芯片器件中最著名的產(chǎn)物是CPU，國(guó)內(nèi)CPU行業(yè)經(jīng)歷步履維艱的發(fā)展，關(guān)注度越來(lái)越高，在政務(wù)、通訊、計(jì)算等領(lǐng)域經(jīng)?？梢钥吹絿?guó)產(chǎn)CPU的身影。但通用CPU領(lǐng)域還是國(guó)外CPU占據(jù)主導(dǎo)。桌面端有英特爾和AMD，移動(dòng)端有ARM和高通等企業(yè)，國(guó)產(chǎn)CPU想要突出重圍并不容易。

這些年國(guó)內(nèi)CPU企業(yè)在不斷發(fā)展的同時(shí)也在尋找破局之法，國(guó)內(nèi)CPU廠商最常見(jiàn)的發(fā)展模式是購(gòu)買指令集架構(gòu)授權(quán)，ARM、MIPS甚至X86均有國(guó)內(nèi)CPU企業(yè)獲得了授權(quán)。購(gòu)買指令集架構(gòu)授權(quán)無(wú)疑是一種高效的手段，相當(dāng)于在別人準(zhǔn)備好地基的土地上建房子，產(chǎn)品不能稱為完全國(guó)產(chǎn)自主。不過(guò)授權(quán)終究是授權(quán)，沒(méi)有相應(yīng)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，依舊可能會(huì)受到制約。

01 LoongArch介紹

在2021年4月，龍芯中科率先在國(guó)產(chǎn)自主化跨出一步，宣布推出完全自主指令集架構(gòu)：LoongArch，頂層架構(gòu)到指令功能和ABI標(biāo)準(zhǔn)完全自主。這表明龍芯中科未來(lái)的CPU不再使用MIPS指令集架構(gòu)，從今年推出的3A5000開(kāi)始都將使用LoongArch架構(gòu)，這無(wú)疑是芯片國(guó)產(chǎn)化的重要里程。

我們參照官方的資料，做了一下龍芯3A5000的微架構(gòu)圖，可以粗略看到3A5000大體分為4個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊包含一個(gè)核心和一個(gè)緩存。

根據(jù)官方的資料，LoongArch依舊屬于RISC陣營(yíng)，擁有RISC的特點(diǎn)，比如32位定長(zhǎng)指令，32個(gè)通用寄存器，32個(gè)浮點(diǎn)/向量寄存器。但LoongArch也進(jìn)行了改進(jìn)，取消了RISC的指令延遲槽，直接跳轉(zhuǎn)指令的目標(biāo)地址相對(duì)PC計(jì)算，增加相對(duì)轉(zhuǎn)移偏移量。

LoongArch 擁有近2000條指令，并充分考慮兼容需求，相同的源代碼編譯成LoongArch比編譯成龍芯此前支持的MIPS時(shí)動(dòng)態(tài)執(zhí)行指令數(shù)減少10%-20%，也就是運(yùn)行效率更高，性能也會(huì)提升。

LoongArch還深入研究了MIPS、X86、ARM的特性，能對(duì)這些主流架構(gòu)進(jìn)行二進(jìn)制翻譯，對(duì)MIPS可以實(shí)現(xiàn)100%的翻譯，能實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)兼容，龍芯目標(biāo)是在2025年的時(shí)候消除指令集之間的壁壘。

2021年7月，龍芯中科發(fā)布了兩款基于LoongArch指令集架構(gòu)的處理器：3A5000和3C5000L。3A5000處理器是面向桌面端的產(chǎn)品，3C5000L則是服務(wù)器處理器。?3A5000主頻為2.3Ghz-2.5GHz，擁有4顆核心，每個(gè)處理器核心采用 64 位 LA464 自主微結(jié)構(gòu)，支持DDR4-3200MHz內(nèi)存，支持Hyper Transport 3.0控制器。3C5000L則由4個(gè)3A5000封裝，擁有16個(gè)核心。

3A5000處理器內(nèi)置了安全模塊，可以對(duì)Meltdown(熔斷)和Spectre(幽靈)兩個(gè)經(jīng)典CPU漏洞有效免疫，與上一代3A4000一樣支持內(nèi)置加解密算法和安全可信模塊，也是目前唯一通過(guò)國(guó)內(nèi)商密二級(jí)型號(hào)鑒定測(cè)試的CPU內(nèi)置模塊。

