常見國產(chǎn)處理器指令集體系及來源

國產(chǎn)處理器“取代”Intel、AMD等國際公司的處理器一直是國家的戰(zhàn)略和夢想，如今在太湖之光計算機上算是真正圓夢了，不過當(dāng)初的新聞報道中筆者也看到了評論中很多人對國產(chǎn)處理器的批評，這個問題也是影響國產(chǎn)處理器發(fā)展的一個重要因素，因為生態(tài)體系的缺乏，中國發(fā)展自己的處理器也只能是“摸著石頭過河”，這個石頭就是國外已經(jīng)發(fā)展的處理器指令集，但這種路線又很容易被不明真相的圍觀者嘲諷——都用了別人的指令集了，怎么還敢叫自主產(chǎn)權(quán)？

多年前龍芯處理器的架構(gòu)師胡偉武博士也解釋過：“我們CPU也是可以做世界第一的，而且有，關(guān)鍵就是沒法用，用戶不用你?！避浖鷳B(tài)的現(xiàn)實決定了國產(chǎn)處理器不可能從0開始研發(fā)，在這方面日本80-90年代通過TRON計劃研制通用OS、CPU但最終失敗的例子可以說是前車之鑒，反而C919大飛機這種國際化分工合作的模式容易獲得成功。

今天我們就來簡單了解下國內(nèi)處理器的指令集體系及技術(shù)來源。根據(jù)公開來源，筆者能找到的有代表性的國產(chǎn)處理器方案主要有龍芯、申威、兆芯、飛騰、宏芯以及智能手機/平板領(lǐng)域發(fā)展最好的海思、展訊、全志等，他們所用的架構(gòu)涉及X86、ARM、MIPS、Power及SPARC、Alpha等，如下圖所示：

龍芯：血統(tǒng)純正的中國芯，商業(yè)化不盡如人意

龍芯并非最早的國產(chǎn)處理器，也不是最成功的國產(chǎn)處理器，但提到國產(chǎn)處理器，大家第一個想到的恐怕就是龍芯了，它是曝光率最高的國產(chǎn)處理器，而且考慮到它是中科院計算機所研發(fā)的，其血統(tǒng)的純正性更容易成為國產(chǎn)處理器的代表。

龍芯課題組于2001年成立，不過龍芯處理器的正式誕生之日是2002年8月10日，在計算所長李國杰院士的領(lǐng)導(dǎo)下，龍芯之父胡偉武博士及其團(tuán)隊拿出了龍芯1號處理器，當(dāng)年他還寫過《我們的龍芯1號》一文介紹龍芯的研發(fā)歷程，小編當(dāng)年也看過這篇文章，記憶猶新的是龍芯的中文代號是“狗?！?，源于中國人“賴名好養(yǎng)活”的習(xí)俗，不過也可以看出團(tuán)隊對龍芯處理器的未來雖然有期待，但當(dāng)時應(yīng)該是挺擔(dān)心這個項目的未來發(fā)展的，只是龍芯的英文名就非常高大上了——Godson，上帝之子！

龍芯一出世就頂著自主研發(fā)的美名，但是沒多久就被爆出龍芯的指令集實際上是源于MIPS，也就是說是買來的，這讓龍芯瞬間被千夫所指，研發(fā)團(tuán)隊也背負(fù)了罵名和壓力，胡偉武博士也解釋過為何選擇MIPS指令集，前面說的“用戶不用你”就是根本原因，自建一套軟件生態(tài)系統(tǒng)對中科院這樣的學(xué)術(shù)單位來說是不可能的任務(wù)。

對龍芯的第二個質(zhì)疑在于他們選擇了MIPS指令集而非現(xiàn)在大紅大紫的ARM指令集，不過時間回溯到2000年代（龍芯立項研發(fā)的時代可能更早一些），當(dāng)時的ARM可沒有如今這般強勢，而MIPS在大學(xué)、科研單位有良好的基礎(chǔ)，龍芯團(tuán)隊選擇MIPS也是情有可原。

不管怎樣，龍芯這個項目算是活下來了，從最初的龍芯1到目前的龍芯3已經(jīng)發(fā)展了三代了，每一代其實又衍生出了多個版本，從單核、雙核到四核、八核，從180nm工藝到28nm工藝，從雙發(fā)射到四發(fā)射，龍芯處理器的架構(gòu)、規(guī)格、頻率、性能都在不斷進(jìn)步，龍芯3B2000甚至號稱性能達(dá)到了Intel Ivy Bridge處理器的水平，其指令集其實已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了MIPS范疇，加入了很多龍芯團(tuán)隊自己開發(fā)的指令，比之前的產(chǎn)品增加了500多條自定義龍芯擴展指令，可用于實現(xiàn)對其他主流指令系統(tǒng)的二進(jìn)制翻譯兼容，另外存儲訪問和I/O效率也有大幅的提高，還有一點就是軟硬件將保持向前兼容。

