龍芯中科正式發(fā)布完全自主指令集架構(gòu)LoongArch

近日，龍芯自主指令系統(tǒng)架構(gòu)（Loongson Architecture，以下簡(jiǎn)稱龍芯架構(gòu)或LoongArch）的基礎(chǔ)架構(gòu)通過國內(nèi)第三方知名知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)估機(jī)構(gòu)的評(píng)估，并在2021年信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新論壇主論壇上正式對(duì)外發(fā)布。

CPU指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的軟硬件界面，是CPU所執(zhí)行的軟件指令的二進(jìn)制編碼格式規(guī)范。一種指令系統(tǒng)承載了一個(gè)軟件生態(tài)，如X86指令系統(tǒng)和Windows操作系統(tǒng)形成的Wintel生態(tài)以及ARM指令系統(tǒng)和Android操作系統(tǒng)形成的AA生態(tài)。國外CPU廠商以指令系統(tǒng)作為控制生態(tài)的手段，需要獲得“授權(quán)”才能研制與之相兼容的CPU。采用授權(quán)指令系統(tǒng)可以研制產(chǎn)品，但不可能形成自主產(chǎn)業(yè)生態(tài)，就像中國人可以用英文寫小說，但不可能基于英文形成中華民族文化。

目前，構(gòu)建自主可控的信息技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)已成為共識(shí)，同時(shí)自主產(chǎn)業(yè)生態(tài)企業(yè)也深切感受到，“在別人的墻基上砌房子，再大再漂亮也可能經(jīng)不起風(fēng)雨，甚至?xí)豢耙粨簟?，而指令系統(tǒng)就是信息產(chǎn)業(yè)的墻基，基于國外授權(quán)的指令系統(tǒng)難以建設(shè)自主的信息技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)。2020年，龍芯中科基于二十年的CPU研制和生態(tài)建設(shè)積累推出了龍芯架構(gòu)（LoongArch），包括基礎(chǔ)架構(gòu)部分和向量指令、虛擬化、二進(jìn)制翻譯等擴(kuò)展部分，近2000條指令。龍芯架構(gòu)不包含MIPS指令系統(tǒng)。

龍芯架構(gòu)具有完全自主、技術(shù)先進(jìn)、兼容生態(tài)三方面特點(diǎn)。

龍芯架構(gòu)從整個(gè)架構(gòu)的頂層規(guī)劃，到各部分的功能定義，再到細(xì)節(jié)上每條指令的編碼、名稱、含義，在架構(gòu)上進(jìn)行自主重新設(shè)計(jì)，具有充分的自主性。龍芯架構(gòu)摒棄了傳統(tǒng)指令系統(tǒng)中部分不適應(yīng)當(dāng)前軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的陳舊內(nèi)容，吸納了近年來指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域諸多先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展成果。同原有兼容指令系統(tǒng)相比，不僅在硬件方面更易于高性能低功耗設(shè)計(jì)，而且在軟件方面更易于編譯優(yōu)化和操作系統(tǒng)、虛擬機(jī)的開發(fā)。

龍芯架構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮兼容生態(tài)需求，融合了各國際主流指令系統(tǒng)的主要功能特性，同時(shí)依托龍芯團(tuán)隊(duì)在二進(jìn)制翻譯方面十余年的技術(shù)積累創(chuàng)新，不僅能夠確?，F(xiàn)有龍芯電腦上應(yīng)用二進(jìn)制的無損遷移，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多種國際主流指令系統(tǒng)的高效二進(jìn)制翻譯。

龍芯自主指令系統(tǒng)構(gòu)成

目前，支持龍芯架構(gòu)的龍芯3A5000處理器芯片已經(jīng)流片成功，基于新架構(gòu)的完整操作系統(tǒng)已經(jīng)在3A5000計(jì)算機(jī)上穩(wěn)定運(yùn)行。從其它主流指令系統(tǒng)到LoongArch的二進(jìn)制翻譯系統(tǒng)已經(jīng)可以在3A5000計(jì)算機(jī)上演示運(yùn)行基于其它主流指令系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用程序。龍芯中科從2020年起新研的CPU均支持LoongArch架構(gòu)。

龍芯中科高度重視與龍芯架構(gòu)相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)工作，委托國內(nèi)第三方知名知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)估機(jī)構(gòu)對(duì)龍芯基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行深入細(xì)致的知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)估。從2020年二季度開始，雙方投入上百人員，將LoongArch與ALPHA、ARM、MIPS、POWER、RISC-V、X86等國際上主要指令系統(tǒng)有關(guān)資料和幾萬件專利進(jìn)行深入對(duì)比分析。2021年1月，針對(duì)被評(píng)估的基礎(chǔ)架構(gòu)版本該評(píng)估機(jī)構(gòu)認(rèn)為：（1）LoongArch在指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)、指令格式、指令編碼、尋址模式等方面進(jìn)行了自主設(shè)計(jì)。（2）LoongArch指令系統(tǒng)手冊(cè)在章節(jié)結(jié)構(gòu)、指令說明結(jié)構(gòu)和指令內(nèi)容表達(dá)方面與上述國際上主要指令系統(tǒng)存在明顯區(qū)別。（3）未發(fā)現(xiàn)LoongArch基礎(chǔ)架構(gòu)對(duì)上述國際主要指令系統(tǒng)中國專利的侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)。

龍芯中科已經(jīng)在一定范圍內(nèi)發(fā)布LoongArch的基礎(chǔ)架構(gòu)指令系統(tǒng)手冊(cè)。待完成評(píng)估后，龍芯中科將在更大范圍內(nèi)發(fā)布更完整的LoongArch指令系統(tǒng)手冊(cè)。龍芯中科還將聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈伙伴在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間建立開放指令系統(tǒng)聯(lián)盟，在聯(lián)盟成員內(nèi)免費(fèi)共享LoongArch及有關(guān)龍芯IP核。

指令系統(tǒng)是軟件生態(tài)的起點(diǎn)，只有從指令系統(tǒng)的根源上實(shí)現(xiàn)自主，才能打破軟件生態(tài)發(fā)展受制于人的鎖鏈。龍芯自主指令系統(tǒng)的推出，是龍芯中科長期堅(jiān)持自主研發(fā)理念的重要成果體現(xiàn)，是在完成CPU性能補(bǔ)課、全面轉(zhuǎn)向生態(tài)建設(shè)歷史關(guān)頭的重大技術(shù)跨越，標(biāo)志著龍芯中科在自主信息技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)方面從跟隨性發(fā)展的必然王國走向了自主發(fā)展的自由王國。

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