02?龍芯3A5000整機(jī)介紹

龍芯3A5000通用處理器主要應(yīng)用在消費(fèi)級(jí)桌面市場(chǎng)，未來(lái)會(huì)推出包括臺(tái)式機(jī)、筆記本、一體機(jī)等產(chǎn)品，這次我們拿到了搭載3A5000處理器的臺(tái)式整機(jī)產(chǎn)品，龍芯3A5000整機(jī)在外觀上采用經(jīng)典的商用辦公主機(jī)風(fēng)格，以黑色為主格調(diào)，前面板提供一個(gè)常規(guī)開(kāi)關(guān)按鈕，兩個(gè)USB 2.0接口，兩個(gè)音頻輸入/輸出接口。

龍芯3A5000整機(jī)
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主板I/O處，提供一個(gè)VGA視頻口，一個(gè)串行COM接口，4個(gè)USB 2.0接口，2個(gè)USB 3.2 Gen1 5Gbps接口，一個(gè)有線網(wǎng)口。

主板I/O
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其他配件上，這臺(tái)主機(jī)使用了256GB的SATA固態(tài)，雙8GB DDR4 3200MHz內(nèi)存。顯卡為AMD Radeon?HD 8750M，顯卡I/O提供一個(gè)VGA接口，一個(gè)HDMI接口。

紫光國(guó)芯（UnilC）2*8GB DDR4 3200MHz內(nèi)存
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AMD Radeon?HD 8750M
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卸下散熱器，可以看到這次的主角：龍芯3A5000，龍芯3A5000的芯片代號(hào)為“KMYC70”，這樣命名是紀(jì)念抗美援朝70年，而服務(wù)器3C5000L芯片代號(hào)則為“CPC100”以慶祝建黨100周年。

這臺(tái)主機(jī)中，龍芯3A5000直接焊接封裝在主板上，不支持DIY更換。

編譯器方面，龍芯3A5000配套的三大編譯器GCC、LLVM、GoLang和三大虛擬機(jī)Java、JavaScript、.NET均已完成開(kāi)發(fā)，龍芯自家基礎(chǔ)版操作系統(tǒng)Loongnix和面向工控領(lǐng)域的LoongOS已經(jīng)發(fā)布，不過(guò)我們手里這臺(tái)龍芯3A5000整機(jī)使用的為統(tǒng)信UOS系統(tǒng)，因?yàn)閮?yōu)化等問(wèn)題，會(huì)與Loongnix及其他系統(tǒng)的龍芯3A5000主機(jī)性能有差異。

主機(jī)配置

統(tǒng)信UOS系統(tǒng)由多家國(guó)內(nèi)操作系統(tǒng)核心企業(yè)自愿發(fā)起并研發(fā)完善的安全、易用、穩(wěn)定的操作系統(tǒng)產(chǎn)品，也是未來(lái)芯片國(guó)產(chǎn)化的生態(tài)關(guān)鍵一步。其官網(wǎng)目前已經(jīng)開(kāi)放下載，有興趣的用戶可以自行去官網(wǎng)下載嘗試。那么除了統(tǒng)信UOS操作系統(tǒng)之外，實(shí)際上國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)麒麟Kylin龍芯版也是不錯(cuò)的選擇。

03?實(shí)戰(zhàn)測(cè)試：

此次參與測(cè)試的處理器除了龍芯3A5000之外，還增加了intel?i5?9500 六核 14nm處理器、國(guó)產(chǎn)ARM V8 四核 7nm處理器和國(guó)產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器作為對(duì)比參考，整機(jī)主要的硬件參數(shù)保持一致。

其中， intel i5 9500 六核 14nm架構(gòu)處理器主頻3.0-4.4Ghz，熱設(shè)計(jì)功耗65W。國(guó)產(chǎn)ARM V8 四核 7nm處理器主頻可達(dá)2.6GHz，單芯片可支持64核。另一款國(guó)產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器，兼容64位ARMv8指令集，主頻2.3GHz。

需要提前說(shuō)明的是，參與測(cè)試的四款處理器核心數(shù)量并非一致，因此在多核測(cè)試項(xiàng)目中我們?nèi)√幚砥鞯淖疃嗪藬?shù)成績(jī)。