但是龍芯也不是沒有槽點，大多數(shù)龍芯處理器其實活在了中科院給外界展示成果的展臺上，盡管多年來大家對龍芯抱以期待，中科院甚至讓旗下的江蘇夢蘭集團(tuán)參與成立中科龍夢公司加速商業(yè)化，也推出了靈瓏/福瓏/逸瓏臺式機、筆記本等產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品大都曇花一現(xiàn)，性能無法達(dá)到主流水平，很快就被人給忘記了。

申威/飛騰：最成功的國產(chǎn)處理器，軍方的秘密武器

申威和飛騰盡管選擇的處理器路線不同，不過這兩家要放在一起說了，因為這兩家背后有軍方背景，申威處理器是無錫江南計算技術(shù)研究所研發(fā)的，后者也是總參謀部第五十六研究所，它有個名字是上海高性能集成電路設(shè)計中心，而天津飛騰是國防科大旗下的。此外，早前我們還報道過一家名為Phytium公司在去年的Hotchips 2015會議上推出了代號為Mars（火星）的多核處理器，這家公司是廣州飛騰，據(jù)說也是國防科大下屬的，但跟研發(fā)飛騰FT處理器的天津飛騰又不是一家單位。

回到正題，江南所在計算機技術(shù)研究上也是老資歷了，不過在處理器指令集上他們的選擇看起來有點非主流——DEC公司的Alpha 21264指令集，在技術(shù)上Alpha有獨特之處，DEC當(dāng)年在處理器市場也曾叱咤風(fēng)云，AMD的K7架構(gòu)就有部分技術(shù)源于Alpha架構(gòu)，AMD上上上任CEO德克·梅爾（Dirk Meyer）就來自DEC公司，去年辭職走人的Zen架構(gòu)之父Jim Keller也曾在DEC公司研發(fā)Alpha架構(gòu)。

如今DEC公司早就煙消云散，公司幾經(jīng)轉(zhuǎn)賣，微軟在Win2000之后也放棄了對Alpha架構(gòu)的支持，Alpha架構(gòu)也早就不再更新了，專利也過期了，這可能是江南所選擇Alpha架構(gòu)的原因之一。2011年濟南的超算中心部署了神威藍(lán)光，它所用的處理器就是神威SW1600，16核心，現(xiàn)在的資料都認(rèn)為它是基于專利已經(jīng)過期的DEC ALPHA 21164A EV-56架構(gòu)。

申威SW26010處理器是260核心

這次的太湖之光的神威SW26010處理器也是江南所研發(fā)的，雖然大家猜測它還是Alpha指令集，但跟龍芯后續(xù)架構(gòu)類似，申威SW26010的架構(gòu)、指令集已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了之前的范疇，加入了很多新指令。這次的SW26010就是260核心眾核架構(gòu)，亂序執(zhí)行架構(gòu)，頻率1.45GHz，整個處理器包括4個MPE（Management Processing Element）管理單元、4個CPE（Computing Processing Element）計算單元及4個MC內(nèi)存控制器單元組成，其中CPE單元又由8x8陣列的64核心組成，所以總計是260個核心（4x64+4=260）。

與其他國產(chǎn)處理器相比，申威系在性能上完全走在了前列，在世界范圍內(nèi)都是靠前的，SW26010的理論浮點性能高達(dá)3TFLOPS，其性能完全可與Inel最新的Xeon Phi加速卡一拼。不過申威處理器的不足之處在于內(nèi)存系統(tǒng)，太湖之光性能達(dá)到天河2號三倍的同時總內(nèi)存反而從1.4PB降低到了1.31PB，每個節(jié)點使用了四路128bit DDR3-2133內(nèi)存，帶寬為136GB/s，這一點上不如Intel的Xeon Phi加速卡，后者自身集成了16GB eDRAM緩存，帶寬超過500GB/s，而且早就支持DDR4內(nèi)存了。

