龍芯芯片大功告成：指令集、芯片、方案實(shí)現(xiàn)全國產(chǎn)化！

2023-07-14 來源：作者：深圳市中電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司

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指令集是計(jì)算機(jī)運(yùn)行指令的集合，是一本計(jì)算機(jī)運(yùn)行的“詞典”，也是CPU底層的核心技術(shù)之一。

在服務(wù)器市場和PC市場，x86指令集是絕對(duì)的主流。Counterpoint Research的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2022年全球服務(wù)器市場上，x86指令集仍然是服務(wù)器CPU市場的主導(dǎo)，占到了91%左右。而根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2021年，國內(nèi)x86服務(wù)器出貨量為382.0萬臺(tái)，在國內(nèi)服務(wù)器市場中的占比高達(dá) 97.7%。

因此，x86指令集已經(jīng)完全建立起了其軟硬件生態(tài)，應(yīng)用廣泛，有較強(qiáng)的兼容性，商業(yè)回報(bào)也最為豐厚，從而能夠投入更多的研發(fā)資源，進(jìn)一步提升CPU的性能，進(jìn)而帶動(dòng)商業(yè)生態(tài)繼續(xù)擴(kuò)大。

ARM指令集是一種可以開放授權(quán)給任何一家CPU廠商的指令集。ARM公司通常將設(shè)計(jì)好的指令集和架構(gòu)授權(quán)給CPU開發(fā)企業(yè)收取授權(quán)費(fèi)用，但自身不直接參與CPU的開發(fā)和生產(chǎn)。

ARM指令集像手機(jī)的Android操作系統(tǒng)一樣開放，獲得授權(quán)的CPU廠商都可以基于ARM指令集設(shè)計(jì)自己需要的CPU。而且，ARM指令集CPU功耗低、能效比優(yōu)秀，在移動(dòng)端設(shè)備和消費(fèi)電子類產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。

在中國市場，intel+AMD的X86芯片至少占了國內(nèi)PC市場90%以上的份額，ARM指令集芯片也占了國內(nèi)移動(dòng)終端市場95%以上份額。

市場被別人占住，帶來了另外一個(gè)問題，那就是被人卡住了脖子，一旦對(duì)方不授權(quán)給你了，怎么辦？

前段時(shí)間，ARM公司已經(jīng)宣布不再向國內(nèi)廠商提供ARM v9指令集的授權(quán)。ARM v9被視作自Armv8以來的重大變革，在AI與安全性能上均有大幅度升級(jí)，這使得國內(nèi)很多使用ARM指令集的廠商都將面臨技術(shù)迭代斷檔的風(fēng)險(xiǎn)，這就是被卡住了脖子。

堅(jiān)持自主研發(fā)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)100%國產(chǎn)化

前車之鑒，后車之師。在頻頻被卡脖子之后，自主研發(fā)已然成為中國芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，一個(gè)迫切需要解決的問題，核心技術(shù)只有靠自身的研發(fā)投入，才能掌握在自己手中。而在這個(gè)領(lǐng)域里，龍芯中科一直是備受矚目的存在。

龍芯中科走的“授權(quán)+自研”指令集路線，確實(shí)將底層技術(shù)牢牢地掌握在了自己手中。

目前，龍芯中科是國內(nèi)唯一基于自主指令系統(tǒng)構(gòu)建、獨(dú)立于Wintel/AA的開放信息技術(shù)體系，和國內(nèi)多數(shù)企業(yè)直接購買國外商業(yè)IP進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)、基于x86/Arm指令系統(tǒng)融入國外信息技術(shù)體系、依賴境外先進(jìn)工藝提升性能的做法，是完全不同的。

龍芯在獲得MIPS指令集授權(quán)后，借鑒創(chuàng)新出LoongArch指令集。這可以簡單理解為指令集技術(shù)的“逆向工程”，先買別人的來研究仿制，再獨(dú)立開發(fā)，并一步步迭代。

這條路走得艱難，在沒有前人領(lǐng)路，只能“自學(xué)”的情況下，龍芯完成研究到獨(dú)立開發(fā)迭代。在性能方面，龍芯制程工藝達(dá)到12nm節(jié)點(diǎn)，性能逐步達(dá)到七八年前主流水平。這表明授權(quán)+自研指令集路線的CPU，雖然還沒有追上主流CPU的性能，已經(jīng)取得了不小的進(jìn)步。

龍芯中科處理器核心IP實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計(jì)，依托于三大產(chǎn)品線，構(gòu)建完整生態(tài)。龍芯中科通過完成自研指令系統(tǒng)、CPU和操作系統(tǒng)，龍芯中科打造獨(dú)立自主信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系，在處理器核設(shè)計(jì)、高速互連設(shè)計(jì)、內(nèi)存控制器設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)等核心技術(shù)取得多項(xiàng)專利。

