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CPU国产化背景


——国产CPU——龙芯

2021-01-22 18:06:08 作者 书写人生

长期以来,中国信息产业“缺芯少魂”,“芯”指芯片,“魂”指操作系统。2018 年,中兴事件后,国产芯片一时成为万众瞩目的焦点,并引发一片网络热议。有网友评论,“这次被美国卡住的芯,一万年也要搞出来”。

殊不知,即使造出来国产芯,还没搞定国产操作系统。即使弄出国产操作系统,数据库上依然受制于人。即使有了国产芯、国产操作系统,我们依然没有解决最大问题——缺乏国产软件的生态。这个生态联系紧密,“环环相扣”,底层是芯片、中间是操作系统、数据库、中间件等,上层是大量的应用和服务。

为了建立一个健康的国产软件生态,不仅要有国产芯片、国产操作系统和国产数据库,而且还需要大量第三方应用和服务去适配它们。这样,国产软件生态才能“茁壮成长”。

目前,主要的CPU架构有四种:ARMX86MIPSPower。其中ARM/MIPS/Power均是基于精简指令集机器处理器的架构;X86则是基于复杂指令集的架构,Atomx86或者是x86指令集的精简版。

精简指令集,是计算机中央处理器的一种设计模式,也被称为RISC(Reduced Instruction Set Computing的缩写)。特点是所有指令的格式都是一致的,所有指令的指令周期也是相同的,并且采用流水线技术。复杂指令集,英文名是CISCComplex Instruction Set Computer的缩写)。它是英特尔生产的x86系列(也就是IA-32架构)CPU及其兼容CPU,如AMDVIA的。即使是现在新起的X86-64(也被称为AMD64)都是属于CISC的范畴。

ARM架构过去称作进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine,更早称作:Acorn RISC Machine),是一个32位精简指令集(RISC)处理器架构,其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点,ARM处理器非常适用于移动通讯领域,符合其主要设计目标为低耗电的特性。

xx8680x86Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称。x86架构是重要地可变指令长度的CISC(复杂指令集电脑,Complex Instruction Set Computer)。

MIPS,是一种采取精简指令集(RISC)的处理器架构,1981年出现,由MIPS科技公司开发并授权,广泛被使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。最早的MIPS架构是32位,最新的版本已经变成64位。不过MIPS目前已经不是市场主流。

POWER1991年,AppleIBMMotorola组成的AIM联盟所发展出的微处理器架构。PowerPC是整个AIM平台的一部分,并且是到目前为止唯一的一部分。Power架构目前也不是市场主流了,发展前景并不被看好。

国产芯片方面,主要厂商有龙芯、飞腾、阿里、北京君正、中晟宏芯、申威、上海兆芯、海光。

在服务器CPU市场上,英特尔X86处理器的市场占比超过了90%,但由中国科学院计算所自主研发的通用CPU龙芯采用的是RISC指令集(完全区别于X86指令集),并且龙芯3B也是首款国产商用8核处理器。

 龙芯是中国科学院计算所主导研发的通用CPU,主要产品有龙芯1号、龙芯2号和龙芯3号。龙芯1号的频率为266MHz,最早在2002年开始使用。龙芯2号的频率最高为1GHz。龙芯3A是首款国产商用4核处理器,其工作频率为900MHz1GHz。龙芯3A的峰值计算能力达到16GFLOPS。龙芯3B是首款国产商用8核处理器,主频达到1GHz,支持向量运算加速,峰值计算能力达到128GFLOPS,具有很高的性能功耗比。

目前,龙芯1号处理器已经随北斗卫星上天,并且已经有十多颗北斗卫星使用了龙芯1E和龙芯1F作为主控芯片。1号芯片的抗辐照能力可以与现在使用的国外芯片一较高下,价格和性能都要优于国外芯片。

龙芯2号芯片2K1000处理器在国产高性能芯片中的价格是最低的,和同性能TI芯片的开发板价格接近。2K1000处理器已经在石油、轨道交通、电力等领域有了应用,性能与国外芯片相当。

龙芯3A处理器采用的是RISC架构,兼容MIPS指令,原生四核设计,内含两条HT PHY超传输总线,采用65nm(纳米)工艺,主频1GHz,晶体管数目4.25亿个, 单颗龙芯3A的最大功耗为15W,一台刀片服务器功耗也仅为110W(两颗龙芯3A处理器,16GB内存,1250GB硬盘,两块1000Mbps网卡等),理论峰值为16Gflops,每颗CPU单瓦特能效比1.06Gflops/W,是目前X86 CPU2倍以上,达到了世界先进水平。

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