芯片器件中最著名的產(chǎn)物是CPU，國內(nèi)CPU行業(yè)經(jīng)歷步履維艱的發(fā)展，關(guān)注度越來越高，在政務(wù)、通訊、計算等領(lǐng)域經(jīng)常可以看到國產(chǎn)CPU的身影。但通用CPU領(lǐng)域還是國外CPU占據(jù)主導(dǎo)。桌面端有英特爾和AMD，移動端有ARM和高通等企業(yè)，國產(chǎn)CPU想要突出重圍并不容易。

這些年國內(nèi)CPU企業(yè)在不斷發(fā)展的同時也在尋找破局之法，國內(nèi)CPU廠商最常見的發(fā)展模式是購買指令集架構(gòu)授權(quán)，ARM、MIPS甚至X86均有國內(nèi)CPU企業(yè)獲得了授權(quán)。購買指令集架構(gòu)授權(quán)無疑是一種高效的手段，相當于在別人準備好地基的土地上建房子，產(chǎn)品不能稱為完全國產(chǎn)自主。不過授權(quán)終究是授權(quán)，沒有相應(yīng)產(chǎn)權(quán)的保護，依舊可能會受到制約。

01 LoongArch介紹

在2021年4月，龍芯中科率先在國產(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標準完全自主。這表明龍芯中科未來的CPU不再使用MIPS指令集架構(gòu)，從今年推出的3A5000開始都將使用LoongArch架構(gòu)，這無疑是芯片國產(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個區(qū)塊，每個區(qū)塊包含一個核心和一個緩存。

根據(jù)官方的資料，LoongArch依舊屬于RISC陣營，擁有RISC的特點，比如32位定長指令，32個通用寄存器，32個浮點/向量寄存器。但LoongArch也進行了改進，取消了RISC的指令延遲槽，直接跳轉(zhuǎn)指令的目標地址相對PC計算，增加相對轉(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時動態(tài)執(zhí)行指令數(shù)減少10%-20%，也就是運行效率更高，性能也會提升。

LoongArch還深入研究了MIPS、X86、ARM的特性，能對這些主流架構(gòu)進行二進制翻譯，對MIPS可以實現(xiàn)100%的翻譯，能實現(xiàn)跨平臺兼容，龍芯目標是在2025年的時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3A5000封裝，擁有16個核心。

3A5000處理器內(nèi)置了安全模塊，可以對Meltdown(熔斷)和Spectre(幽靈)兩個經(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，也是目前唯一通過國內(nèi)商密二級型號鑒定測試的CPU內(nèi)置模塊。

02?龍芯3A5000整機介紹

龍芯3A5000通用處理器主要應(yīng)用在消費級桌面市場，未來會推出包括臺式機、筆記本、一體機等產(chǎn)品，這次我們拿到了搭載3A5000處理器的臺式整機產(chǎn)品，龍芯3A5000整機在外觀上采用經(jīng)典的商用辦公主機風格，以黑色為主格調(diào)，前面板提供一個常規(guī)開關(guān)按鈕，兩個USB 2.0接口，兩個音頻輸入/輸出接口。

龍芯3A5000整機
?

主板I/O處，提供一個VGA視頻口，一個串行COM接口，4個USB 2.0接口，2個USB 3.2 Gen1 5Gbps接口，一個有線網(wǎng)口。

主板I/O
?

其他配件上，這臺主機使用了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VGA接口，一個HDMI接口。

紫光國芯（UnilC）2*8GB DDR4 3200MHz內(nèi)存
?

AMD Radeon?HD 8750M
?