在產(chǎn)品方面，龍芯中科研制的芯片包括龍芯1號(hào)、龍芯2號(hào)、龍芯3號(hào)三大系列處理器芯片及橋片等配套芯片，主要客戶是板卡、整機(jī)廠商。龍芯1號(hào)系列、龍芯2號(hào)系列主要面向工控類應(yīng)用；龍芯3號(hào)系列主要面向信息化應(yīng)用，其中部分面向高端工控類應(yīng)用；配套橋片在工控類和信息化類領(lǐng)域均有應(yīng)用。

龍芯CPU的產(chǎn)品布局分為三大系列：

龍芯1號(hào)是MCU(微控制器)，專門面向嵌入式應(yīng)用。目前該部分產(chǎn)品在開放市場中的主要應(yīng)用場景有跑步機(jī)、健步機(jī)、智能門鎖等。

龍芯2號(hào)是SoC(片上系統(tǒng))，面向工控、終端應(yīng)用，又可以細(xì)分為龍芯2K1000LA、龍芯2K2000、龍芯2K3000三大平臺(tái)，目前分別使用40nm、28nm、12nm工藝，同時(shí)結(jié)合具體引用，還可以定制專用的SoC。

龍芯3號(hào)是CPU(通用處理器)，面向桌面和服務(wù)器應(yīng)用，也是多數(shù)人更熟悉的，搭配自研橋片(芯片組)形成雙芯片的解決方案。

該系列已經(jīng)演進(jìn)了三代，第一代是龍芯3A1000、龍芯3B1500，第二代是龍芯3A2000、龍芯3A3000，第三代則是龍芯3A4000、龍芯3A5000、龍芯3C5000。

龍芯自研芯片及相關(guān)應(yīng)用案例介紹：

龍芯3A5000

龍芯3A5000是面向桌面和服務(wù)器等信息化領(lǐng)域的通用處理器，是首款采用龍芯指令系統(tǒng)（LoongArch）的處理器芯片。主頻為2.3GHz-2.5GHz，包含4個(gè)處理器核心。每個(gè)處理器核心采用64位超標(biāo)量GS464V自主微結(jié)構(gòu)，包含4個(gè)定點(diǎn)單元、2個(gè)256位向量運(yùn)算單元和2個(gè)訪存單元。其關(guān)鍵IP源代碼均為自主編寫，芯片內(nèi)置安全模塊。

龍芯3A5000集成了2個(gè)支持ECC校驗(yàn)的64位DDR4-3200控制器，4個(gè)支持多處理器數(shù)據(jù)一致性的HyperTransport 3.0控制器。龍芯3A5000支持主要模塊時(shí)鐘動(dòng)態(tài)關(guān)閉，主要時(shí)鐘域動(dòng)態(tài)變頻以及主要電壓域動(dòng)態(tài)調(diào)壓等精細(xì)化功耗管理功能。可廣泛適用于五軸數(shù)控機(jī)床、工業(yè)計(jì)算機(jī)、雙路服務(wù)器等場景。

應(yīng)用案例：五軸數(shù)控機(jī)床

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該方案基于龍芯3A5000芯片，完成龍芯CPU+ Loongnix + Preempt-RT的核心底層平臺(tái)，并完成了五軸數(shù)控系統(tǒng)核心功能基于該平臺(tái)的移植與初步驗(yàn)證，正在開展實(shí)時(shí)系統(tǒng)、 PLC子系統(tǒng)、總線協(xié)議棧、設(shè)備及軸管理、內(nèi)核重構(gòu)、 IDE編程調(diào)試軟件、 HMI軟件移植等完善提升。

龍芯3C5000

龍芯3C5000通過封裝集成了四個(gè)3A5000硅片，形成16核處理器，重點(diǎn)優(yōu)化多核多路互聯(lián)效率主頻 2.2-2.5GHz，單芯片雙精度浮點(diǎn)峰值運(yùn)算速度超過 0.5TFLOPS。單芯片unixbench分值9500以上，雙精度計(jì)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。可滿足通用計(jì)算、大型數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算中心的計(jì)算需求。

應(yīng)用案例：工業(yè)服務(wù)器

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（3C5000邊緣云可擴(kuò)展服務(wù)器）

3C5000 多達(dá)16核、2.5GHz的主頻為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用服務(wù)器、OPC服務(wù)器提供充沛的計(jì)算能力。可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場、設(shè)備控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控、高性能高可靠運(yùn)算等場景。

龍芯2K1000LA

龍芯2K1000是面向工業(yè)控制與終端等領(lǐng)域的低功耗通用處理器，片內(nèi)集成兩個(gè) 64 位的雙發(fā)射超標(biāo)量 LA264 處理器核，主頻 1GHz，功耗低至1~5W ，并支持動(dòng)態(tài)降頻降壓，集成 GPU。芯片外圍接口包括兩路PCIE2.0、一路SATA2.0、4路USB2.0、兩路DVO、64位DDR3及其它多種接口。可廣泛適用于行業(yè)自助終端、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、PLC等領(lǐng)域。

應(yīng)用案例：AI雙目識(shí)別一體機(jī)

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