走進(jìn)"香山"：解密國(guó)產(chǎn)開(kāi)源處理器的技術(shù)創(chuàng)新

“你可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)"華為鯤鵬"、"飛騰"等國(guó)產(chǎn)處理器，但你知道嗎？在中國(guó)科學(xué)院計(jì)算所，有一支團(tuán)隊(duì)正在打造一個(gè)完全開(kāi)源的高性能處理器——它的名字叫"香山"。”

為什么叫"香山"？

香山，取名自北京香山，寓意"高山仰止"。這個(gè)名字不僅體現(xiàn)了項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的遠(yuǎn)大抱負(fù)，更暗含了對(duì)中國(guó)計(jì)算機(jī)先驅(qū)們的敬意。要知道，中國(guó)第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)就是在中科院計(jì)算所誕生的。

處理器構(gòu)架

自 2020 年 6 月開(kāi)始開(kāi)發(fā)的雁棲湖為香山處理器的首個(gè)穩(wěn)定的微架構(gòu)。

香山的第二代微架構(gòu)被命名為南湖。

香山的第三代微架構(gòu)（昆明湖）正在 master 分支上不斷開(kāi)發(fā)中。

昆明湖微架構(gòu)概覽：

什么是RISC-V？為什么選擇它？

在介紹香山之前，我們需要了解RISC-V這個(gè)"幕后功臣"。 想象一下，如果把處理器比作一本"菜譜"，那么指令集架構(gòu)(ISA)就是這本菜譜的"烹飪語(yǔ)言"。長(zhǎng)期以來(lái)，這些"菜譜語(yǔ)言"都被 Intel(x86) 和 ARM 牢牢把控。而RISC-V的出現(xiàn)，就像是一位廚師公開(kāi)了自己的完整菜譜，讓所有人都可以自由使用和改進(jìn)。

香山選擇 RISC-V，正是看中了它的開(kāi)放性和靈活性。這就像是在一張白紙上自由創(chuàng)作，而不是被束縛在別人的框架里。

香山處理器有多強(qiáng)？

2021年，“香山”系列第一代開(kāi)源高性能 RISC-V 處理器核“雁棲湖”正式發(fā)布，是同期全球性能最高的開(kāi)源處理器核。2023年5月，第二代“香山”系列開(kāi)源高性能 RISC-V 處理器核“南湖”正式發(fā)布，當(dāng)時(shí)也成為了國(guó)內(nèi)首款對(duì)標(biāo) Arm Cortex-A76 的高性能開(kāi)源RISC-V處理器核；第三代“香山”系列開(kāi)源高性能RISC-V處理器核則是“昆明湖”，設(shè)計(jì)工藝為7nm，主頻達(dá)到3GHz，SPECINT2006評(píng)分為15分/GHz，性能對(duì)標(biāo)Arm Neoverse N2內(nèi)核，可廣泛應(yīng)用于服務(wù)器芯片、AI芯片、GPU、DPU等高端芯片領(lǐng)域，可以作為先進(jìn)計(jì)算產(chǎn)業(yè)提供開(kāi)源共享的共性底座技術(shù)。

讓我們用生動(dòng)的比喻來(lái)理解香山的關(guān)鍵特性：

1. 超標(biāo)量亂序執(zhí)行：多線程并行的藝術(shù)

想象你在收銀臺(tái)前排隊(duì)結(jié)賬。傳統(tǒng)處理器就像只有一個(gè)收銀員按順序處理，而香山就像開(kāi)了6個(gè)收銀臺(tái)！不僅如此，它還能"亂序處理"——就像快件可以優(yōu)先處理一樣，打破了指令必須按順序執(zhí)行的限制。

具體表現(xiàn)為：

每個(gè)時(shí)鐘周期可以同時(shí)處理6條指令

配備了192個(gè)重排序緩沖器(ROB)條目

支持高精度的分支預(yù)測(cè)

2. 精密的流水線設(shè)計(jì)：流水作業(yè)的完美演繹

如果把處理器比作一條生產(chǎn)線，香山的流水線設(shè)計(jì)堪稱精妙：

取指階段：就像是原料采購(gòu)

解碼階段：將"原料"分類整理

重命名階段：為避免"原料"沖突做標(biāo)記

分發(fā)階段：分配到不同工作站

執(zhí)行階段：實(shí)際加工制造

提交階段：質(zhì)檢出庫(kù)

3. 智能的緩存系統(tǒng)：記憶的藝術(shù)

香山的緩存系統(tǒng)就像是一個(gè)多層記憶庫(kù)：

L1緩存：容量64KB，就像大腦的即時(shí)記憶

L2緩存：1MB，相當(dāng)于短期記憶

支持緩存一致性：確保多個(gè)核心之間的數(shù)據(jù)同步，就像團(tuán)隊(duì)成員之間及時(shí)溝通

開(kāi)源的力量：為什么這很重要？

香山選擇完全開(kāi)源，這意味著：

透明性：所有代碼都可以審查，沒(méi)有"黑盒子"

教育價(jià)值：學(xué)生和研究者可以深入學(xué)習(xí)處理器設(shè)計(jì)

協(xié)作創(chuàng)新：全球開(kāi)發(fā)者都能參與改進(jìn)

生態(tài)建設(shè)：促進(jìn)軟硬件生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展

未來(lái)展望

香山處理器的發(fā)展正處于上升期：

性能持續(xù)提升，主頻已達(dá) 2 GHz

CoreMark跑分超過(guò) 5/MHz

在基準(zhǔn)測(cè)試中展現(xiàn)出強(qiáng)勁實(shí)力

正在向更多應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)展（生態(tài)很重要）

結(jié)語(yǔ)

香山處理器項(xiàng)目展現(xiàn)了中國(guó)在處理器領(lǐng)域的創(chuàng)新能力。它不僅是一個(gè)技術(shù)項(xiàng)目，更是開(kāi)源精神的完美詮釋。正如它的名字一樣，讓我們期待香山處理器能夠越走越高，為中國(guó)乃至全球的計(jì)算產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)力量。

最后，香山的倉(cāng)庫(kù)：

https://github.com/OpenXiangShan/XiangShan

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審核編輯 黃宇