真自主！龙芯3A6000深入揭秘：最强大的不是跑分而是它们

2023-11-30 09:56

快科技

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2023年11月28日，北京国家会议中心，主题为“到中流击水”的龙芯产品发布暨用户大会盛大上演。

在4000多位合作伙伴、权威媒体、专家学者、主管部门领导的见证下，新一代通用处理器龙芯3A6000、打印机主控芯片龙芯2P0500重磅发布，众多围绕龙芯3A6000的整机产品登场亮相，龙芯处理器核IP、龙芯自主指令系统架构授权计划公布。

多年后如果回望半导体国产化之路，这无疑是一个关键的时刻。

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一、龙芯3A6000：硬件性能飞跃、终于基本完成

龙芯中科董事长胡伟武发表主题演讲《将自主进行到底》，而大会主题“到中流击水”，代表龙芯走到了一个关键的时刻，正在经历第二次转型，从政策性市场为主转向开放性市场为主。

龙芯3A6000处理器由龙芯中科基于自主的LoongArch龙架构指令集，完全自主设计，有着优异的性能表现，堪称我国自主桌面处理器设计的又一个里程碑。

龙芯3A6000龙芯第四代微架构LA64的首款产品，采用自主成熟工艺制造，4个物理核心，支持同时多线程技术(SMT2)，因此有8个逻辑核心，主频为2.5GHz。

内存还是双通道DDR4-3200，而在安全方面集成可信模块，支持安全启动方案和SM2、SM3、SM4国密算法。

龙芯微架构已经演进了四代，第一代GS464曾用于龙芯3A1000、龙芯3B1500，第二代GS464E曾用于龙芯3A2000、龙芯3A3000，第三代GS464V/LA464曾用于龙芯3A4000、龙芯3A5000。

可以看到，每代微架构都对应两代产品，整体采用架构、工艺交替升级的策略，十分类似Intel当年的Tick-Tock策略。

第四代微架构LA664全面提升了各项指标，尤其是首次将4发射提升到6发射，同时在ROB、定点/向量物理寄存器、发射队列、功能部件、载入/存储队列等各项指标上，都实现了50％到100％的提升，幅度相当之大。

这一代架构上，龙芯终于突破了同时多线程技术，追上了Intel、AMD，而且从官方数据还是实测看效率也是相当高的。

性能方面大家见过不少数据了。根据中国电子技术标准化研究院赛西实验室的测试结果，龙芯3A6000 SPEC CPU 2006、SPEC CPU 2017、Stream、Unixbench各项测试的成绩都非常突出，无论单核性能还是多核性能，无论整数性能还是浮点性能，都实现了大幅度的跨越，甚至远远超过Intel、AMD几代产品的提升。

综合相关测试结果，龙芯3A6000处理器总体性能与Intel 2020年上市的第10代酷睿i3-10100四核处理器基本相当。

要知道，现在很多用户还是八九代酷睿的配置。

胡伟武强调，经过多年的“补课”，龙芯3A6000终于基本完成了这一任务，与当今主流处理器的差距已经基本全部补齐。

要知道，2002年的龙芯一号，和当时主流的奔腾4差距有20多倍。

2021年的龙芯3A5000已经将这一差距缩小到不到1倍，相当于第三代酷睿i3四核心，而仅仅两年后，我们就几乎完全追了上来！

龙芯3A6000还只是全新微架构的第一站，未来一两年我们还将看到面向服务器的龙芯3C6000、龙芯3D6000、龙芯3E6000，分别支持16核心32线程、32核心64线程、64核心128线程，大大缩小和世界领先产品的差距，无论单核性能还是多核性能。

