芯东西（ID：aichip001）文：韦世玮 心缘
芯东西 12 月 24 日消息，今天，龙芯中科发布龙芯 4000 系列 CPU 芯片，分别为3A4000 和 3B4000。性能方面，3A4000/3B4000 采用 28nm FDSOI 工艺，微架构为 GS464V 核心，通用处理性能提升一倍以上，这将成为我国自主 CPU 发展史上又一新的里程碑。
据悉，龙芯 4000 系列进一步完善对虚拟机的支持，效率达到 95% 以上。在相同主频下，龙芯 4000 系列比 3A3000 的流水线效率提高 50%，主频提升至 1.8GHz-2.0GHz。
龙芯中科总裁、中科院计算技术研究所总工程师、龙芯 CPU 首席科学家胡伟武博士介绍，龙芯 4000 系列是首次全面集成可信模块、国内密码算法、访问控制等安全机制的 CPU 芯片。
也就是说，龙芯 4000 系列处理器除了性能大幅提升之外，还拥有片内安全机制和高效云化的特点。据介绍，龙芯在 2019 年的芯片出货量已超 50 万颗。未来，龙芯中科将着重提升 CPU 主频与核数，3A5000 和 3C5000 两款芯片将分别计划在 2020 年上半年和下半年流片。
龙芯中科总裁、中科院计算技术研究所总工程师、龙芯 CPU 首席科学家胡伟武博士
01
我国自主 CPU 发展的里程碑
龙芯中科是国产自主高性能通用处理器技术领先者和产品提供商，搭载龙芯中科 CPU 的计算机已进入政府采购目录。
龙芯脱胎于中国科学院计算所，曾研发出我国首枚拥有自主知识产权的通用高性能微处理芯片。
CPU 芯片长期被英特尔等国外巨头所垄断，龙芯先推出的龙芯 1 号、龙芯 2 号，打破了中国缺自主研发 CPU 芯片的历史，是中国形成自主知识产权计算机产业道路上的一座里程碑。
从 2001 年至今，龙芯研发了龙芯 1 号、龙芯 2 号、龙芯 3 号三个系列处理器和龙芯桥片系列。
龙芯 1 号系列为 32 位低功耗、低成本处理器，主要面向低端嵌入式和专用应用领域；龙芯 2 号系列为 64 位低功耗单核或双核列处理器，主要面向工控和终端等领域；龙芯 3 号系列为 64 位多核系列处理器， 主要面向桌面和服务器等领域。
今天发布的龙芯 3A4000 是龙芯 3 号系列处理器的最新产品，距上一代龙芯 3A3000 发布已相隔两年。
2017 年时，龙芯年营收达 1.5 亿元，利润 2000 多万元，2018 年营收和利润均比 2017 年翻番，利润达到历史最高水平，交的税款已超过国家给龙芯各类补助的总和。
胡伟武表示，今年上半年龙芯收入已超过去年全年，利润是去年全年的 1.3 倍左右，预计到 2021 年，龙芯交给国家的税将超过之前所有的研发投入。
02
采用 GS464v 架构，实现三大特点
龙芯 3A4000 是龙芯第三代高性能处理器核，采用新一代处理器架构 GS464V，拥有双 DDR4-2400/2133 内存通道，双 HT3.0 系统总线，效率提升一倍。
性能方面，其主频为 1.8GHz，睿频 2.0GHz，采用 37.5mm*37.5mm 封装工艺，典型功耗为 30-40W。
据胡伟武介绍，龙芯 3A4000 主要有三方面特点：
1、相同工艺性能成倍提高
龙芯 3A4000 采用 28nm 工艺，进一步通过设计优化提升处理器性能，反映传统桌面性能的 SPEC INT2000 的单核 base 分值，从 930 分提高到了 2090 分。
此外，它的科学计算性能与 3A3000 相比，提升了 4 倍以上，支持 128/256 位向量。而 3B4000 支持四路直连，与 3B3000 双路服务器相比，四路服务器性能亦提升了 4 倍。
与此同时，龙芯 3A4000 的虚拟机效率大幅度提高，从原先的 88% 提升至 98%。胡伟武称，其单核性能已高于用 14nm 实现的 Arm 处理器。
2、片内安全机制
龙芯 3A4000 支持 AES、MD5、SHA 等加解密算法，片内集成安全可信模块，支持国密算法。此外，它支持操作系统内核栈防护机制，支持 IO 防护、安全执行环境等访问控制，其高性能密码算法服务能力支持商密及以上算法。
3、自主研发
龙芯 3A4000 的所有模块源代码和各类全定制模块均为自主研发，除了厂家提供的标准单元库和内存编译器（Memory Compiler）外，没有任何第三方 IP。
除此之外，龙芯 3A4000 在功耗管理和封装方面也有了进一步提升。
一方面，它第五个核（GS132E）监控主核运行，并进行动态功耗管理。例如，搭载龙芯 3A4000 的笔记本电脑工作时长比 3A3000 相比，提高了一倍以上；
