國產處理器性能再提升,挑戰AMD英特爾?

語言: CN / TW / HK

國內的半導體技術到底是什麼水平?

四五年前,如果你在問答平台上面發起這樣一個問題,可能並不會得到多少回覆。當時的我們已經習慣了國外的半導體。英特爾/AMD的處理器、Nvidia/AMD的顯卡,對當時的我們來説就是理所當然存在着的事物。除了部分特定領域的投資者外,甚至不會有多少人關心國產半導體的發展情況。

然而近些年來,隨着中興、華為事件的發酵,國人深刻地感受到了所謂“缺芯之痛”,這也讓國人對於國產半導體的關注也來到了一個頂峯。只可惜時至今日,全球芯片格局仍被歐美日韓牢牢把控着。至於龍芯和一眾民族芯片企業,只能使出渾身解數,在夾縫中尋找一絲微弱的光亮。

近日,國產知名芯片製造廠商——龍芯中科公司在互動平台回答投資者關於龍芯3A6000研發進度的提問時表示,下一代處理器產品龍芯3A6000目前研發進展順利,已經完成前端設計及仿真驗證,仿真結果表明其單核性能可以達到市場主流產品水平。

(圖源:龍芯)

作為國產芯片自研隊伍中重要的參與者,龍芯以其自研的LoongArch指令集架構而著稱,是不少國內開發者比較看重的有生力量。那麼問題來了,全新的龍芯3A6000到底有怎樣的性能提升呢?龍芯中科堅持自研指令集會有哪些優勢,又會帶來哪些問題?

超越Zen 3的“龍”?

在開始前,我們先來稍微介紹一些龍芯中科這家公司。正如公司後綴所展示的那樣,龍芯處理器最早是在2001年由中科院計算所研製的一款芯片,而龍芯中科則是在2008年由中科院和北京市政府共同牽頭出資成立的芯片公司,旨在將“龍芯”處理器的研發成果商業化。

去年4月,龍芯宣佈放棄了一直以來採用的MIPS指令集,轉而推出了自研指令集架構Loongson Architecture,簡稱龍芯架構或LoongArch。LoongArch的出現,打破了國內芯片還在使用ARM授權/老舊X86指令集的現狀,為我國系統架構的發展開啟了新的紀元,而龍芯3A6000就是採用這款架構的最新產品。

(圖源:龍芯)

根據目前爆料顯示,龍芯3A6000將會採用和龍芯3C5000服務器相同的12nm工藝,但會大幅改進架構設計,將CPU架構會從目前的GS464V升級到LA664,以此提升單核運行頻率和性能表現,同時可能會上SMT(龍芯超線程技術),這樣就能達到最高4核心8線程的規格。

(圖源:龍芯,可見頻率>2.5GHz、採用四個LA664核心)

那麼性能方面呢?龍芯基於新架構和工藝做的仿真測試結果顯示:龍芯3A6000處理器的單核SPEC CPU 2006定點/浮點base分值從26/28分提高到35/45分,分別提升37%及68%。

(圖源:龍芯)

所謂SPEC CPU性能測試,本質是針對CPU定點運算/浮點運算進行的一系列測試,其中絕大多數測試項都屬於科研用途的科學計算,和一般用途完全不搭邊,但還是能在一定程度上反映CPU的性能表現。如圖所示,龍芯3A6000的定點算力和開啟睿頻的桌面端i5-6400非常接近,但是距離最新的移動端CPU仍有一定距離。

(圖源:龍芯吧@gueenet

此外,還有業內人士分析稱,龍芯3A6000處理器的IPC將達到AMD Zen3或11代酷睿的水平。所謂IPC,指的是CPU每一時鐘週期內執行的指令數,這個數據和處理器頻率(時鐘速度)共同決定了CPU性能。換言之,在相同處理器頻率的情況下,IPC越高處理器性能就越高。