针对移动终端，下一步将是龙芯2K3000，微架构有所不同采用LA364，当然也是自主的LoongArch龙架构指令集，最多8核心8线程。

龙芯3C6000目前已经完成设计，单芯片放入16个核心，内存支持四通道DDR4-3200，扩展连接支持64条PCIe 4.0，实现成倍乃至数量级的提升。

虽然和世界最先进的十二通道DDR5、128条PCIe 5.0还有一代的差距，但也并非不可逾越的鸿沟。

再通过龙链技术(Loongson Coherent Link)，将两颗、四颗龙芯3C6000整合在一起，就可以得到龙芯3D6000、龙芯3E6000。

这是一项支撑Chiplet晶粒设计的关键技术，可以对标Intel CXL、NVIDIA NVLink、AMD Infinity Fabric等先进互连技术，相比于传统PCIe总线可以大大提高效率、降低延迟。

同时，龙链技术支持高速缓存一致性协议传输，可以保证CPU与GPU、CPU与GPGPU、GPGPU与GPGPU之间高速、稳定互相连接，完全扩展开来。

最关键的是，这一切都基于龙芯全自研的物理接口，无论标准性、性能和效率，还是扩展性、升级性都可以自主掌握。

针对笔记本、云终端的新一代龙芯2K3000，目前已经完成前端设计，后续还有不少工作要做，包括内核、后端、外围等等。

它最多可以做到8核心，单核性能可媲美上代桌面级的龙芯3A6000，集成自研密码模块，支持PCIe 4.0、SATA 3、USB 3、HDMI等丰富的扩展和输入输出。

很关键的一点，它会集成新一代自研的LG200 GPGPU核心，不但能用来做图形渲染，还能做到计算加速、AI加速，是一个统一高效的新架构。

作为龙芯自研的第二代图形核心，LG200已经突破了GPGPU的关键技术，图形渲染支持OpenGL 4.0，通用计算支持OpenCL 3.0，AI加速支持INT8整数张量加速。

它还支持多节点互连，结合龙链技术，未来会有同样架构的专用独立GPGPU芯片！

在路线图上，服务器级的龙芯3D7000、龙芯3E7000，桌面级的龙芯3B6000、龙心3B7000也都安排上了，它们都会是LA664微架构的升级版本。

二、龙芯3A6000：软件生态成型第三大体系屹立

有了硬件，更需要系统软件生态跟上，目前龙架构已经初具规模。

在国内，众多操作系统、基础应用软件都已经有了龙架构版本，满足基本的办公、娱乐需求已经毫无障碍。

在国外，龙架构得到了几乎所有开源社区、开源软件的快速支持，包括Linux系统内核、GCC/LLVM两大支柱性编译器、Rust/Golang/Pascal等传统与新兴编程语言、Nodejs/.net等主流应用开发框架等等，基于这些开源支持甚至已经可以打造出一套完整的龙芯开源系统。

现在，龙架构也有了自己的开源生态编号258，真正与x86、Arm、RISC-V处于等同的地位，可以说是得到了“官方认证”。

更可喜的是，一些国外基础软件也开始关注龙架构并予以支持，这是非常不容易的。

面对规模最为庞大的x86应用生态，龙芯并没有一味等待应用适配自己，也采取了二进制转译执行的策略，通过将x86指令翻译为龙架构指令、将Windows接口翻译为Linux接口函数，使之可以直接运行。

