半岛·综合体育荣获国产科技特别贡献金奖：龙芯CPU的性能升级之路从2001年龙芯项目组成立，到2008年龙芯公司诞生，20多年来，龙芯CPU从未像今年这样扬眉吐气。最近刚发布的龙芯3A6000处理器总体性能与Intel公司2020年上市的第10代酷睿四核处理器相当，形象地诠释了厚积薄发的含义。龙芯3A6000是4核8线程的规格，对标的是酷睿i3-10100，至于第10代酷睿那些核心更多的型号，龙芯也很快会推出后续产品去与它们对应。

　　在酷睿14代已经推出的当下，第10代酷睿i3已经不怎么起眼，不过我们不能只盯着差距而忽略龙芯的进取。以往的龙芯看似前路茫茫，现在的它已能拽住市场主流CPU的尾巴，那么未来有朝一日，龙芯CPU是否能与Intel、AMD以及ARM的产品齐头并进呢？

　　从1971年到2001年，这30年间是集成电路和CPU技术高速发展的阶段，CPU的集成度和运算速度呈指数级增长，平均18个月翻一番，30年间CPU性能提高了百万倍。不过因为CPU性能越来越高，所以性能翻倍的时间间隔也越来越长。从2001年到2010年这10年，Intel CPU的单核性能上涨了十多倍，但从2011年至2020年这10年，同级别Intel CPU的单核性能只翻了一倍。然而，Intel在这20年之所以能保持着单核性能近乎线性增长，说明它其实是游刃有余的。果然，在AMD给予Intel“惊吓”之后，Intel第12代酷睿的性能突飞猛进。虽然从第12代酷睿到酷睿14代，Intel又恢复了以往的节奏，但谁也不知道它是否留有余力。

　　2001年国内的CPU设计技术已经与世界脱节20～30年，龙芯CPU在这一年才开始孕育，准备挑战已经成长了30年的x86 CPU产品。

　　由于科技水平的整体提升，龙芯不需要从Intel 4004的水平做起，但第一款龙芯CPU——龙芯一号的性能极低，只与Pentium（586）同级别，这些古老的CPU甚至运行不了SPEC_CPU_2006。龙芯一号的性能不到同年Intel Pentium4的1/20，假如用SPEC_CPU_2006对它进行测试，按比例算成绩就只有0.2分左右。因此，纵然开始几年龙芯CPU性能每年都翻倍，但增长的绝对性能却不到Intel的零头。测试成绩从0.2翻倍到0.4，再翻倍到0.8……还要再翻两次才能抵消Intel每年上涨的两三分。如此推断bob半岛，在接下来的十来年里，龙芯与Intel的绝对性能差距会越来越远，这令最有信心的人也逐渐迷茫。

　　2006年之后，因为某些原因，所有与“芯”有关的项目都备受质疑，在各种压力下，龙芯项目组开始急于求成。单核性能不足那就做多核，提升通用处理性能太难那就去提升专用性能，于是接连诞生几款看似强大的产品：4核的龙芯3A1000、浮点运算速度达到192GFlops的8核龙芯3B1500。龙芯3B1500的浮点性能甚至超过了Inte酷睿i7-980Ebob半岛，可是绝大多数应用软件需要的是单核通用处理性能，再强大的浮点性能也无法让各种软件都流畅运行。从2006年到2015年的10年间，龙芯CPU的单核通用处理性能提升缓慢，哪怕是特定行业的客户也视如敝屣，龙芯的发展境况雪上加霜。

　　2011年龙芯重整旗鼓，确立了桌面CPU的研究重心——提高CPU单核通用性能，并决定在每GHz的性能达到主流水平之前，最多只做4核CPU，放弃当时的众核路线。因为资金不足，龙芯开始“减员增效”，又分散了大量的精力设计能赚钱的嵌入式CPU，以维持桌面CPU的研发，新核心的研发进度被拖慢。龙芯3A2000仿真测试完成后还要等着筹集流片的钱，直到2015年才正式降生。在间断等待期间，龙芯的研发者也没有闲着，比如同步多线程、二进制翻译、动态调压调频等都诞生于这个阶段，只是要经济状况好转半岛BOB·中国官方网站、技术条件成熟之后才能把科研成果变成商用产品。

　　龙芯3A2000改用国内40nm工艺，主频从龙芯3B1500的1.5GHz降回1.0GHz。但因为每GHz的性能提高到了2.5倍，所以单核性能达到Intel Pentium 4的水平。4核的龙芯3A2000整体性能是Pentium 4的3倍以上，应对普通的办公已经没有问题。