基準(zhǔn)測(cè)試

UnixBench性能測(cè)試：

下面我們正式開(kāi)始測(cè)試，首先依然選擇大眾熟悉的UnixBench測(cè)試工具。這款軟件是一個(gè)類 Unix（Unix，BSD，Linux）系統(tǒng)下的性能測(cè)試工具，被廣泛用于測(cè)試 Linux 系統(tǒng)主機(jī)的性能?？梢詼y(cè)試系統(tǒng)調(diào)用、讀寫(xiě)、進(jìn)程、圖形化測(cè)試等成績(jī)，也是一個(gè)全方面考驗(yàn)整機(jī)的軟件。

UnixBench單核、多核性能測(cè)試
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從測(cè)試結(jié)果可以看到，龍芯3A5000和國(guó)產(chǎn)ARM V8 四核 7nm這款處理器的性能表現(xiàn)都很出色，龍芯3A5000單核性能達(dá)到了1685分，相比上一代龍芯3A4000提升非常明顯，單核性能已逼近了intel i5 9500 六核 14nm這款處理器的水平。這一點(diǎn)也正符合龍芯先通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化提高單核性能，再利用先進(jìn)工藝增加核數(shù)的升級(jí)策略。

多核性能對(duì)比中，龍芯3A5000達(dá)到4314分與國(guó)產(chǎn)ARM V8 四核 7nm的4387分基本持平，但如果與intel i5 9500 六核 14nm對(duì)比還是有不小差距。不過(guò)，4核龍芯3A5000反而比國(guó)產(chǎn)ARM V8 八核 14nm這款處理器的性能高出了600多分。

SPEC 2006測(cè)試：

接下來(lái)我們進(jìn)行SPEC 2006對(duì)比測(cè)試，SPEC 2006是一個(gè)大型的CPU性能測(cè)試項(xiàng)目，重點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)的處理器，內(nèi)存子系統(tǒng)和編譯器。能夠測(cè)試CPU最基礎(chǔ)的定點(diǎn)性能和浮點(diǎn)性能。同樣需要提前說(shuō)明的是，測(cè)試處理器由于核心數(shù)量并不對(duì)等，因此我們?cè)诙嗪藴y(cè)試環(huán)節(jié)選擇最多核數(shù)的成績(jī)。

SPEC CPU2006 BASE性能測(cè)試
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本次我們將SPEC 2006測(cè)試分為單核與多核測(cè)試。龍芯3A5000單核定點(diǎn)為25.1分，單核浮點(diǎn)為26分。相比intel i5 9500 六核 14nm這款處理器的確有不小的差距，但單核定點(diǎn)與國(guó)產(chǎn)ARM V8 四核 7nm這款處理器不相上下，單核浮點(diǎn)略優(yōu)于國(guó)產(chǎn)ARM V8 四核 7nm這款處理器。龍芯3A5000對(duì)比國(guó)產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器的單核定點(diǎn)則高出近10分，單核浮點(diǎn)則高出近一倍。

多線程測(cè)試中，intel i5 9500 六核 14nm處理器依然表現(xiàn)最佳，而龍芯3A5000的多核定點(diǎn)與多核浮點(diǎn)均高于國(guó)產(chǎn)ARM V8 四核 7nm處理器，由于國(guó)產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器核心數(shù)量上具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此定點(diǎn)和浮點(diǎn)的分?jǐn)?shù)要高于龍芯3A5000和國(guó)產(chǎn)ARM V8 四核 7nm處理器。

Stream：

Stream是業(yè)界主流的內(nèi)存帶寬測(cè)試程序，測(cè)試行為相對(duì)簡(jiǎn)單可控。 該程序?qū)PU的計(jì)算能力要求很小，對(duì)CPU內(nèi)存帶寬壓力很大。 隨著處理器核心數(shù)量的增大，而內(nèi)存帶寬并沒(méi)有隨之成線性增長(zhǎng)，因此內(nèi)存帶寬對(duì)提升多核心的處理能力就越發(fā)重要。

Stream內(nèi)存測(cè)試
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在Stream Copy測(cè)試子項(xiàng)性能中，龍芯3A5000的表現(xiàn)相當(dāng)出色，已超過(guò)了intel i5 9500 六核 14nm處理器。其中Copy單線性能獲得16864分，多線性能獲得21873分。國(guó)產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器和國(guó)產(chǎn)ARM V8 四核 7nm處理器分?jǐn)?shù)相差不大，但Copy的整體表現(xiàn)比龍芯3A5000稍遜一籌。

