国产CPU新里程碑！龙芯3号新一代发布，性能追赶AMD
12月24日，龙芯中科发布龙芯4000系列CPU芯片，分别为3A4000和3B4000。性能方面，3A4000/3B4000采用28nm FDSOI工艺，微架构为GS464V核心，通用处理性能提升一倍以上，这将成为我国自主CPU发展史上又一新的里程碑。
据悉，龙芯4000系列进一步完善对虚拟机的支持，效率达到95%以上。在相同主频下，龙芯4000系列比3A3000的流水线效率提高50%，主频提升至1.8GHz-2.0GHz。
龙芯中科总裁、中科院计算技术研究所总工程师、龙芯CPU首席科学家胡伟武博士介绍，龙芯4000系列是首次全面集成可信模块、国内密码算法、访问控制等安全机制的CPU芯片。
也就是说，龙芯4000系列处理器除了性能大幅提升之外，还拥有片内安全机制和高效云化的特点。
据介绍，龙芯在2019年的芯片出货量已超50万颗。未来，龙芯中科将着重提升CPU主频与核数，3A5000和3C5000两款芯片将分别计划在2020年上半年和下半年流片。
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我国自主CPU发展的里程碑
龙芯中科是国产自主高性能通用处理器技术领先者和产品提供商，搭载龙芯中科CPU的计算机已进入政府采购目录。
龙芯脱胎于中国科学院计算所，曾研发出我国首枚拥有自主知识产权的通用高性能微处理芯片。
CPU芯片长期被英特尔等国外巨头所垄断，龙芯先推出的龙芯1号、龙芯2号，打破了中国缺自主研发CPU芯片的历史，是中国形成自主知识产权计算机产业道路上的一座里程碑。
从2001年至今，龙芯研发了龙芯1号、龙芯2号、龙芯3号三个系列处理器和龙芯桥片系列。
龙芯1号系列为32位低功耗、低成本处理器，主要面向低端嵌入式和专用应用领域；龙芯2号系列为64位低功耗单核或双核列处理器，主要面向工控和终端等领域；龙芯3号系列为64位多核系列处理器, 主要面向桌面和服务器等领域。
今天发布的龙芯3A4000是龙芯3号系列处理器的最新产品，距上一代龙芯3A3000发布已相隔两年。
2017年时，龙芯年营收达1.5亿元，利润2000多万元，2018年营收和利润均比2017年翻番，利润达到历史最高水平，交的税款已超过国家给龙芯各类补助的总和。
胡伟武表示，今年上半年龙芯收入已超过去年全年，利润是去年全年的1.3倍左右，预计到2021年，龙芯交给国家的税将超过之前所有的研发投入。
02
采用GS464v架构，实现三大特点
龙芯3A4000是龙芯第三代高性能处理器核，采用新一代处理器架构GS464V，拥有双DDR4-2400/2133内存通道，双HT3.0系统总线，效率提升一倍。
性能方面，其主频为1.8GHz，睿频2.0GHz，采用37.5mm*37.5mm封装工艺，典型功耗为30-40W。
据胡伟武介绍，龙芯3A4000主要有三方面特点：
1、相同工艺性能成倍提高
龙芯3A4000采用28nm工艺，进一步通过设计优化提升处理器性能，反映传统桌面性能的SPEC INT2000的单核base分值，从930分提高到了2090分。
此外，它的科学计算性能与3A3000相比，提升了4倍以上，支持128/256位向量。而3B4000支持四路直连，与3B3000双路服务器相比，四路服务器性能亦提升了4倍。
与此同时，龙芯3A4000的虚拟机效率大幅度提高，从原先的88%提升至98%。胡伟武称，其单核性能已高于用14nm实现的Arm处理器。
2、片内安全机制
龙芯3A4000支持AES、MD5、SHA等加解密算法，片内集成安全可信模块，支持国密算法。
此外，它支持操作系统内核栈防护机制，支持IO防护、安全执行环境等访问控制，其高性能密码算法服务能力支持商密及以上算法。
3、自主研发
龙芯3A4000的所有模块源代码和各类全定制模块均为自主研发，除了厂家提供的标准单元库和内存编译器（Memory Compiler）外，没有任何第三方IP。
除此之外，龙芯3A4000在功耗管理和封装方面也有了进一步提升。
一方面，它第五个核（GS132E）监控主核运行，并进行动态功耗管理。例如，搭载龙芯3A4000的笔记本电脑工作时长比3A3000相比，提高了一倍以上；