　　龙芯3A2000帮助龙芯实现了扭亏为盈，2017年发布的龙芯3A3000则是更换工艺提高频率的版本，龙芯已经启用了Tick-tock的策略：一代升级工艺，一代升级核心。2019年发布的龙芯3A4000使用了新设计的核心，每GHz的性能接近AMD的Zen核心。龙芯3A4000成为龙芯与Intel性能差距的转折点，它们的距离不再是越来越远。接下来，龙芯3A5000升级工艺，龙芯3A6000再次升级核心，通过提升单核心性能，低频打高频，一举把与Intel的差距缩短到了3年。从龙芯CPU的进步趋势，我们看到了龙芯追赶Intel产品性能的希望。

　　如果只看CPU性能是否接近，前段时间有家公司找Intel做的OEM产品当然更加接近Intel CPU的性能，但是它不可能用Intel的产品去战胜Intel。同样，依赖国外授权的架构和IP核也不可能战胜规则的制定者。

　　只要CPU中使用的标准、专利、关键技术等都由国外掌握，或者依附国外的软硬件生态，就随时可能失去竞争的资格。如果不想前进的路上突然出现深渊，就必须提升自主的层次。龙芯是极少数主动提升自主层次的国产CPU企业之一，少有CPU企业像龙芯这样不但自己设计指令集、建立自主软硬件生态，还力求所有IP核都自主设计。

　　龙芯二十多年时间累积了上百个IP核，覆盖了CPU功能的方方面面。这里我们列出了龙芯自主设计的重要IP核，不含已经淘汰的版本。其中用在龙芯3A6000中的全部IP核全都是自主设计。自主的LoongArch指令集和自主设计的IP核，使龙芯设计CPU时完全不必依赖外部授权，有底气面对一切封锁和制裁。

　　很多人认为，因为龙芯不能安装Windows，就注定会让用户望而却步。这只是一种弱者思维，任何强大的生态都有弱小的时候，并且龙芯LoongArch指令集的软件生态已经越过了拐点，正在从“能用”向“好用”转变。对于Linux桌面和服务器用户来说，使用龙芯电脑与其他电脑几乎没有区别，各种开发工具、开源软件、国产常用软件等都有龙芯版本，Linux软件生态的成熟度已经与x86和ARM是同等水平。

　　很多Linux用户会用Wine运行Windows软件以弥补Linux的不足，在基于龙芯LoongArch架构的电脑上也同样可以这么做。尽管Wine和Windows软件都只支持x86架构，但龙芯凭借自己的二进制翻译技术能把它们一并翻译。龙芯的目标是基于龙芯的基础软硬件发展自己的应用，但作为过渡手段，还要通过二进制翻译技术兼容部分x86和ARM的应用。龙芯还用二进制翻译彻底解决了困扰Linux几十年的打印机兼容性问题，在龙芯电脑上可以直接使用Windows版的打印机驱动，即使x86版的Linux也没有这样的能力。龙芯这种一边发展自主软件生态，一边“收割”Windows应用软件的策略，使龙芯电脑可用的软件迅速丰富，基本扫清了桌面和服务器的应用障碍。

　　而在嵌入式行业，龙芯的策略是把CPU架构及核心授权出去。龙芯是国内唯一向其他组织授权通用CPU指令集和IP核的公司半岛BOB·中国官方网站。放眼当世，这样的企业不外乎Intel、AMD和ARM，现在还加上龙芯。而依赖Intel、AMD和ARM授权的CPU厂商，则不具有二次授权的资格，甚至不能对指令集和IP核自主升级。

　　LoongArch指令集授权正在筹划，龙芯设计的CPU核心已经向10家公司和组织开放授权，其中雄立科技已经完成了产品化，成为第二家设计和销售LoongArch架构CPU的企业。

　　我们知道CPU是由很多功能模块组成的，大到CPU核心，小到温度传感器，各种功能模块都统称为IP核。大多数CPU企业都是购买CPU核心、内存、PCIe等各种IP核再集成为CPU。国内只有龙芯因为积累了完备的IP库，可以不依赖外来IP核。

　　CPU核心是CPU最重要的组成部分，龙芯二十多年来大约设计了14款CPU核心。龙芯的CPU分为三个大系列，命名为1、2、3系列或小、中、大系列。龙芯CPU核心的型号也极其直白，比如LA132的第一个数字“1”表示单发射，后来的“32”表示32位，LA664就是6发射64位。