應(yīng)用測(cè)試

實(shí)際上，除了處理器的單核與多核的基準(zhǔn)性能測(cè)試之外，用戶軟件應(yīng)用體驗(yàn)則可以更直觀反應(yīng)處理器之間的性能差異，下面我們就來(lái)實(shí)測(cè)一下辦公常用WPS、瀏覽器與視頻播放器方面的應(yīng)用體驗(yàn)。

WPS：

我們將搭載四款處理器的主機(jī)安裝上同樣版本的統(tǒng)信UOS操作系統(tǒng)，然后用WPS辦公軟件分別打開(kāi)10MB（文本+圖片）、50M（文本+圖片）以及 50M（文本+圖片+視頻）單個(gè)大容量文件，重點(diǎn)測(cè)試打開(kāi)文檔速度來(lái)衡量處理器的性能，為了盡可能保證測(cè)試數(shù)據(jù)樣本的規(guī)律性，每個(gè)文檔均打開(kāi)5次后取平均值。

WPS辦公軟件打開(kāi)文檔速度對(duì)比(時(shí)間越短越好)
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通過(guò)實(shí)際測(cè)試可以看到，10MB（文本+圖片）文檔打開(kāi)速度中，國(guó)產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器用時(shí)最短為1.47秒，龍芯3A5000打開(kāi)速度為1.54秒。50M（文本+圖片）打開(kāi)速度中，國(guó)產(chǎn)ARM V8 四核 7nm處理器用時(shí)最長(zhǎng)為3.01秒，50M（文本+圖片+視頻）測(cè)試中，國(guó)產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器則用時(shí)最長(zhǎng)為4.24秒，intel i5 9500 六核 14nm處理器用時(shí)最短為2.23秒。綜合來(lái)看，intel i5 9500 六核 14nm處理器的整體表現(xiàn)較好，而龍芯3A5000略好于國(guó)產(chǎn)ARM V8 四核 7nm處理器，國(guó)產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器小容量文件打開(kāi)文件速度較好，但是大文檔打開(kāi)速度上不夠理想。

瀏覽器：

瀏覽器是我們?nèi)粘Ｓ^看網(wǎng)頁(yè)信息和視頻的重要應(yīng)用，目前每個(gè)網(wǎng)頁(yè)基本上都充斥著大量的圖形，對(duì)于CPU運(yùn)行也會(huì)打來(lái)不小的負(fù)荷壓力。下面我們就來(lái)測(cè)試一下四款處理器在瀏覽器上的性能表現(xiàn)。我們同時(shí)打開(kāi)瀏覽器并加載愛(ài)奇藝視頻網(wǎng)站，對(duì)比一下打開(kāi)時(shí)間。由于龍芯自家提供有Loongnix瀏覽器，因此龍芯3A5000選擇自家龍芯瀏覽器V3.1，而其他均選擇火狐瀏覽器進(jìn)行測(cè)試。

瀏覽器打開(kāi)愛(ài)奇藝網(wǎng)站速度(時(shí)間越短越好)單位：秒
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由于愛(ài)奇藝網(wǎng)站中存在視頻、圖片、CSS、JavaScript等等，因此加載頁(yè)面對(duì)處理器性能也提出一定的要求。通過(guò)測(cè)試可以看到intel i5 9500 六核 14nm處理器加載速度表現(xiàn)較好用時(shí)1.4秒，龍芯3A5000的1.78秒也很不錯(cuò)，最長(zhǎng)用時(shí)的則是國(guó)產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器用時(shí)2.35秒。

影音播放：

最后對(duì)比測(cè)試的是影音播放性能，我們選擇統(tǒng)信UOS操作系統(tǒng)下的默認(rèn)視頻播放器，并打開(kāi)同樣大小的1080P視頻mp4格式，分別測(cè)試四款處理器加載視頻的時(shí)間。

影院播放器加載1080P MP4視頻時(shí)間(時(shí)間越短越好)單位：秒
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通過(guò)實(shí)測(cè)可以看到，國(guó)產(chǎn)ARM V8 四核 7nm處理器加載速度最快為1.43秒，龍芯3A5000為1.64秒緊隨其后，最慢的則是國(guó)產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器用時(shí)2.09秒。此外值得一提是，由于龍芯3A5000處理器性能提升顯著，因此在播放4K高清視頻的軟解能力也得到進(jìn)一步提升，在脫離獨(dú)顯的情況下依然可以流暢播放高清視頻。