当然，这么做代价是很大的，会明显影响执行效率和性能(官方称最高可达80％)，但至少能跑起来，能有的用。

目前，龙芯已经可以运行大量的x86/Windows应用，在办公、娱乐方面可以保证流畅的体验，甚至可以在龙芯服务器上执行EDA芯片设计，从而用龙芯设计龙芯。

面向未来，龙芯希望用一两年的时间，让绝大多数x86/Windows应用都可以跑在龙芯上，可以满足商用需求。

下一代龙芯处理器也会进一步完善二进制翻译，比如支持x87 80位浮点指令。

当然，龙芯自己也设计了大量第一方软件，满足特定需求，尤其是龙芯浏览器，可以最大程度上满足我国信息系统基于IE浏览器环境的兼容适配问题。

当然，这并非长久之计，更合理和长远的做法还是让网银等“老顽固”跟上时代，2023年了还抱着ActiveX不放实在说不过去。

经过20多年的不断摸索和努力，龙芯在硬件、软甲上已经基本完成了“补课”的过程，性能达到市场主流水平，软件生态基本建成，形成了独立于x86、Arm之外的第三体系。

虽然这个体系还是比较薄弱的，各方面差距都很大，但是从0到1的阶段性跨越已经完成，最艰难的步骤已经基本完成，接下来就是一点一点继续完善。

三、龙芯开放授权：从CPU核到指令集永久免费

从硬IP到软IP，龙芯CPU的所有主要IP，都是自主研发的，可以牢牢掌握在自己手中。

但这并不意味着，龙芯的IP只为自己所用，正在开始走向开放，首先是CPU核的开放授权，然后还会开放龙架构指令集。

首批开放授权的龙芯CPU IP核有三种，分别是面向MCU微控制器的LA132、面向嵌入式的LA264、面向嵌入式和终端的LA364，它们的性能可分别对标Cortex-M4、Cortex-A55、Cortex-A75，后两者也是前两年智能手机移动平台的主流。

至于面向桌面和服务器领域的比较新的LA464、LA664，暂时不会开放。

以上都是基于LoongArch龙架构指令集的IP核，注意命名方式：LA代表LoongArch龙架构，第一位数字代表流水线发射数，后两位数字代表32/64位架构。

LA132是单发射顺序流水线设计，也是唯一的32位指令集。

对比Cortex-M4，它的流水线更长一些，可选支持浮点运算与指令、数据缓存，性能略微领先。

LA264是双发射10级乱序流水线，可选支持128位SIMD，可配置单/双/四核心，每个核心都有自己的一级数据和指令缓存，多核心共享二级缓存，可以直接交付多核簇，加快开发。

28nm工艺下，它的单个核心典型面积只有区区1.1平方毫米，就这还包含32KB一级数据缓存、32KB一级指令缓存，而典型评论可达1.3GHz。

LA364可以看作是LA264的增强版，三发射11级乱序流水线，标配128位SIMD。

28nm工艺下典型面积仅为3.86平方毫米(包括64KB一级指令缓存、64KB一级数据缓存)，典型频率可达1.5GHz，性能在同类产品中属于一流水平。

以上这些CPU IP核，还都会持续迭代优化，包括提升流水线调度与执行效率、针对特定领域的应用提供定制加速、与自主工艺的深入磨合(你懂的)。

龙架构指令集现在应有2000多条指令，正考虑开放授权，正在起草相应的技术规范协议。

只要签署同意这个规范协议，就可以永久免费使用龙架构指令，而且可以自行增加符合规范的指令，既扩展性能、能力，也保证兼容性。

在发布会现场，首批10家企业与龙芯中科签订了CPU核IP授权协议，包括：

苏州雄立科技有限公司、大唐可再生能源试验研究院有限公司、得一微电子股份有限公司、山东领能电子科技有限公司、三峡智控科技有限公司、国家超级计算无锡中心、北京得瑞领新科技有限公司、北京科技大学工业互联网研究院、西安微电子技术研究所、北方自动控制技术研究所。

其中，苏州雄立科技集成龙芯CPU IP的网络交换芯片XL63系列已经研制成功，并批量交付市场，相关系统解决方案接近20款。

XL63系列是雄立科技自主研发的低功耗、高集成度、高安全的三层千兆网络交换芯片，集成多个龙架构CPU IP核心，可提供充足的运算能力。

它支持28Gbps交换带宽；集成最多24端口千兆PHY，并支持QSGM II和SGM II模式，具有二层、三层交换功能，支持NAT/NAPT，支持SYNC-E和IEEE1588V2，可满足企业和工业以太网接入业务需求。

四、龙芯整机：日益壮大的“朋友圈”

