龍芯架構開創國產自主指令集新時代，國產CPU即將擺脫國外限制
近日，中國自動化學會自主指令系統技術與應用專委會（籌）（以下簡稱“專委會”）正式啟動。
專委會的目標是大力發展自主CPU指令系統的技術體系和產業生態，通過產學研深度融合，構建獨立于x86體系和ARM體系的新型信息技術體系，理念為“共商、共建、共享”。
龍芯中科董事長胡偉武任籌備組組長，來自相關領域的11位專家任籌備組副組長，《網信自主創新調研報告》主編田霞任籌備組執行負責人，134位來自各行業的專家代表共同組成專委會籌備組。
在專委會第一次工作會議上，胡偉武發表了題為《破解卡脖子問題、構建新發展格局》的報告。
他指出，指令系統是CPU和操作系統的共性基礎，是信息產業的“根技術”，我國信息產業發展的核心，就是基于自主指令系統構，建安全可控的信息技術體系。
龍芯長期堅持核心IP自主研發，通過設計優化和工藝迭代，提高單核通用處理性能，目標就是構建獨立于x86和ARM的第三套新型信息技術體系和產業生態。
加入專委會，就可以獲得龍芯LoongArch龍架構指令系統的使用授權，并以優惠的價格，獲得龍芯中科IP授權、SoC設計服務。
國產自研指令系統邁出重要一步
2021年4月，MIPS生態的重要維護者龍芯宣布放棄MIPS指令系統，發布了完全自主指令集架構Loongson Architecture，簡稱龍芯架構或LoongArch。
龍芯委托國內第三方知名知識產權評估機構對龍芯基礎架構進行深入細致的知識產權評估。從2020年二季度開始，雙方投入上百人月，將LoongArch與ALPHA、ARM、MIPS、POWER、RISC-V、X86等國際上主要指令系統有關資料和幾萬件專利進行深入對比分析。
2021年1月，針對被評估的基礎架構版本該評估機構認為：
LoongArch在指令系統設計、指令格式、指令編碼、尋址模式等方面進行了自主設計。
LoongArch指令系統手冊在章節結構、指令說明結構和指令內容表達方面與上述國際上主要指令系統存在明顯區別。
LoongArch基礎架構未發現對上述國際上主要指令系統中國專利的侵權風險。
CPU指令系統是計算機的軟硬件界面，是CPU所執行的軟件指令的二進制編碼格式規范。一種指令系統承載了一個軟件生態，如x86指令系統和Windows操作系統形成的Wintel生態以及ARM指令系統和Android操作系統形成的AA生態。
無論是x86還是ARM指令系統，都需要獲得“授權”才能研制與之相兼容的CPU。采用授權指令系統可以研制產品，但不可能形成自主產業生態。
用個形象的比喻來解釋，中國人可以用英文寫小說，但不可能基于英文形成民族文化。這也就是擁有指令集的公司很容易就能對獲得授權的芯片設計公司卡脖子的原因，完全開源的RISCV，也是來源于美國伯克利大學，因此Loongson Architecture對中國集成電路產業而言是一個歷史性突破。
龍芯架構包括基礎架構部分和向量指令、虛擬化、二進制翻譯等擴展部分，近2000條指令，不包含MIPS指令系統，具有完全自主、技術先進、兼容生態三方面特點。
具體而言，龍芯架構從整個架構的頂層規劃，到各部分的功能定義，再到細節上每條指令的編碼、名稱、含義，在架構上進行自主重新設計，具有充分的自主性。
同時，龍芯架構摒棄了傳統指令系統中部分不適應當前軟硬件設計技術發展趨勢的陳舊內容，吸納了近年來指令系統設計領域諸多先進的技術發展成果。同原有兼容指令系統相比，不僅在硬件方面更易于高性能低功耗設計，而且在軟件方面更易于編譯優化和操作系統、虛擬機的開發。
生態方面，龍芯架構充分考慮兼容生態需求，融合了各國際主流指令系統的主要功能特性，基于龍芯團隊在二進制翻譯方面十余年的技術積累創新，不僅能夠確保現有龍芯電腦上應用二進制的無損遷移，而且能夠實現多種國際主流指令系統的高效二進制翻譯。
國產CPU進入全新時代
龍芯3A5000是首款支持LoongArch架構的龍芯芯片，也是3A6000的前代產品。它首次實現了從指令集、微架構到芯片設計的完全自研。在與龍芯3A4000處理器保持引腳兼容的基礎上，頻率提升至2.5GHz，性能提升50%以上，且功耗降低至少30%。它使用成熟工藝制造，支持128位/256位向量指令；四發射亂序執行；擁有4個定點單元、2個向量單元和2個訪存單元，和2個DDR4控制器；典型功耗在35W@2.5GHz。
而龍芯3A6000是龍芯第四代微架構的首款產品，采用成熟制造工藝，其最高主頻仍然保持在2.5GHz，集成4個最新研發的高性能6發射64位LA664處理器核，支持128位向量處理擴展指令（LSX）和256位高級向量處理擴展指令（LASX）。架構指令集的提升，使得龍芯3A6000較龍芯3A5000單核性能提升了60%以上，并且龍芯3A6000首次支持同步多線程，實現四核八線程，多核性能提升100%。
今年一季度，龍芯3A5000和3A6000兩款芯片的總出貨量，已經達到了2023年全年水平。
另外，雖然龍芯3A6000的運行頻率只有2.5GHz，但根據中國電子技術標準化研究院賽西實驗室的測試，龍芯3A6000的總體性能與英特爾2020年上市的第10代酷睿處理器相當，也就是3.6GHz的i3-10100。
而在去年的發布會上，主板大廠華碩還表示，把英特爾13代i5處理器降頻至與龍芯3A6000同樣頻率后，二者性能相當?？梢姡@顆國產CPU已經達到了很強的水準。
而這些也都意味著，3A6000可以滿足絕大部分的辦公、娛樂、學習等方面的需求。
性能的進步當然很驚喜，但更重要的是實現落地應用。龍芯3A6000發布后，有數十家廠商發布了基于3A6000的桌面計算機、筆記本、板卡、存儲產品、網絡安全設備、工業控制計算機等各類產品，涵蓋信息化辦公、娛樂、工業控制、智能制造、智能家居、數字五金等多個場景。
例如，相關的電腦產品已經可以流暢運行大型3D游戲，使用微信、釘釘、中望CAD、WPS等常用辦公軟件和行業軟件。
那么2024年一季度的銷量，能取得這么好的成績，也說明，龍芯3A6000得到了真正的商業化應用和實現市場化運營，這才是最令人欣喜的。
技術上有什么突破，固然重要，但如果這個技術不能實際應用，就沒有太大的意義了。
除此之外，還有好消息，頭一段時間，龍芯中科還表示，下一代的3B6600和3B7000也快來了。其中的3B6600主頻為3.0GHz，同時集成 LG200 核顯。而3B7000主頻更是達到了 3.5GHz，很值得期待。
總之，隨著3A6000的問世，國產自主化CPU也正式進入了一個嶄新的歷史階段，實現徹底擺脫對國外處理器的依賴，已經不再是奢望。
因為處理器的升級迭代以及生態的不斷發展，龍芯表示，龍架構的最終目標是成為與 X86 和 ARM 并列的頂層架構。這讓我想起了鴻蒙操作系統，未來有一天也將成為與安卓、ios甚至是Windows、linux并駕齊驅的頂級操作系統。