另一方面，龙芯 3A4000 的封装尺寸比 3A3000 更小，支持普通 BGA、LGA 和 CBGA 多种封装形式，同时其桌面主板可支持四层布线。
值得一提的是，龙芯 4000 系列用于片间互连及连接桥片的 HT 控制器带宽提高了一倍以上，内存控制器从 DDR3 升级至 DDR4，SPEC CPU2006 定点和浮点单核分值提高到 20 分。
但胡伟武也指出，龙芯 4000 系列处理器依然存在两大问题。
一是 DDR4 内存频率不够高。DDR4 规定的速率范围是 1600 至 3200，而龙芯 4000 系列最高 DDR4 工作速率为 2400/2133，与规定范围还存在一定差距。
二是功耗偏大。其非向量模式的典型功耗为 30 至 40W，主要在于工艺不够先进，设计优化比较极致，建议科学计算环境下使用 256 位浮点向量时，适当降低电压和频率。
03
未来重点突破主频与核数
胡伟武谈到，龙芯的下一步将会把研发重点放在提高主频与核数上。
一方面，龙芯 3A5000 将提高主频至 2.5GHz，采用 12nm 工艺，单核性能将提高至 30 分左右，计划于 2020 年上半年流片。
同时，其内存控制器延迟/宽带进一步优化，LLC 增加一倍，实现操作系统级二进制兼容。
另一方面，龙芯 3C5000 将增加核数，同样采用 12nm 工艺，支持 4 至 16 路服务器，计划将于 2020 年下半年流片。
在胡伟武看来，目前国内 CPU 企业发展核心技术主要有两个途径，一是市场换技术，如汽车产业；二是市场带技术，如航天产业，而龙芯中科走的则是第二条路。
龙芯中科通过体制内市场引导，带动技术进步后，再进一步参与体制外的市场竞争。同时，龙芯 CPU 自主编写 CPU 源代码，在应用中不断演进，并注重自主 CPU 的自主生态建设，以逐步提高产品性能和完善生态。
虽然，龙芯发展至今已经为我国半导体产业的崛起提供了不可或缺的力量。但胡伟武认为，我国自主 CPU 与国外先进水平相比，在通用处理能力、单核性能和设计能力三大方面还存在较大差距。
“龙芯需要练好内功，通过设计优化提高单核通用处理性能。”胡伟武说到，3A4000 和 3B4000 已基本填补单核通用处理性能的缺陷，性能提高 2 至 3 倍（约 20-30 分），达到 AMD 的水平。而目前，市场主流 CPU 使用 GCC 编译的单核分值为 20 至 40 分。
04
龙芯操作系统支持软件生态建设
胡伟武谈到，龙芯的操作系统目前具有两种商业和技术模式。面向专门企业，龙芯提供桌面和 Windows 服务器系统；面向设备企业，龙芯则基于基础版开源 OS 维护，支持 OS、整机和应用企业。
实际上，龙芯已面向三大不同的平台开发相应的操作系统：
1、面向通用信息化系统的 Loongnix。该系统基于通用 Linux 平台进行完善和优化，为统一操作系统 UOS 龙芯版提供支撑。
2、面向高可靠实时终端的 LoongOS。该系统基于 Linux/RT-Linux 构建了简洁高效的 OS。
3、面向实时嵌入式应用的 LoongWorks。该系统针对历史应用，基于 VxWorks 内核，完善图形和网络等 API。
另一角度看，龙芯操作系统针对不同的硬件和应用，亦分别提出了两种不同的二进制兼容。
除此之外，胡伟武也提到，龙芯将进一步统一系统架构，构建标准规范体系，实现操作系统跨主板整机兼容和 CPU 代际兼容。
从龙芯 3A4000 开始，龙芯也将参考设计全面支持统一系统架构，开发支持 ACPI 主板、固件、内核及 OS 的参考设计，以及基于 ACPI/EC 笔记本标准的解决方案。
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结语：我国自主 CPU 研发的里程碑
龙芯中科经过近二十年的发展，已经成为我国国产自主高性能通用处理器的技术领先者，不仅打破了我国缺乏自主研发 CPU 芯片的历史，同时也是我国形成自主知识产权计算机产业道路上的一座里程碑。
近二十年来，龙芯的自主 CPU 和 OS 已经趋于成熟。胡伟武称，龙芯 CPU 通用处理性能已达到 AMD 水平，OS 成熟度也已接近 Windows XP。
然而，龙芯尚未丰富的应用和产业不配套，无疑是摆在自主 CPU 和 OS 未来发展道路上的一个阻碍。未来，龙芯如何完善基础软件环境和配套芯片，推动 CPU 和 OS 生态的进一步成熟发展，这十分值得我们期待。
