龙芯CPU再进一步，国产CPU们追上英特尔还需多久？

电子发烧友网报道（文/黄山明）近日，据“中科院 科技 创新亮点成果筛选”活动页面的结果显示，龙芯中 科技 术股份有限公司已经完成了基于自主LoongArch指令系统的龙芯3C5000服务器CPU的研制，国产服务器CPU再向前迈出了一步。
龙芯3C5000服务器CPU（图源：龙芯中科）
对于CPU的命名，一般A系列为桌面级CPU，而C系列则是服务器CPU。从公开信息来看，龙芯3C5000服务器 CPU内部集成了16个高性能的龙芯LA464处理器、32MB的共享偏上高速缓存和4个64位DDR4-3200内存控制器，主频为21-23GHz，单新品双精度浮点运算速度超过05TFLOPS。
单从性能上来看，龙芯这款3C5000已经与市面中的主流CPU相当，已经可以满足当下云计算与数据中心的性能要求。
值得一提的是，LoongArch也就是龙芯自主指令系统架构已经实现了完全自主、技术先进、兼容生态三方面的特点，其中拥有近2000条指令，并不包含MIPS指令系统。该架构今年正式被龙芯对外发布。
在今年7月份，龙芯中科发布了3A5000CPU，作为桌面级CPU，其性能已经逼近市场的主流产品，据相关机构评测数据显示，龙芯3A5000单核SPECCPU 2006 Base定浮点分值在25GHz主频下性能超过了26分，平均每GHz性能超过了10分，已经与市场主流X86产品相当接近。
其中，龙芯处理器除了CPU核心是自研的以外，包括GPU核、内存控制器和PHY、高速IO接口控制器和PHY等上百种IP均自主研发。
国内的CPU生力军除了龙芯以外，还有如兆芯、飞腾等。如兆芯在2015年便发布了一款ZX-C4600/4610处理器，算是价格门槛较低的国产通用型X86 CPU。主频为2GHz，采用28nm制造工艺。
兆芯ZX-C4600（图源：兆芯）
根据测试，这款兆芯的芯片性能基本等同于英特尔在2007年发布的奔腾双核E2160的两倍，已经可以满足日常办公需求，同时由于采用了X86架构，因此可以兼容Windows、Linux等 *** 作系统。
飞腾也发布过处理器产品，如经典的FT-1500A/4四核处理器，不过由于采用了Arm V8的架构，因此无法与Windows兼容，基本只能运行国产化Linux系统，距离普通消费者就更远了。
图源：飞腾
如今飞腾还发布了FT-1500A/16的16核心处理器以及FT-2000+/64的64核心版本的服务器平台。
除了以上几款之外，国产CPU还有如鲲鹏、海光、申威等品牌，如申威的CPU便被曾经全球第一的超算神威·太湖之光所采用。
上文已经了解到国内的部分国产CPU相关产品，但可以肯定的是，如果并非是业内人士，可能基本没有听闻过这些国产的CPU。一方面是由于国产CPU市场份额过小，知名度只局限于相关专业人士，另一个原因在于价格原因导致国产CPU推广更加困难。
首先说价格，可能一般用户会认为，既然国产CPU性能相比英特尔、AMD还存在差距，甚至可能还不如上一代的奔腾、赛扬，那么售价也必须要比这些产品更便宜才对。