再來說下飛騰，天津飛騰研發(fā)的FT系列處理器也在HPC領(lǐng)域有過應(yīng)用，不過飛騰FT處理器用的架構(gòu)更雜亂，從公開資料來看第一代FT處理器兼容于Intel安騰2指令集，第二代FT-64處理器在銀河計算機中有過使用，第三代產(chǎn)品FT-1000則是基于開源的UltraSPARC架構(gòu)，8核64線程，在天河1號計算機的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)上有使用。

之后的FT-1500還是基于SPARC架構(gòu)，制程工藝從65nm升級到了40nm，16核心128線程，在天河2號超算中使用了4096顆FT-1500處理器作為節(jié)點前端處理器。

最新的FT-1500A雖然名字跟上面的類似，但實際上沒什么關(guān)系了，因為它的架構(gòu)變成了ARM 64位，使用的是28nm工藝。據(jù)天津飛騰總經(jīng)理谷虹介紹，F(xiàn)T-1500A系列處理器是64位通用CPU，兼容ARM V8指令集，采用國際先進(jìn)的28nm工藝流片，具有高性能、低功耗等特點，關(guān)鍵技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先，可實現(xiàn)對Intel中高端“至強”服務(wù)器芯片的替代，并廣泛應(yīng)用于政府辦公和金融、稅務(wù)等各行業(yè)信息化系統(tǒng)之中。

不論是申威還是飛騰，這兩家軍方背景的國產(chǎn)處理器單位因為目標(biāo)明確，可以說是國產(chǎn)處理器中做的最成功的——不論性能還是架構(gòu)設(shè)計都有獨特之處，申威處理器不僅有硬件研發(fā)，還在編譯器及Linux操作系統(tǒng)（神威睿思）上做了創(chuàng)新，太湖之光這次有三項應(yīng)用入圍戈登貝爾獎，這也得歸功于江南所在超算應(yīng)用上的努力。

中晟宏芯：借力藍(lán)色巨人IBM，Power架構(gòu)能撐起一片天？

通用處理器架構(gòu)也曾百花齊放，Intel當(dāng)年面對的對手比現(xiàn)在多得多，但X86現(xiàn)在差不多一統(tǒng)天下了，能跟Intel競爭的公司就更少了，強大如IBM這樣擁有Power架構(gòu)的公司也不行了，他們索性于2013年聯(lián)合NVIDIA、泰安電腦等公司成立OpenPower開放聯(lián)盟，其他公司也可以獲得Power架構(gòu)授權(quán)。此后在2014年還推動成立中國POWER技術(shù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)聯(lián)盟，IBM與多家中國公司簽署了授權(quán)協(xié)議，中晟宏芯就是其中的一家。

IBM的Power架構(gòu)一度成為國產(chǎn)處理器的希望

中晟宏芯成立于2013年，發(fā)起人是江蘇夢蘭集團(tuán)、江蘇中晟智源、蘇州高新創(chuàng)業(yè)投資集團(tuán)，夢蘭集團(tuán)之前我們說過是中科院旗下的公司，而后兩者可以說是江蘇政府代表，因此中晟宏芯獲得Power架構(gòu)技術(shù)得到了工信部及江蘇政府、中科院計算所的支持，計算所甚至派了一個技術(shù)團(tuán)隊，如果一切都能按照預(yù)定的引進(jìn)、消化、吸收，中晟宏芯應(yīng)該在2019年推出國產(chǎn)化的Power處理器。

但是事與愿違，中晟宏芯雖然很快就推出了CP1處理器，但這只是IBM Power 8處理器的馬甲而已，還沒等這家公司消化Power技術(shù)，他們就鬧出了欠薪風(fēng)波，中科院派出的技術(shù)人員發(fā)不出工資，此后公司也不斷動蕩，股東發(fā)生變化，人員也波動頻繁，指望中晟宏芯推動Power架構(gòu)國產(chǎn)化是沒希望了。

此外，IBM的Power架構(gòu)在國內(nèi)銀行等關(guān)鍵行業(yè)有重要應(yīng)用，而且Power處理器性能強勁，是個好東西，但真要引進(jìn)消化也沒這么容易，以Power 8架構(gòu)為例，它是12核心96線程，核心面積達(dá)到了650mm2，復(fù)雜度遠(yuǎn)高于普通處理器，再加上原本使用的是IBM自己的22nm SOI工藝，而SOI工藝已經(jīng)沒多少代工廠搞了（GlobalFoundries用過，28nm節(jié)點放棄，后來又繼承了IBM的衣缽），這無疑增加了Power處理器的國產(chǎn)化難度。