04?不破不立 不斷超越

長(zhǎng)久以來(lái)，龍芯中科的目標(biāo)是讓中國(guó)人用上完全自主的CPU處理器，二十年風(fēng)華歲月，彈指一揮間，LoongArch的出現(xiàn)讓龍芯離這個(gè)目標(biāo)邁進(jìn)了一大步，這也不僅僅是龍芯的突破，也是中國(guó)自主CPU行業(yè)的新里程碑。

基于自主指令系統(tǒng)LoongArch的龍芯3A5000性能表現(xiàn)非常讓人滿意，短期內(nèi)的短板是生態(tài)建設(shè)，應(yīng)用軟件適配還需要加強(qiáng)。盡管作為過(guò)渡階段，龍芯的二進(jìn)制翻譯系統(tǒng)LAT可以實(shí)現(xiàn)跨指令平臺(tái)應(yīng)用兼容，也能夠運(yùn)行部分X86/Windows應(yīng)用軟件，但要想實(shí)現(xiàn)滿足各種應(yīng)用需求的龐大軟件生態(tài)，仍需要國(guó)內(nèi)軟件廠商的群策群力。

生態(tài)涉及的復(fù)雜程度有時(shí)候會(huì)比單一技術(shù)還要令人頭痛，CPU生態(tài)需要硬件、系統(tǒng)和用戶作為支持，硬件上龍芯已經(jīng)有了LoongArch加持的龍芯3A5000，系統(tǒng)方面有統(tǒng)信UOS、麒麟Kylin等國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的適配。LoongArch目前最需要的是用戶，用戶不僅包括消費(fèi)者，也包括開(kāi)發(fā)者，沒(méi)有開(kāi)發(fā)者帶來(lái)的軟件生態(tài)支持，就不會(huì)有大量消費(fèi)者買單，沒(méi)有用戶消費(fèi)就沒(méi)有資金繼續(xù)研發(fā)，所以LoongArch大力推廣生態(tài)是當(dāng)下最重要的一步。蘋(píng)果M1被認(rèn)為可以威脅到英特爾和Windows，也是因?yàn)橛脩艋鶖?shù)龐大，加上全球上千萬(wàn)的iOS開(kāi)發(fā)者，才能成為CPU行業(yè)的黑馬。

有些用戶可能比較難理解，為啥我們CPU做了那么多年，國(guó)內(nèi)CPU生態(tài)還是建立不起來(lái)。這里筆者舉個(gè)例子，前段時(shí)間有消息稱英特爾要在歐洲建立一座晶圓廠，投入是多少呢？消息顯示英特爾整個(gè)生命周期內(nèi)總投資或?qū)⒊^(guò)1000億美元，即使包括一些國(guó)家的政策補(bǔ)貼，英特爾每年在芯片研發(fā)上也有百億美元投入。國(guó)內(nèi)CPU整個(gè)行業(yè)實(shí)際投入都遠(yuǎn)低于英特爾這樣的企業(yè)，根本不能滿足所有芯片企業(yè)的需求，大多只勉強(qiáng)維持研發(fā)。而且，國(guó)外CPU和操作系統(tǒng)在軟件生態(tài)、產(chǎn)業(yè)體系上磨合了幾十年。正所謂差之毫厘，謬之千里，一個(gè)微小細(xì)節(jié)失誤就會(huì)讓一條億萬(wàn)投入的產(chǎn)品線作廢，沒(méi)有資本必然玩不轉(zhuǎn)，門檻高，難入行，久而久之活下來(lái)的越來(lái)越少。

在這樣的環(huán)境下，龍芯能夠推出自主化指令集架構(gòu)LoongArch實(shí)屬不易，準(zhǔn)確的說(shuō)像龍芯這樣現(xiàn)在還堅(jiān)持做國(guó)產(chǎn)自主芯片的企業(yè)都值得尊敬。

不經(jīng)一番寒徹骨，怎得梅花撲鼻香，自主之路無(wú)比艱難，龍芯這份勇氣令人贊嘆?，F(xiàn)在龍芯已經(jīng)踏出最艱難的第一步，接下來(lái)就是生態(tài)體系的建立。目前龍芯中科已經(jīng)建立LoongArch社區(qū)，同時(shí)將會(huì)組建LoongArch聯(lián)盟，免費(fèi)開(kāi)放LoongArch，希望更多的開(kāi)發(fā)者可以參與其中，讓國(guó)產(chǎn)自主CPU走的更遠(yuǎn)，期待龍芯中科為我們帶來(lái)全新自主的國(guó)產(chǎn)CPU生態(tài)領(lǐng)域。

編輯：fqj