但事实上，正是因为国产处理器受众较小，大多数用户并不买单，销量较低，而研发成本又摆在这里，平摊下来每块CPU成本并不低。假设研发出一个新系列耗费1亿元（成本已经很低），但最终只卖出了10万套不到（10万套基本已经是国产CPU销量天花板），那么每一套的成本就达到1000元，这还没有算渠道费用以及存储、运输等额外的支出。
对比英特尔、AMD动辄数百万以上的销量，国产CPU的成本很难降低，这就导致如今的国产CPU价格甚至比这些国外CPU产品更高。
当成本降不下来，性能还不如国外同类产品的情况下，普通消费者基本不会支持，只能依赖于政府采购为主。如果想要普通消费者买单，如今只能走补贴的路线来将价格降下来。
除了成本以外，另一个问题还在于生态。兆芯CPU采用了X86架构，可以兼容Windows，其生态环境稍好一些。但对于龙芯以及飞腾而言，由于采用的分别为自研架构LoongArch以及Arm架构，因此与Windows并不兼容。
这对于用户而言就不太友好了，没有相应的软件生态环境，就意味着没有国产CPU施展能力的空间。如果想要软件生态，就只能放弃自研，采购通用架构，制造服务器CPU，来帮助企业迅速回本。不过这样一来，一旦被国外“卡脖子”企业很难有还手余地。
如今国内掀起了一股国产替代的浪潮，而CPU作为计算机系统运算和控制的核心，如何实现CPU的自主可控，并能够经受住市场的考验实现替换，是国产崛起的关键。
当前已经多款国产CPU产品，那么距离替换英特尔还有多远呢？
如果光从性能上来看，龙芯3A5000性能与2015年的英特尔i5水平相当，这已经很不错了，要知道在过去国内外CPU在性能上的差距就能达到10年以上。因此只看性能的话，大概5-8年左右就能够替换英特尔。
但CPU除了性能以外，生态也非常重要。简单地打个比方，在海外，安卓手机大多都会使用GMS框架，只有拥有了GMS才能运行谷歌应用及需要GMS支持的应用，而大多数海外的安卓应用都需要GMS支持才能够使用。当有手机被禁止使用GMS时，在海外市场就意味着除了打电话以外，基本干不了什么其他的事了，这就是生态。
由于英特尔CPU的强大市场地位，Windows基本是基于X86而开发的，对于其他的CPU而言，会产生兼容性的问题。
而其他CPU稀少的市场份额，很难吸引到开发者愿意去为这一架构开发相应软件，最后陷入恶性循环，强者恒强，弱者越弱。
好在如今一些CPU开始着力打破这个生态系统，如龙芯也开始走兼容模式，已经能够运行一些Windows程序，未来随着能够运行的程序越来越多，相信也会在市场中慢慢占有一席之地，通过市场来带动国产CPU技术的迭代与发展。
那么答案很明显了，如果只看性能的话，可能需要5-8年才能完全替代英特尔，如果没有那么极客，如今的国产CPU已经可供日常使用。但生态的缺陷让国产CPU境地较为尴尬，虽然喊出要打造第三套生态系统，但显然是一个漫长的过程。在此之前，与另两个生态兼容将是国产CPU的必由之路。