卸下散熱器，可以看到這次的主角：龍芯3A5000，龍芯3A5000的芯片代號為“KMYC70”，這樣命名是紀念抗美援朝70年，而服務(wù)器3C5000L芯片代號則為“CPC100”以慶祝建黨100周年。

這臺主機中，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Java、JavaScript、.NET均已完成開發(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，不過我們手里這臺龍芯3A5000整機使用的為統(tǒng)信UOS系統(tǒng)，因為優(yōu)化等問題，會與Loongnix及其他系統(tǒng)的龍芯3A5000主機性能有差異。

主機配置

統(tǒng)信UOS系統(tǒng)由多家國內(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，也是未來芯片國產(chǎn)化的生態(tài)關(guān)鍵一步。其官網(wǎng)目前已經(jīng)開放下載，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，實際上國內(nèi)自主開發(fā)的操作系統(tǒng)麒麟Kylin龍芯版也是不錯的選擇。

03?實戰(zhàn)測試：

此次參與測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、國產(chǎn)ARM V8 四核 7nm處理器和國產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器作為對比參考，整機主要的硬件參數(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)計功耗65W。國產(chǎn)ARM V8 四核 7nm處理器主頻可達2.6GHz，單芯片可支持64核。另一款國產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器，兼容64位ARMv8指令集，主頻2.3GHz。

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

基準測試

UnixBench性能測試：

下面我們正式開始測試，首先依然選擇大眾熟悉的UnixBench測試工具。這款軟件是一個類 Unix（Unix，BSD，Linux）系統(tǒng)下的性能測試工具，被廣泛用于測試 Linux 系統(tǒng)主機的性能。可以測試系統(tǒng)調(diào)用、讀寫、進程、圖形化測試等成績，也是一個全方面考驗整機的軟件。

UnixBench單核、多核性能測試
?

從測試結(jié)果可以看到，龍芯3A5000和國產(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。這一點也正符合龍芯先通過設(shè)計優(yōu)化提高單核性能，再利用先進工藝增加核數(shù)的升級策略。

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

SPEC 2006測試：

接下來我們進行SPEC 2006對比測試，SPEC 2006是一個大型的CPU性能測試項目，重點測試系統(tǒng)的處理器，內(nèi)存子系統(tǒng)和編譯器。能夠測試CPU最基礎(chǔ)的定點性能和浮點性能。同樣需要提前說明的是，測試處理器由于核心數(shù)量并不對等，因此我們在多核測試環(huán)節(jié)選擇最多核數(shù)的成績。

SPEC CPU2006 BASE性能測試
?

本次我們將SPEC 2006測試分為單核與多核測試。龍芯3A5000單核定點為25.1分，單核浮點為26分。相比intel i5 9500 六核 14nm這款處理器的確有不小的差距，但單核定點與國產(chǎn)ARM V8 四核 7nm這款處理器不相上下，單核浮點略優(yōu)于國產(chǎn)ARM V8 四核 7nm這款處理器。龍芯3A5000對比國產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器的單核定點則高出近10分，單核浮點則高出近一倍。

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

Stream：

Stream是業(yè)界主流的內(nèi)存帶寬測試程序，測試行為相對簡單可控。 該程序?qū)PU的計算能力要求很小，對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)存帶寬并沒有隨之成線性增長，因此內(nèi)存帶寬對提升多核心的處理能力就越發(fā)重要。

Stream內(nèi)存測試
?

在Stream Copy測試子項性能中，龍芯3A5000的表現(xiàn)相當出色，已超過了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。國產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器和國產(chǎn)ARM V8 四核 7nm處理器分數(shù)相差不大，但Copy的整體表現(xiàn)比龍芯3A5000稍遜一籌。

應(yīng)用測試

實際上，除了處理器的單核與多核的基準性能測試之外，用戶軟件應(yīng)用體驗則可以更直觀反應(yīng)處理器之間的性能差異，下面我們就來實測一下辦公常用WPS、瀏覽器與視頻播放器方面的應(yīng)用體驗。

WPS：

我們將搭載四款處理器的主機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10MB（文本+圖片）、50M（文本+圖片）以及 50M（文本+圖片+視頻）單個大容量文件，重點測試打開文檔速度來衡量處理器的性能，為了盡可能保證測試數(shù)據(jù)樣本的規(guī)律性，每個文檔均打開5次后取平均值。

WPS辦公軟件打開文檔速度對比(時間越短越好)
?

