自主指令架構(gòu)取代Arm和x86，LoongArch的未來“野心”

在4月19日結(jié)束的第四屆關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施自主安全創(chuàng)新論壇上，龍芯中科董事長胡偉武對龍芯的自主指令系統(tǒng)架構(gòu)LoongArch進(jìn)行了深度解析，介紹了LoongArch的發(fā)展過程、自主與兼容性以及未來的計劃。

自主指令架構(gòu)的必要性

目前國內(nèi)市場的CPU既有自主研發(fā)的、引進(jìn)Arm等技術(shù)以及合資公司開發(fā)的，這其中龍芯的CPU產(chǎn)品自主性最強(qiáng)，但仍然面臨著指令集架構(gòu)和生產(chǎn)工藝受制于人的“卡脖子”問題。

龍芯中科認(rèn)為自主體系建設(shè)包括三個環(huán)節(jié)，基于自主IP核的芯片設(shè)計、基于自主指令系統(tǒng)的軟件生態(tài)和基于自主材料設(shè)備的生產(chǎn)工藝。而龍芯此前在自主IP核的芯片設(shè)計上取得了不菲的成績，多款CPU已經(jīng)完成了性能補(bǔ)課，逼近了市場主流的CPU。如今LoongArch的面世就是在CPU應(yīng)用上做出的又一大努力。

LoongArch的兼容性

胡偉武還提到，指令系統(tǒng)是信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)繞不過去的話題，我國不可能基于國外的指令系統(tǒng)建設(shè)自主信息產(chǎn)業(yè)生態(tài)。兼容指令系統(tǒng)雖然可以直接利用x86和Arm的現(xiàn)成軟件生態(tài)，但因為x86不授權(quán)，而Arm的授權(quán)又存在嚴(yán)格限制，均會會阻礙自主基礎(chǔ)軟件的發(fā)展。

因此龍芯對LoongArch的定位是一個考慮兼容需求的自主指令系統(tǒng)，紀(jì)要摒棄過時技術(shù)做到當(dāng)代指令集的先進(jìn)性，又要兼容x86、MIPS和Arm指令系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，同時在指令槽上留有余地，方便指令系統(tǒng)的未來持續(xù)演進(jìn)。

LongISA與LongArch架構(gòu)的對比 / 龍芯中科

過去的LoongISA指令集由MIPS拓展而來，MIPS上的通用軟件生態(tài)也有龍芯的建設(shè)和維護(hù)。但龍芯隨后發(fā)現(xiàn)MIPS的發(fā)展空間有限，便開發(fā)了近2000條指令的龍芯自主架構(gòu)LoongArch。在相同的微結(jié)構(gòu)和硬件下進(jìn)行測試，LoongArch的動態(tài)指令數(shù)與MIPS相比減少了15%到20%，大幅提高了性能。

LoongArch通過對二進(jìn)制翻譯的支持，融合了x86、Arm、MIPS和RISC-V指令系統(tǒng)的主要功能，比如x86和Arm的EFLAG值模擬、RISC-V中豐富的同步指令等。借助高效的翻譯引擎，龍芯引擎僅在翻譯x86應(yīng)用上實現(xiàn)了大于60%的性能，在翻譯安卓Arm應(yīng)用上，已經(jīng)可以流暢運(yùn)行移動版WPS和美圖秀秀等應(yīng)用。

龍芯二進(jìn)制翻譯系統(tǒng)LAT的設(shè)計目標(biāo)為“十九八”，即翻譯MIPS Linux應(yīng)用做到目標(biāo)效率100%，翻譯ArmAndroid應(yīng)用做到90%的效率，而x86的Linux/Windows應(yīng)用動態(tài)翻譯做到80%的效率（5%誤差）。

LoongArch未來計劃

龍芯已經(jīng)委托第三方機(jī)構(gòu)對LoongArch做知識產(chǎn)權(quán)的分析，目前已經(jīng)完成國內(nèi)部分，預(yù)計今年完成國際部分。未來龍芯還將組建LoongArch技術(shù)聯(lián)盟，在聯(lián)盟內(nèi)免費(fèi)開放LoongArch，以及部分CortexA53以下性能的處理器IP核。同時龍芯將對LoongArch做簡化處理，形成百條指令的小系統(tǒng)在高校范圍內(nèi)推廣，取代RISC-V。

龍芯也會持續(xù)改進(jìn)LoongArch二進(jìn)制翻譯的硬件支持和軟件優(yōu)化，力求借助二進(jìn)制翻譯在2025年消除各大指令系統(tǒng)之間的壁壘。龍芯還提到，2020年起流片的龍芯CPU均支持LoongArch，不再像過去一樣支持已經(jīng)趨于弱勢的MIPS。

小結(jié)

LoongArch的出現(xiàn)無疑是國內(nèi)自主指令集邁出的一大步，與去年“十九八七”的預(yù)定目標(biāo)相比，龍芯今年再一次將目標(biāo)提升至“十九八”。作為仍在不斷完善的翻譯系統(tǒng)，相信LoongArch未來必將徹底打破不同指令系統(tǒng)間的隔閡。

優(yōu)秀的翻譯系統(tǒng)對于軟件生態(tài)來說至關(guān)重要，就拿蘋果的macOS來說，M1芯片的Macbook通過Rosetta 2對過去x86的軟件進(jìn)行了轉(zhuǎn)譯，從而流暢運(yùn)行兼容軟件，這也省去了不少編譯和二次開發(fā)工作。LoongArch與龍芯自主的IP核已經(jīng)為自主體系的建設(shè)打通了兩環(huán)，剩下的就是靠國內(nèi)的生產(chǎn)工藝攻關(guān)了，龍芯自己用到的最高規(guī)格工藝已經(jīng)達(dá)到12nm，未來想要進(jìn)一步實現(xiàn)性能突破，先進(jìn)工藝同樣是不可或缺的。

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