　　1号系列CPU核心用于低功耗嵌入式设备，其中LA132的用途及每GHz的性能对标ARM Cortex-M4。龙芯的合作企业有用它做SSD主控的、做智能门锁的、做机器人玩具的，还有做跑步机的……

　　2号系列CPU核心面向的是中高端工控、网络设备、轻薄笔记本等。其中LA264对标的是ARM Cortex-A55，LA364对标ARM Cortex-A75（实际上LA364每GHz的性能与Cortex-A76更接近）。Cortex-A76工艺下限是TSMC的16nm，推荐7nm，而LA364仅要求28nm工艺即可，使用12nm工艺时就能达到与使用7nm工艺的A76相近的频率，更符合国内实际情况，也更有性价比bob半岛。

　　3号系列CPU核心用于桌面和服务器CPU，龙芯3A6000的核心就是LA664，上一代龙芯3A5000的核心是LA464。龙芯3号系列的核心经过了4次大版本迭代，LA664架构的龙芯3A6000的总体性能已经演进到了第10代酷睿的水平，在一些测试软件下，单核心同频性能甚至能达到挑战14代酷睿的水平。

　　4个代次的CPU核心不只是规格的变化，更重要的是每一个大版本都进行过多次改进，通过优化微结构实现性能提升。设计CPU微结构的细节是CPU企业的秘密，除了微结构本身，还有设计思路、优缺点、多种方案的抉择过程……只有高质量的设计锻炼，才能融会贯通。如果以为买到一套CPU核心源码就能具有同等的能力，那就像学渣以为拿到学霸的试卷就能并列第一那样滑稽。

　　因为LoongArch的设计比MIPS优秀得多，所以在GS464V被LA464替换之后，每GHz的性能提高了10%左右，这是人们始料未及的。不过LA464毕竟不是专为LoongArch设计，很多指令是通过微操作进行兼容处理，因此基于LA664的龙芯3A6000这款CPU才是LoongArch更合适的载体。LA664的规格提高了很多，微结构也有重大突破，每GHz的性能提高了60%以上。特别是增加了超线程支持后，多核性能提高一倍以上。

　　每GHz性能挑战14代酷睿还不是LA664的极限，据说以LA664为基础优化出的后续版本预计每GHz的性能还能提高20%～30%。如果能实现，这将是超过Intel处理器，挑战苹果处理器的水平。苹果也是走的高IPC路线，擅长低频打高频，只不过龙芯受限于工艺，主频比苹果的CPU更低。在工艺落后，也没有充足的资金多次流片改进物理设计的现状下，提高每GHz的性能是最具性价比的路线，也是难度最高的路线。

　　龙芯除了升级CPU核心，其他IP核也在持续改进和增加。比如3A6000中的内存虽然和3A5000的规格一样，都是DDR4 3200，但实际访存性能提高了一倍，比第10代酷睿访问相同规格内存的速度还快，和第13代酷睿差不多，还突破了片间高速互联技术。龙芯第二代自研图形处理器核LG200支持图形加速、科学计算加速、AI加速，并支持OpenGL 4.0和OpenCL 3.0的API。龙芯的这些年进步所形成的技术储备，使它能更加自由、快速地组合产品，比如最下面一张图片中没有实物照片的就是规划中的新款CPU。

　　桌面CPU已经有了3A6000，服务器CPU 3C6000就成了龙芯的当务之急。3C6000集成16个LA664核心，因为单核性能及多核效率提高，通用处理器性能将达到上一代3C5000的两倍，访存性能也是3C5000的两倍。有了3C6000之后，就能使用龙链技术(Loongson Coherent Link)把多颗龙芯3C6000整合成核心更多的产品，如32核的3D6000、64核的3E6000半岛BOB·中国官方网站。

　　同样比较迫切的是2K3000，它集成了8个LA364核心以及GPGPU。2K3000的单核性能与上一代桌面CPU 3A5000相当，8核并行性能应该非常接近4核8线的低功耗、全集成设计使它比3A5000和3A6000更适合轻薄型笔记本电脑。

　　最后的7000系列是升级工艺、提高频率的一代。龙芯7000系列能把频率提到多少尚未可知，但以龙芯低频战高频的能力，料想能与Intel酷睿14代以及同代的服务器CPU匹敌吧！

　　Intel、AMD和ARM都是技术强大、积累深厚的CPU企业，又是各个领域的先行者，龙芯的市场竞争能力远不如它们。虽然龙芯无论在多么拮据的时候都在坚持研发更好的产品，但市场对龙芯CPU的接受程度又有谁说得准呢？不过市场归市场，技术归技术，只要龙芯CPU性能可与Intel这些巨头齐头并进，就是自主CPU的大胜利。

