.2G至2.5G，后期流片的有2.7G主頻版本，SPEC06定點成績超過26（GCC，@2.5Ghz），這對于自主CPU而言已經(jīng)是非常不錯了，即便和引進(jìn)的CPU相比，其定點和浮點性能僅次于海光，超過其他引進(jìn)的X86和ARM CPU。
龍芯3A5000與龍芯3C5000、3D5000屬于同一代CPU，3C5000采用LoongArch指令集，16核心單芯片unixbench分值9500以上，雙精度計算能力達(dá)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(dāng)，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。就SPEC2006測試來看，單核定點浮點Base分均大于10/G，單芯片分值超過200。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。該處理器通過芯片級安全機(jī)制可為等保2.0、可信計算、國密算法替代、網(wǎng)絡(luò)安全漏洞防護(hù)等提供CPU級內(nèi)生支持。
3C5000最大特點是單核性能強(qiáng)，特別是unixbench這種看重單核和內(nèi)存性能，多核加速比很低的測試，龍芯只用16核就能跑到9500，某ARM CPU即便有64核也跑不到這個成績。從公開的數(shù)據(jù)來看，3C5000的性能在信創(chuàng)市場足夠用了，而且16核的核心是使其部署比較靈活。
龍芯3D5000則是把兩個3C5000封裝到一起的膠水32核芯片，集成了64MB的L3 Cache，支持最多8個DDR4-3200 DRAM，可以通過HyperTransport接口構(gòu)建至多四路處理器，因此單機(jī)可以支持多達(dá)128核。在性能方面，龍芯3D5000單路和雙路服務(wù)器的SPEC CPU2006 Base實測可以超過400分和800分，預(yù)計四路服務(wù)器的分值可以達(dá)到1600分。可以說，龍芯3D5000主要針對一些對性能有更高要求的場景，只要軟件生態(tài)跟得上，完全可以替換掉英特爾至強(qiáng)CPU。
龍芯6000性能將再次飛躍
相對于一些技術(shù)引進(jìn)CPU在引進(jìn)海外技術(shù)后CPU IPC增長緩慢，性能提高基本依靠購買更好的EDA工具和買臺積電更好的工藝。龍芯一直致力于提升CPU微結(jié)構(gòu)設(shè)計水平來提升CPU的性能，沒有盲目去堆核心數(shù)量。這種穩(wěn)扎穩(wěn)打的做法使龍芯在過去10年中IPC提升了3-4倍，在桌面CPU上成效立竿見影。
CPU的IPC在過去10年中提升了3-4倍，這使龍芯可以在制造工藝上落后技術(shù)引進(jìn)的某ARM CPU一代的情況下，依然可以依靠CPU微結(jié)構(gòu)設(shè)計水平做到性能持平或略優(yōu)于技術(shù)引進(jìn)的某ARM CPU。當(dāng)龍芯與引進(jìn)的某ARM CPU采用相同工藝時，龍芯可以憑借其IPC上的優(yōu)勢在性能上領(lǐng)先某ARM CPU。
龍芯3A5000
3A6000和3A5000采用相同制造工藝，龍芯依靠其設(shè)計能力把CPU性能大幅提升，主要是拉大框架，比如把4發(fā)射改成6發(fā)射等等。從此前公布的仿真成績看，定點相對于3A5000提升30%，浮點相對于3A5000提升60%，這種提升是非常駭人的——如果仿真成績與最終成績相當(dāng)，那么，3A6000 SPEC06單核定點Base分大于13/G，浮點Base分大于16/G，基本達(dá)到AMD Zen2水平。如果3A5000為2.5G至2.8G，那么，3A6000的 SPEC06單核定點Base分大于35，浮點將大于45。
從公開信息看，在使用相同工藝的情況下，3A6000性能比3A5000提升40%—60%，芯片面積縮小20%，12nm的3A6000對標(biāo)7nm的AMD Zen2。做最保守估算，3A6000 SPEC06單核定點Base分為32分（@2.5G）至35分（@2.8G）。這個性能對于信創(chuàng)和日常使用而言都已經(jīng)明顯過剩了。
必須說明的是，仿真往往是不準(zhǔn)確的，有的公司會高估，有的公司會低估，從龍芯這幾年發(fā)布的信息看，龍芯是偏保守的，實測成績只會比仿真成績好，以最近流片回來的2K2000來看，實測成績比龍芯仿真成績高了20%至30%，這大大超乎龍芯的預(yù)期。龍芯2k2000的LA364性能基本追平ARM A76，充分展示了自主路線的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展活力。
3C6000是16核服務(wù)器芯片，內(nèi)核是LA664，與3A6000相同。3D6000則是兩片3C6000封裝在一起構(gòu)成32核服務(wù)器CPU，可以匹敵搭載Zen2核心的AMD EPIC。只要軟件能跟上，商業(yè)市場已經(jīng)沒有性能短板了。
龍芯下一代7000系列CPU，進(jìn)一步提升CPU核性能，IPC瞄準(zhǔn)Zen3和12代酷睿，計劃采用7nm工藝，SPEC06定點Base最保守估算是40分，屆時，會有24-32核的3D7000（7nm）和48-64核3E7000（兩片封裝）。
Chiplet有利有弊 不宜神化