大会现场还举行了基于龙芯3A6000处理器的整机产品发布仪式，合作伙伴达到了50多家。

其中，可以看到一些我们耳熟能详的品牌和产品，比如同方计算机、联想开天、攀升、海尔雷神、方正数码、上海华硕。

也有一些你可能不太熟悉、但同样是行业大牌：航天七〇六、超越科技、升腾资讯、国光信息、北方自控、视睿、宝德网安、百信、黄河信产、大众电子、西计、北联国芯、航天龙梦、卓怡恒通、云涌科技、上海六联、智微智能、高能计算机、腾凌科技、百代存储、天安星控、派若乐、龙迈科技、众达、盛博科技、昆山嘉提、江苏嘉擎、集和诚、迅为电子、驭芯科技、深中微、航普电子、华龙讯达、道莅智远、吉斯凯达、配天技术、智流形机器人、松科智能、电科网安、高鸿信安、天融信、铵泰克、宽域、木链科技、全讯汇聚、长焜科技。

他们不但带来了台式机、笔记本，还有各种各样的服务器、工作站、特种计算机、工控计算机、工控器、网络安全设备、主板、存储产品、网关/管控/组态一体机、防火墙、密码机、机器人控制器、等等。

正是他们的众星捧月，才让龙芯还有了大展拳脚的空间。

一定程度上可以说，正是这一份长长的名单，才真正体现了龙芯的强大之处。

其中，华硕的到来让人意外有惊喜，全球第一大主板厂商带来了第一款龙芯主板：XC-LS3A6M。

该主板集成龙芯3A6000处理器、龙芯7A2000芯片组，DrMOS聚合式供电，提供两条DDR4内存插槽、一条PCIe x16(物理带宽x8)/一条PCIe x8、一条PCIe x4扩展插槽、四个SATA接口、两个M.2接口、双千兆以太网、VGA/HDMI输出接口、前后多个USB接口。

它还贴心提供了多重硬件防护、物理网络开关、DEBUG指示灯等等，还有可以确保持久耐用的五重保护、多项严苛测试。

作为最会玩的主板品牌，华硕还对龙芯3A6000进行了各种超频，BIOS里自带的狂暴模式可以将频率超到2637.5MHz(核心电压1.25V)，超频幅度5.5％，可以带来2.2％的浮点性能提升、3.3％的整数性能提升。

华硕甚至尝试了液氮超频，-196.5℃低温下达到了3GHz，没有出现Cold Bug，可以稳定运行甚至进行压力测试。

而且，这只是目前BIOS的限制，并不是龙芯的限制。

五、龙芯2P0500：打印机也要自主

在国产化办公场景中，打印机、扫描仪、复印机等一直是个老大难问题，硬件上无法自主可控，软件上也和国产协同格格不入。

龙芯2P0500是一款适用于单/多功能打印机的主控SoC芯片，是打印/扫描整机中的核心控制部件。

它主要用于打印数据接收、解析和处理，打印引擎控制，扫描时序控制，扫描数据，图像处理，马达控制等工作，单芯片即可满足打印、扫描、复印等多种典型应用需求。

它采用异构大小核结构，包括一个龙芯LA364核心、两个龙芯LA132核心，三个核心共享512KB二级缓存，同时集成DDR3内存、GMAC、OTG等多种功能模块。

龙芯中科基于龙芯2P0500推出了打印机、扫描仪、复印机等多种解决方案，并与国内多个主流打印机整机厂家合作，完成打印、扫描、复印等多种应用适配。

大会现场，12家打印机厂商与龙芯中科签订了协议，将共建国产打印机新生态。

它们包括：长城信息股份有限公司、中船汉光科技股份有限公司、上海汉图科技有限公司、西安电子科技大学、恒科科技产业有限公司、宁波华高信息科技有限公司、云南南天电子信息产业股份有限公司、北京辰光融信技术有限公司、北京高德品创科技有限公司、天津光电通信技术有限公司、浙江沧田智能信息科技有限公司、大连中盈科技股份有限公司。