　　最后我们想说，龙芯就像是无数中国IT硬件从业者的缩影，以不怕成泥的无惧无畏、无意哗众的苦干实干，向世界表达中国IT人的倔强。为此，我们特向龙芯3A6000颁发“2023年度国产科技特别贡献金奖”！

　　在龙芯3A6000发布之后，《微型计算机》特地对龙芯中科技术股份有限公司副总裁张戈博士进行了专访，他在采访中透露了龙芯处理器当前的研发设计思路，以及研发团队对龙芯产品未来发展方向的一些展望。

　　张戈博士，龙芯中科技术股份有限公司副总裁，长期从事国产“龙芯”系列处理器研发、管理、市场与产业化相关工作。他全面参与了龙芯多款产品的总体研制工作，曾担任国家“核高基”重大专项子课题、国家自然科学基金，以及863计划，973计划项目子课题等多个课题的课题负责人，并在国内外学术刊物与IEEE国际会议上发表论文30余篇，申请专利多项。

　　张戈：除了指令集以外，龙芯自主研发掌握了上百款关键IP。比如，现在的高速DDR4、DDR5内存，其实很考验内存访存带宽的设计能力。我们龙芯3A6000实测访存效率对比第10代酷睿都是大幅领先的。这也是为什么我们同频对比性能会那么好。龙芯大量的DDR和PCIe里的PHY、数字模拟转换接口，都是自己完成的，可以避免成为“卡脖子”的卡点。这和购买第三方IP是不一样的。未来龙芯还要为实现平台化和低成本做进一步考虑，不但关注CPU，而且还要关注配套的IP，包括GPU、未来的AI能力配套甚至是时钟芯片等。

　　张戈：因为我们认识到，龙芯此前主要的不足点在于单核心的性能不强。这也是此前国产CPU通常会遇到的问题。因为大家都是用的开源或者授权的架构，只能“单核性能不够，多核心去凑”，所以我们优先考虑提升单核性能。举个例子，在桌面处理器来看4核心其实够用了，更能发挥单核的性能优势，绝大多数使用场景不会需要更多的核心和线程。就好像一群小学生，单纯比智力开发水平，正常情况下怎么也比不过一个博士。我们在桌面市场目前更多考虑的是性价比以及低功耗这两个维度，但龙芯在有了很强的单核心之后，未来会很快在服务器端推出16核、32核以及64核的产品，来大幅度提升服务器市场的并发算力。

　　张戈：龙芯未来如果做大小核，应该会考虑让不同CPU核心的性能不一样，这样才能让成本和性价比优势真正凸显。现在龙芯内部就有好几个不同的IP，比如龙芯3A6000用的LA664，这是前端6发射的64位乱序执行架构。但龙芯也有低端的LA132结构，就是前端单发射的32位顺序执行架构。如果因为某种需要组合起来，就可以缩减面积，降低功耗和成本。但总归首先需要单核心的性能先强大起来，然后再做不同的系列和组合。

　　张戈：当算力到达一定程度的时候，瓶颈或者说压力就会来到内存访存和I/O的能力。龙芯作为通用处理器，就是要保证通用计算能力与访存吞吐的平衡，龙芯3A6000是四核的结构，配备了16MB缓存，总体规模是不小的。未来龙芯会继续去掌握内存的设计、Chiplet设计，以及包括使用HBM内存这样嵌入式内存，使其实现与CPU芯片之间的高带宽互联，进一步提升性能，并不只是考虑增大L3缓存一个方式。

　　张戈：客观来讲，现在龙芯的GPU配套还不是很成熟。我们现在在做自研的显卡，因为原来我们主要搭配的是AMD ATI的显卡，用的是开源的驱动，性能其实是比较偏低的，没有充分发挥出我们CPU的能力，所以现在我们开始自研GPU。我们现在出的是两片方案，GPU先不要做到CPU内部，而是做一个外围的桥片，桥片里面可以包含USB接口、网络接口以及2D/3D GPU，同时桥片里面也可以再出PCIe接口，对接独立显卡。

　　张戈：未来的计算机确实可能会有AI PC的概念，因为今年炒得很热，所以接下来龙芯也会把一些8bit、16bit这些高算力、不同精度的高效率加速模块给做进去。我们认为其实AI芯片本身的门槛并不高，之所以现在没有去做，是因为眼下我们认为不应该花费更大的精力去研发这一部分。

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