有文章認(rèn)為：由于地緣政治的影響，中國的半導(dǎo)體行業(yè)受到了種種限制，尤其是開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵芯片（如國產(chǎn)CPU，或者之后有可能受到影響的其他高性能計算芯片）的公司難以使用最先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝節(jié)點。
另一方面，中國的半導(dǎo)體fab同樣由于受到地緣政治的影響，難以快速追趕全球最先進(jìn)的工藝節(jié)點，而目前只能主要生產(chǎn)成熟工藝節(jié)點（如28nm），或者是介于成熟工藝和先進(jìn)工藝之間的工藝節(jié)點（例如SMIC今年剛開始大規(guī)模量產(chǎn)14nm，未來幾年可望做到10nm以下）。即使是介于成熟工藝和先進(jìn)工藝之間的工藝節(jié)點，也會存在良率較低等問題，需要時間來解決。
在這樣的情況下，國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權(quán)芯片在受到地緣政治影響下只能使用較落后的工藝節(jié)點，那么使用Chiplet這樣的高級封裝技術(shù)就成為了突破工藝限制，或者說至少減少工藝對于芯片影響的一種重要技術(shù)。
鐵流認(rèn)為，以上觀點總體是沒問題的，但不宜將Chiplet神化，畢竟封裝也是存在成本和良率問題，關(guān)鍵還是要看需求和場景。
當(dāng)下，龍芯的最大短板是軟件生態(tài)，其次是制造工藝。就工藝而言，一方面是龍芯錢少，不可能和蘋果、高通這些巨無霸去搶臺積電最尖端工藝，何況當(dāng)下臺積電尖端工藝還存在政治風(fēng)險。正是因此，龍芯在制造工藝的選擇上往往是偏保守，基本與境內(nèi)晶圓廠的最佳制造工藝同步，而彌補(bǔ)工藝差距的方式就是采用Chiplet技術(shù)。Chiplet是一種封裝技術(shù)，在制造工藝與臺積電有差距的情況下，可以通過使用先進(jìn)封裝技術(shù)來彌補(bǔ)不足。
Chiplet技術(shù)并非是橫空出世的新技術(shù)，過去，AMD的64核和128核就是將8核的芯片和IO橋片封裝在一起的，這其實就是運用Chiplet構(gòu)建多核和SoC主流的技術(shù)。Chiplet最大的優(yōu)勢是降低成本和提升芯片集成度，可以使12nm芯片在集成度上媲美7nm芯片。由于片內(nèi)互聯(lián)效率大幅高于片外互聯(lián)，將原來的板載芯片集成進(jìn)來以后，可以大幅提升互聯(lián)速度。此外，Chiplet還可以實現(xiàn)不同制造工藝芯片的“混搭”，比如關(guān)鍵模塊采用14nm工藝，次要模塊采用28nm工藝，然后封裝到一起，這種SoC的性能和真正的14nm芯片相差無幾，但成本將低于14nm芯片，在性價比方面會更有優(yōu)勢。
目前，龍芯的技術(shù)還屬于2D水平，其實并不算多強(qiáng)，現(xiàn)在主流已經(jīng)開始向2.5D和3D發(fā)展。龍芯3D5000之所以沒上2.5D，主要是因為就目前龍芯的互聯(lián)速度，2D版本就足夠了，后續(xù)接口到16Gbps了就會采用2.5D。
必須說明的是，不宜把Chiplet神化，因為封裝也有成本的，還有良率的問題，也不是封得越多越好。關(guān)鍵還是看需求，Chiplet對服務(wù)器芯片有利，普通芯片盲目封裝沒太多好處。
展望未來
就性能而言，3A5000應(yīng)對日常使用和單位辦公已經(jīng)是性能過剩了，3A6000則是進(jìn)一步性能過剩，7000系列CPU則能進(jìn)入商業(yè)市場競爭。對于龍芯而言，性能已經(jīng)不是最大短板，軟件生態(tài)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)才是短板。
對此，龍芯措施是兩手抓，一方面用二進(jìn)制翻譯兼容X86生態(tài)，另一方面推出自主編程框架。
以LATX來說，目前已經(jīng)可以運行大量X86/Windows應(yīng)用，預(yù)計還需要一年時間完善。以打印機(jī)來說，現(xiàn)在97%、98%以上的打印機(jī)龍芯不用遷移，可以直接用，這在X86和ARM上都沒有做到，凡是windows有的驅(qū)動龍芯都能跑。還有少量的2%、3%的問題，將逐步解決，也就是說在X86和ARM平臺上肯定很多打印機(jī)認(rèn)不了，但在龍芯的平臺上，可以保證100%的打印機(jī)都能識別。
自主CPU和操作系統(tǒng)的整機(jī)產(chǎn)品之所以需要無休止的遷移適配，主要是因為這些系統(tǒng)是不在自主平臺上寫的，現(xiàn)有的應(yīng)用都是基于別人的編程框架編出來的，自主編程框架是自主操作的重要特征，目前國產(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)者使用的自主編程框架進(jìn)行編程才能徹底解決無休止的適配問題，所以龍芯在明年爭取推出自主編程框架。未來就像手機(jī)APP有蘋果版和安卓版，未來電腦的系統(tǒng)有龍芯版和windows版，這樣龍芯就有自己的生態(tài)了。
這個過程會非常漫長，也許5年，也許8年。軟件生態(tài)建設(shè)就是一場持久戰(zhàn)，只要堅持不懈，就能如同八年抗戰(zhàn)趕走日本鬼子那樣，構(gòu)建成龍芯生態(tài)。
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