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2006年9月13日，由中国科学院计算技术研究所承担的国家863计划项目 “龙芯2号增强型处理器芯片设计”(即龙芯2E)通过了由“十五”863计划信息技术领域专家组组织的验收。科技部徐冠华部长、中科院施尔畏副院长参加了验收会。徐冠华部长在验收会上讲话指出，计算所等国内科研单位在我国自主创新大潮中不骄不躁、努力拼搏，攻克了具有自主知识产权的通用高性能芯片等一大批关键核心技术，研制出了以龙芯2E为代表的一批标志性成果，为加快建设我国创新体系，提升我国科技自主创新能力做出贡献，在实践中走出了一条跨越发展、具有中国特色的科技创新之路。
验收专家组认为龙芯2E高性能通用CPU芯片在单处理器设计方面已达到国际先进水平，是具有自主知识产权的CPU芯片。龙芯2E通用64位处理器是是祖国大陆地区第一个采用90纳米设计技术的处理器。该处理器最高主频达到10GHz，峰值运算速度达到每秒40亿次双精度浮点运算。
在现场演示中，龙芯2E样机使用64位Linux *** 作系统，能流畅运行Mozilla浏览器、OpenOffice办公套件、Mplayer流媒体播放器等应用程序并能正确支持中文输入和显示。据悉，计算所与其它单位合作，先后开发了基于龙芯系列CPU芯片的多种应用系统，包括低成本电脑、第二代机顶盒等。在包括政府办公、数字电视、农村信息化、工业控制等领域展开了试点应用，并与国外著名企业签署了授权生产销售协议。龙芯2E处理器将于2006年底以前上市。
龙芯2E通用64位处理器是目前全球除美日之外性能最高的通用处理器，也是祖国大陆地区第一个采用90纳米设计技术的处理器。该处理器最高主频达到10GHZ，实测性能超过15GHZ奔腾Ⅳ处理器的水平，具有低成本、低功耗、高性能、高安全性等特点，在不同工作条件下龙芯2E处理器的功耗在3-8瓦范围内。
在十五期间，计算所在863计划的支持下，继2002年研制成功龙芯1号处理器芯片后，在2003年、2004年、2005年分别研制成功龙芯2号的不同型号龙芯2B、龙芯2C、以及龙芯2E，每个芯片的性能都是前一个芯片的3倍，实现了通用处理器设计的跨越发展。目前龙芯课题组正进行龙芯3号多核处理器的设计。“十一五”期间，龙芯处理器必将为推进我国信息化做出更大的贡献。
新浪科技讯 11月13日消息，据中科院计算所人士透露，目前龙芯2E处理器进入量产，已经向市场批量供应，使用龙芯2E的中科龙梦笔记本有望在明年年初上市。
中科院龙芯主设计师胡伟武在其《龙芯3号多核处理器设计及其挑战》的报告中指出，龙芯3号多核处理器结构特征是多平台并行虚拟机结构，第一阶段到2008年做8～16核，第二阶段到2010年做32～64核。
可能使用45纳米技术
龙芯3号多核处理器系列主要面向服务器和高性能机应用，部分低端龙芯3号也可以面向部分桌面应用。
胡伟武称：“龙芯3号在策略上伸缩设计、有限实现，比如结合工艺和应用，桌面应用则四核就够了。”
10月26日，中科院计算所和意法半导体签署合作开发多核处理器协议，其中便涵盖45纳米技术的合作，龙芯2号则会进一步采用65纳米技术。
龙芯优势在于低功耗
龙芯2E工作在750MHz下时，CPU、北桥和内存条功耗一共只有75W。媒体播放较Pentium 4要快一些。
多核处理器的发展趋势就是处理器结构正处在转折期，主频至上的时代已经结束。摩尔定律关于主频部分的终结，晶体管资源还在增加，性能功耗比继性能价格比后成为重要的设计指标，网络和媒体的普及导致计算机应用的变化。
“主频的游戏已经结束了，并行结构我们很有机会。”胡伟武说，“我们设计的方法很正确，有10个核以上，国外厂商更多运用静态电路，不可能把10个100W核集成在一起，不可能为了追求极端的性能牺牲功耗。”
龙芯3号部分兼容x86
龙芯3号的一个目标是要建设和谐的计算和谐，一是指人机和谐，串行程序并行化的问题；另一个是指机机和谐，就是兼容问题。
计算所人士说，关于是否兼容的问题，去年在计算所开了四五次会议讨论。不兼容Wintel体系，意味着软件上的相对匮乏；兼容，一来难以绕开专利瓶颈，二则跟踪容易越跟越远，因为Wintel不是一个固定的死东西，且历史包袱也不少。
目前龙芯2号暂时没有兼容的打算，而龙芯3号则会尝试采取类似全美达处理器的思路去兼容x86，至少部分兼容。
龙芯3号面临的挑战
胡伟武指出：研发团队的理想是使所有可执行文件可以在龙芯上正确快速地运行，要做一个多平台并行虚拟机结构，一方面通过进程级虚拟机实现Linux上的x86兼容，另外把虚拟机自动并行化。
他同时坦言，多核结构的物理设计方法非常难，如果把16个64位龙芯的核放在一起，反而会成为最大的瓶颈，就像茶壶里倒饺子根本倒不出来的。如果封装1千个核心，真正传递的信号就几百个，需要把I/O做得很快，否则“里面快外面慢”。要建设高速传输的环境，高速缓存的设计等问题非常难。
高性能CPU少不了和代工厂的密切合作。CPU本身的设计还是由计算所完成，同时意法半导体今后会在物理设计方面给于计算所更多的支持。