通過實際測試可以看到，10MB（文本+圖片）文檔打開速度中，國產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器用時最短為1.47秒，龍芯3A5000打開速度為1.54秒。50M（文本+圖片）打開速度中，國產(chǎn)ARM V8 四核 7nm處理器用時最長為3.01秒，50M（文本+圖片+視頻）測試中，國產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器則用時最長為4.24秒，intel i5 9500 六核 14nm處理器用時最短為2.23秒。綜合來看，intel i5 9500 六核 14nm處理器的整體表現(xiàn)較好，而龍芯3A5000略好于國產(chǎn)ARM V8 四核 7nm處理器，國產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器小容量文件打開文件速度較好，但是大文檔打開速度上不夠理想。

瀏覽器：

瀏覽器是我們?nèi)粘Ｓ^看網(wǎng)頁信息和視頻的重要應(yīng)用，目前每個網(wǎng)頁基本上都充斥著大量的圖形，對于CPU運行也會打來不小的負荷壓力。下面我們就來測試一下四款處理器在瀏覽器上的性能表現(xiàn)。我們同時打開瀏覽器并加載愛奇藝視頻網(wǎng)站，對比一下打開時間。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行測試。

瀏覽器打開愛奇藝網(wǎng)站速度(時間越短越好)單位：秒
?

由于愛奇藝網(wǎng)站中存在視頻、圖片、CSS、JavaScript等等，因此加載頁面對處理器性能也提出一定的要求。通過測試可以看到intel i5 9500 六核 14nm處理器加載速度表現(xiàn)較好用時1.4秒，龍芯3A5000的1.78秒也很不錯，最長用時的則是國產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器用時2.35秒。

影音播放：

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

影院播放器加載1080P MP4視頻時間(時間越短越好)單位：秒
?

通過實測可以看到，國產(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，最慢的則是國產(chǎn)ARM V8 八核 14nm處理器用時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一步提升，在脫離獨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

長久以來，龍芯中科的目標是讓中國人用上完全自主的CPU處理器，二十年風華歲月，彈指一揮間，LoongArch的出現(xiàn)讓龍芯離這個目標邁進了一大步，這也不僅僅是龍芯的突破，也是中國自主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。盡管作為過渡階段，龍芯的二進制翻譯系統(tǒng)LAT可以實現(xiàn)跨指令平臺應(yīng)用兼容，也能夠運行部分X86/Windows應(yīng)用軟件，但要想實現(xiàn)滿足各種應(yīng)用需求的龐大軟件生態(tài)，仍需要國內(nèi)軟件廠商的群策群力。

生態(tài)涉及的復(fù)雜程度有時候會比單一技術(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，用戶不僅包括消費者，也包括開發(fā)者，沒有開發(fā)者帶來的軟件生態(tài)支持，就不會有大量消費者買單，沒有用戶消費就沒有資金繼續(xù)研發(fā)，所以LoongArch大力推廣生態(tài)是當下最重要的一步。蘋果M1被認為可以威脅到英特爾和Windows，也是因為用戶基數(shù)龐大，加上全球上千萬的iOS開發(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，國內(nèi)CPU生態(tài)還是建立不起來。這里筆者舉個例子，前段時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生命周期內(nèi)總投資或?qū)⒊^1000億美元，即使包括一些國家的政策補貼，英特爾每年在芯片研發(fā)上也有百億美元投入。國內(nèi)CPU整個行業(yè)實際投入都遠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，大多只勉強維持研發(fā)。而且，國外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，一個微小細節(jié)失誤就會讓一條億萬投入的產(chǎn)品線作廢，沒有資本必然玩不轉(zhuǎn)，門檻高，難入行，久而久之活下來的越來越少。

在這樣的環(huán)境下，龍芯能夠推出自主化指令集架構(gòu)LoongArch實屬不易，準確的說像龍芯這樣現(xiàn)在還堅持做國產(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，自主之路無比艱難，龍芯這份勇氣令人贊嘆。現(xiàn)在龍芯已經(jīng)踏出最艱難的第一步，接下來就是生態(tài)體系的建立。目前龍芯中科已經(jīng)建立LoongArch社區(qū)，同時將會組建LoongArch聯(lián)盟，免費開放LoongArch，希望更多的開發(fā)者可以參與其中，讓國產(chǎn)自主CPU走的更遠，期待龍芯中科為我們帶來全新自主的國產(chǎn)CPU生態(tài)領(lǐng)域。

編輯：fqj