眾所周知,在PC及服務(wù)器CPU市場,一直都是X86架構(gòu)的天下,市場也主要是被英特爾和AMD所占據(jù)。近年來,在國家的重視和支持之下,國產(chǎn)CPU也迎來了快速的發(fā)展。華為、飛騰、海光、兆芯、龍芯和申威則是目前國內(nèi)為數(shù)不多的國產(chǎn)CPU廠商。
但是,不論是出于自主可控、商業(yè)化還是生態(tài)建設(shè)方面的考慮,華為、飛騰、海光、兆芯、龍芯和申威一開始都是選擇的是利用原有的各種成熟的CPU指令集架構(gòu)。
比如,華為、飛騰的CPU主要是基于Arm公司的ARMv8指令集架構(gòu)授權(quán),海光則是以合資公司的形式從AMD獲得了X86指令集授權(quán),兆芯也同樣是以合資公司的形式從威盛獲得了X86指令集授權(quán),龍芯最初是基于MIPS指令,申威則是基于ALPHA指令集。選擇已有的開源的或者可開放授權(quán)的CPU指令集架構(gòu),則意味著無需從頭做起,在可以滿足一定的國產(chǎn)自主可控要求的基礎(chǔ)上,可以利用已有的軟硬件生態(tài),快速得以發(fā)展。
不過,近年來由于美國方面對(duì)于國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)的持續(xù)打壓,華為、飛騰、海光、申威等國產(chǎn)CPU廠商均被美國商務(wù)部列入了實(shí)體清單。此外,龍芯選擇的MIPS指令集也被其擁有者Wave Computing所拋棄(Wave Computing已轉(zhuǎn)投RISC-V陣營)。雖然這些國產(chǎn)CPU廠商仍可以利用第三方的CPU指令集架構(gòu)進(jìn)行發(fā)展,但是仍引起了國內(nèi)不少業(yè)內(nèi)人士對(duì)于中國沒有完全自主的CPU指令集的擔(dān)憂。
4月15日,龍芯通過官方微信宣布,龍芯自主指令系統(tǒng)架構(gòu)(Loongson Architecture,以下簡稱龍芯架構(gòu)或LoongArch)的基礎(chǔ)架構(gòu)已通過了國內(nèi)第三方知名知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)估機(jī)構(gòu)的評(píng)估,并在2021年信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新論壇主論壇上正式對(duì)外發(fā)布。
據(jù)介紹,2020年,龍芯中科基于二十年的CPU研制和生態(tài)建設(shè)積累推出了龍芯架構(gòu)(LoongArch),包括基礎(chǔ)架構(gòu)部分和向量指令、虛擬化、二進(jìn)制翻譯等擴(kuò)展部分,近2000條指令。更為關(guān)鍵的是,全新的龍芯架構(gòu)已不再包含MIPS指令系統(tǒng)。
龍芯表示,LoongArch架構(gòu)具有完全自主、技術(shù)先進(jìn)、兼容生態(tài)三方面特點(diǎn)。
在具體的架構(gòu)設(shè)計(jì)上,LoongArch從整個(gè)架構(gòu)的頂層規(guī)劃,到各部分的功能定義,再到細(xì)節(jié)上每條指令的編碼、名稱、含義,在架構(gòu)上進(jìn)行自主重新設(shè)計(jì),具有充分的自主性。
在性能方面,得益于摒棄了傳統(tǒng)指令系統(tǒng)中已不合時(shí)宜的陳舊內(nèi)容,以及對(duì)于指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展,與原有兼容指令系統(tǒng)相比,LoongArch不僅在硬件方面更易于高性能低功耗設(shè)計(jì),而且在軟件方面更易于編譯優(yōu)化和操作系統(tǒng)、虛擬機(jī)的開發(fā)。
在兼容性方面,LoongArch融合了各國際主流指令系統(tǒng)的主要功能特性,同時(shí)依托龍芯團(tuán)隊(duì)在二進(jìn)制翻譯方面十余年的技術(shù)積累創(chuàng)新,不僅能夠確?,F(xiàn)有龍芯電腦上應(yīng)用二進(jìn)制的無損遷移,而且能夠?qū)崿F(xiàn)多種國際主流指令系統(tǒng)的高效二進(jìn)制翻譯。也就是說,LoongArch可以兼容多種國際主流的指令系統(tǒng)。
為了避免外界對(duì)于LoongArch與其他國際主流的指令系統(tǒng)是否存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)的擔(dān)憂,龍芯從2020年二季度開始,已經(jīng)委托國內(nèi)第三方知名知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)估機(jī)構(gòu)對(duì)龍芯基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行深入細(xì)致的知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)估。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(tǒng)有關(guān)資料和幾萬件專利進(jìn)行深入對(duì)比分析后得出結(jié)論:
1、LoongArch在指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)、指令格式、指令編碼、尋址模式等方面進(jìn)行了自主設(shè)計(jì)。
2、LoongArch指令系統(tǒng)手冊(cè)在章節(jié)結(jié)構(gòu)、指令說明結(jié)構(gòu)和指令內(nèi)容表達(dá)方面與上述國際上主要指令系統(tǒng)存在明顯區(qū)別。
3、未發(fā)現(xiàn)LoongArch基礎(chǔ)架構(gòu)對(duì)上述國際主要指令系統(tǒng)中國專利的侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)。
也就是說,龍芯的LoongArch指令集在實(shí)現(xiàn)兼容多種國際主流的指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),做到了完全的自主可控。
龍芯表示,Loongson Architecture對(duì)中國集成電路產(chǎn)業(yè)而言是一個(gè)歷史性突破。
據(jù)龍芯透露,龍芯中科從2020年起新研的CPU均支持LoongArch架構(gòu)。目前,支持龍芯架構(gòu)的龍芯3A5000處理器芯片已經(jīng)流片成功,基于新架構(gòu)的完整操作系統(tǒng)已經(jīng)在3A5000計(jì)算機(jī)上穩(wěn)定運(yùn)行。從其它主流指令系統(tǒng)到LoongArch的二進(jìn)制翻譯系統(tǒng)已經(jīng)可以在3A5000計(jì)算機(jī)上演示運(yùn)行基于其它主流指令系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用程序。
另外,龍芯中科已經(jīng)在一定范圍內(nèi)發(fā)布LoongArch的基礎(chǔ)架構(gòu)指令系統(tǒng)手冊(cè)。待完成包括境外專利分析在內(nèi)的進(jìn)一步知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)估后,龍芯中科將在更大范圍內(nèi)發(fā)布更完整的LoongArch指令系統(tǒng)手冊(cè)。龍芯中科還將聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈伙伴在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間建立開放指令系統(tǒng)聯(lián)盟,在聯(lián)盟成員內(nèi)免費(fèi)共享LoongArch及有關(guān)龍芯IP核。
龍芯表示:“指令系統(tǒng)是軟件生態(tài)的起點(diǎn),只有從指令系統(tǒng)的根源上實(shí)現(xiàn)自主,才能打破軟件生態(tài)發(fā)展受制于人的鎖鏈。龍芯自主指令系統(tǒng)的推出,是龍芯中科長期堅(jiān)持自主研發(fā)理念的重要成果體現(xiàn),是在完成CPU性能補(bǔ)課、全面轉(zhuǎn)向生態(tài)建設(shè)歷史關(guān)頭的重大技術(shù)跨越,標(biāo)志著龍芯中科在自主信息技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)方面從跟隨性發(fā)展的必然王國走向了自主發(fā)展的自由王國?!?/p>