近两个月的中兴禁运危机暴露了我国在核心芯片方面的短板，社会各界纷纷呼吁实现芯片自给。纵观以往各国核心技术的开发，政府采购都是巨大的助力，如今，中国政府采购也发力国产芯片、国产 *** 作系统。

中央国家机关5月17日发布“2018-2019年信息类及空调协议供货的征求意见”，包含打印机、计算机（台机和笔记本）、空调、交换机、服务器五类产品。其中，服务器产品的技术要求引人注目。

本次增设服务器品种有三类，并非是传统的机架、刀片、塔式之分别，而是三款国产芯片；龙芯、飞腾、申威。

换句话说，服务器厂商只有和三个国产芯片合作，研制国产芯片服务器才能入围此类协议供货。据悉，目前进入协议供货的服务器厂商配置的芯片都是英特尔的E系列。

查询中央政府采购网发现，去年中央国家机关有关服务器采购内容无法查看，“中央国家机关2017-2018信息类产品协议供货采购项目采购公告”、“中央国家机关2017-2018信息类产品协议供货采购项目中标公告”相关协议附件均需以采购人或供应商方式登录。

此次征求意见提及的龙芯服务器CPU型号至少为3B1500，申威CPU服务器型号至少为申威1621，龙腾CPU服务器型号至少为1500A-16。有报道指出，两款CPU服务器型号之间性能差距较大。比如：申威1621是申威最新的产品，而3B1500则是龙芯2012年10月流片成功的老款CPU，以通用性能一般“著称”。

根据龙芯发布的信息，升级后的龙芯3B1500版本采用龙芯3A3000处理器同版芯片，处理器核心在保持指令集向前兼容的基础上，微结构由原有的GS464升级为GS464E，同主频性能得以大幅提高。同时为了保证软硬件系统的兼容性，升级版龙芯3B1500暨龙芯3A3000和原龙芯3B1500处理器不但在CPU硬件上保持了功能引脚级的兼容，在软件上也实现了 *** 作系统级的兼容。

据了解，升级后的龙芯3B 1500采用28nm工艺制造，微架构为GS464E，集成晶体管超过12亿个，集成了八个向量核心，峰值运算能力可达192GFlops，兼容当前主板。

目前，中标麒麟V70（64位版本） *** 作系统已经实现了对龙芯3B1500和升级版芯片（3A3000）的同一个版本并全面系统兼容，客户相关3B1500产品可平滑过渡到升级版芯片（龙芯3A3000），龙芯公司将竭诚为客户提供相关支持与升级服务。

龙芯完成OpenJDK 16的MIPS64移植，成为服务器系列产品的标配软件。
稳定运行Tomcat服务器、永中Office、以及国内多家厂商的中件间系统。所有在PC服务器上存在的Java软件产品，今后均可以迁移到龙芯服务器上，不存在任何障碍。
参见：《龙芯MIPS 64位Java虚拟机开发成功！》

嵌入式开发12年，军工领域。我来说说最近正调试中的某款嵌入式龙芯cpu。
1芯片功能接口各种坑。我也算一老程序猿，用过的cpu型号十几款，上天的家伙俺也没少干，可就看不懂这款cpu。io *** 作老费劲，ad采集更能把你累出翔。看不出统一的设计思路，这么不严谨的设计连单片机都替代不了，手册更不用提了。
2学生担纲，梯队建设差。我所看到的是用一堆学生，带着他们的人那个某某某天天忙拉项目哪管具体设计。而且学生刚练熟了就跑了。
3他们这个开发团队是做生意的不是做技术的。有钱就干别的了，那还会继续改进，没钱的时候又叫唤。
4现在之所以用是上面大领导要求的，老板也挡不住。可龙芯的人特委屈，因为钱少没批量。
总之，浮躁啊浮躁，只剩下吹牛逼了。为啥卫星啊武器啊不用龙芯呢？一线总师都明白，谁用谁倒霉。
附：
一番没有建设性的牢骚之言愧对大家的关注，甚感惶恐。特附中庸一点的说辞。
做为身在局中之人，很理解龙芯团队的困难。各院各所各中心什么的，都有自己的打算，利益之争在所难免。各家身在研发一线的老师学生职员得先求自身温饱，就免不了急功近利。龙芯也有干得非常好的产品线，挣了不少钱，但军用嵌入式方向水平一般。
如果我们把龙芯看成普通的项目或者生意，也没啥好苛求的。但是，国人都眼巴巴希望这方面争气些。龙芯既然敢宣传抗大旗，就得知道做的一般好是不行的，是必须要大干苦干的。
系统内并不是缺人才，高手满多的。我的希望是，带头人能不能多一点埋头苦干艰苦奋斗少一点功利。我也许是太苛求别人了吧。

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