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龙芯公开自主可控LoongArch指令集

集成电路是我国信息产业发展的核心领域,而CPU中央处理器)则是集成电路中的核心元器件。国产CPU的发展一直是众人关注的焦点,如果没有CPU的国产化与自主化,国家信息安全将无从谈起。

但国产CPU的发展一直备受争议,它到底要走自主之路,还是走兼容之路?众所周知,“国产”一词本身就具备一定的争议性,有人说,国产就是指本国生产的东西。以中国为例,印有“中国制造”或“made in China”字样的就叫国产。但实际上,随着经济全球化的深入,国产的概念发生了变化,在手机业和汽车业,国产是指中国自主研发生产制造,或者零部件半数以上国产化的产品。尤其是在半导体芯片等高科技行业,对于“国产”一词的标准也要求更高。

从某种意义上来说,高科技行业的“国产”也可以理解为“自主可控”。拥有自主可控的CPU目前国内的企业可以分为两种,一种是借助国际上成熟的CPU核,比如华为海思,采用基于ARM的CPU核心来做自己的SoC(单芯片系统方案)芯片,这种方式的优势在于可以快速推出系统级芯片方案,但必须获取对方授权,如果再遇到之前美国对华为实施的技术制裁,悲剧难保不会再次上演。另外一类公司是目前真正意义上走自主之路的企业,比如龙芯,就一直基于自主设计的CPU核心架构进行研发并不断更新换代。

CPU自主可控还存在两大“卡脖子”问题

在近日举办的第四届关键信息基础设施自主安全创新论坛上,龙芯中科董事长胡伟武发表了《龙芯指令系统架构LoongArch解析》的演讲,围绕自主信息体系建设,以及指令系统生态发展,进一步解读了龙芯最新发布的龙芯架构LoongArch。

可以说,龙芯推出的LoongArc指令集某种程度中解决了上文提到的国产CPU路线之争,那就是自主与兼容全都要。

(截图源自第四届关键信息基础设施自主安全创新论坛,下同)

在演讲前,胡伟武首先提出了一个关键问题,国产CPU发展速度很快,但自主可控度有待提高,现存的多款CPU,有从源代码开始就自己写自己研发的,还有引进技术的,以及通过合资公司等方式实现,而龙芯在这方面自主性最强,但还不够。

胡伟武还提出,目前CPU自主可控还存在两大“卡脖子”问题,一是指令系统架构受制于人,二是生产工艺受制于人。

胡伟武认为,自主体系建设的三个环节包括:基于自主IP核的芯片设计(CPU设计)、基于自主指令系统的软件生态(CPU应用)、基于自主材料设备的生产工艺(CPU生产)。

关于LoongArch指令集

当然,本次演讲中最受人关注的还是LoongArch指令集的情况,具体来看可以归结出如下特点:

1、LoongArch是全新的指令集,不是在 MIPS 上做的扩展。LoongArch包含基础指令 337 条、虚拟机扩展 10 条、二进制翻译扩展 176 条、128 位向量扩展 1024 条、256 位向量扩展 1018 条,共计 2565 条原生指令;

2、区别于MIPS,摒弃了部分不适合现代CPU的指令,又做了大量改进和扩展。例如单条指令支持的立即数从MIPS的最大16位扩展到最大24位,分支跳转偏移也从64K扩展到1M字节,以及寻址空间从固定分段改变为单一平面等,都有效减少了编译结果的目标指令条数和访存次数,提高了效能;

3、LoongArch保持了RISC指令集的特点,32位定长指令、32个通用寄存器、32个浮点/向量寄存器。MIPS只有3种指令格式,LoongArch重新设计了指令格式 ,使可用的格式多达10种 ,其包含3种无立即数格式和7种有立即数格式。重新设计的指令格式可以包含更多的指令槽,有利于以后的长远发展。LoongArch的指令系统在设计时,以先进性、扩展性、兼容性为目标。这也是胡伟武在演讲中指出的,LoongArch指令集还可以通过二进制翻译的方式兼容MIPS、ARM及x86处理器

不过胡伟武也指出,对于指令集翻译,除了技术问题之外,最大的麻烦还是法律,不过现在也不是大问题了,龙芯找了国内外的知识产权团队作了梳理,哪怕是二进制翻译别的指令集系统,也没有专利权的纠纷。当然,翻译其他指令也面临效率问题,好在LoongArch对MIPS指令的翻译效率是100%,对ARM可以达到90%。最难的当属x86,在Linux下翻译的效率可达80%,Windows下的效率还要减少到70%,不过后续还会有更多的优化。

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