那麼問題來了,如果是3A6000的IPC真的能夠與Zen3媲美,那是否説明3A6000在性能上就能夠媲美Zen3處理器呢?答案顯然是否定的,正如上文所述,IPC性能是一個重要的指標,但是CPU主頻一樣重要,只要其中一項數據無法並駕齊驅,那麼真實性能就不可能相等。

舉個例子,目前AMD的Zen3處理器目前最低端的入門型號為Ryzen3 5400U,四核八線程,基準主頻為2.6GHz,最大加速時鐘頻率為4.0GHz。作為對比,目前龍芯主頻最高的在售處理器——龍芯3A5000的主頻為2.3GHz-2.5GHz,而龍芯3A6000的主頻據傳為2.5GHz-2.8GHz,製程工藝的落後導致了主頻的巨大差距,而主頻的巨大差距意味着即使兩者的IPC性能相當,3A6000的最高性能也遠不如Ryzen3 5400U的正常最低性能。

想要超越Zen3的性能表現,對目前的國產處理器來説多少有些好高騖遠了。

堅持自研,並不容易

最近兩年,國產CPU火了。

根據市場調查顯示,在2020年至2022年,有多家CPU創業公司成立,並獲得多輪高額融資,其中包含了主打Arm架構服務器CPU的遇賢微、基於Arm架構研發PC領域CPU的此芯科技,以及集聚來自英特爾、華為鯤鵬和阿里平頭哥等多家芯片廠商老將的鴻鈞微。個個都在摩拳擦掌,期待能夠大幹一場。

在這之中,龍芯中科無疑是被市場尤其看好的一家廠商。今年6月24日,在經歷近一年的IPO審核後,龍芯中科在科創板掛牌上市,成為了“國產CPU第一股”。首次發行共計4100萬股,發行價為60.06元,首日漲幅接近50%,這也使其市值一度超過400億元。

(圖源:龍芯)

讓龍芯中科備受關注的要點,除了切實推向市場的消費級產品外,最重要的還是其堅持自研的決心。然而自研的龍芯架構,在讓龍芯擺脱MIPS/ARM/X86等通用架構掣肘的同時,也把龍芯悄然拖進了一個急需和產業鏈對接、建立與之相匹配生態系統的困局中。

無論有多少爭議,目前市面上最多消費者使用的操作系統都是Windows系統,這是一件不容置疑的事實。憑藉着強大的X86軟件生態和性能強勁的X86處理器,微軟和英特爾組成的Wintel聯盟在消費級市場上可謂是無往不利,在全球通用CPU市場牢牢霸佔着八成市場。

(圖源:Wintel)

作為對比,龍芯此前使用的是MIPS指令集,只能安裝linux系統,無法安裝windows,因此很難打開C端消費市場。隨着自主LoongArch指令集的出現,現在就連,使用linux系統也要重新進行調整,除了國產統信UOS及時適配外,很多linux軟件都無法直接安裝,需要再度優化和適配。

為了解決這個問題,龍芯不但在努力進行各種主流軟件的適配工作,而且還在積極推動二進制翻譯系統的開發,希望通過類似Rosetta 2的轉譯功能,將X86、ARM指令集轉譯成龍芯能夠識別讀懂的指令集。可是轉譯必然會帶來性能上的損失,再考慮到兼容性問題,和強大的Wintel聯盟相比,龍芯生態的軟件仍然十分貧乏。

總結一下,自研芯片並不是件容易的事情,而打造自研的指令集、核心IP顯然更加困難。就龍芯處理器而言,固然它存在着很多問題,性能上和英特爾AMD相距甚遠,應用生態的豐富程度更是有着天壤之別,但是龍芯確實在自研、商業化上走出了自己的道路,在殘酷的市場上努力生存着。我們只能寄希望於統信、清華同方等企業加把勁,攜手把系統和軟件生態搞好,讓國產處理器和周邊應用生態變得真正可用、甚至好用起來。