另一方面，龙芯3A4000的封装尺寸比3A3000更小，支持普通BGA、LGA和CBGA多种封装形式，同时其桌面主板可支持四层布线。
值得一提的是，龙芯4000系列用于片间互连及连接桥片的HT控制器带宽提高了一倍以上，内存控制器从DDR3升级至DDR4，SPEC CPU2006定点和浮点单核分值提高到20分。
但胡伟武也指出，龙芯4000系列处理器依然存在两大问题。
一是DDR4内存频率不够高。DDR4规定的速率范围是1600至3200，而龙芯4000系列最高DDR4工作速率为2400/2133，与规定范围还存在一定差距。
二是功耗偏大。其非向量模式的典型功耗为30至40W，主要在于工艺不够先进，设计优化比较极致，建议科学计算环境下使用256位浮点向量时，适当降低电压和频率。
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未来重点突破主频与核数
胡伟武谈到，龙芯的下一步将会把研发重点放在提高主频与核数上。
一方面，龙芯3A5000将提高主频至2.5GHz，采用12nm工艺，单核性能将提高至30分左右，计划于2020年上半年流片。
同时，其内存控制器延迟/宽带进一步优化，LLC增加一倍，实现操作系统级二进制兼容。
另一方面，龙芯3C5000将增加核数，同样采用12nm工艺，支持4至16路服务器，计划将于2020年下半年流片。
在胡伟武看来，目前国内CPU企业发展核心技术主要有两个途径，一是市场换技术，如汽车产业；二是市场带技术，如航天产业，而龙芯中科走的则是第二条路。
龙芯中科通过体制内市场引导，带动技术进步后，再进一步参与体制外的市场竞争。同时，龙芯CPU自主编写CPU源代码，在应用中不断演进，并注重自主CPU的自主生态建设，以逐步提高产品性能和完善生态。
虽然，龙芯发展至今已经为我国半导体产业的崛起提供了不可或缺的力量。但胡伟武认为，我国自主CPU与国外先进水平相比，在通用处理能力、单核性能和设计能力三大方面还存在较大差距。
“龙芯需要练好内功，通过设计优化提高单核通用处理性能。”胡伟武说到，3A4000和3B4000已基本填补单核通用处理性能的缺陷，性能提高2至3倍（约20-30分），达到AMD的水平。
而目前，市场主流CPU使用GCC编译的单核分值为20至40分。
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龙芯操作系统支持软件生态建设
胡伟武谈到，龙芯的操作系统目前具有两种商业和技术模式。
面向专门企业，龙芯提供桌面和Windows服务器系统；面向设备企业，龙芯则基于基础版开源OS维护，支持OS、整机和应用企业。
实际上，龙芯已面向三大不同的平台开发相应的操作系统：
1、面向通用信息化系统的Loongnix。该系统基于通用Linux平台进行完善和优化，为统一操作系统UOS龙芯版提供支撑。
2、面向高可靠实时终端的LoongOS。该系统基于Linux/RT-Linux构建了简洁高效的OS。
3、面向实时嵌入式应用的LoongWorks。该系统针对历史应用，基于VxWorks内核，完善图形和网络等API。
另一角度看，龙芯操作系统针对不同的硬件和应用，亦分别提出了两种不同的二进制兼容。
除此之外，胡伟武也提到，龙芯将进一步统一系统架构，构建标准规范体系，实现操作系统跨主板整机兼容和CPU代际兼容。
从龙芯3A4000开始，龙芯也将参考设计全面支持统一系统架构，开发支持ACPI主板、固件、内核及OS的参考设计，以及基于ACPI/EC笔记本标准的解决方案。
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结语：我国自主CPU研发的里程碑
龙芯中科经过近二十年的发展，已经成为我国国产自主高性能通用处理器的技术领先者，不仅打破了我国缺乏自主研发CPU芯片的历史，同时也是我国形成自主知识产权计算机产业道路上的一座里程碑。
近二十年来，龙芯的自主CPU和OS已经趋于成熟。胡伟武称，龙芯CPU通用处理性能已达到AMD水平，OS成熟度也已接近Windows XP。
然而，龙芯尚未丰富的应用和产业不配套，无疑是摆在自主CPU和OS未来发展道路上的一个阻碍。未来，龙芯如何完善基础软件环境和配套芯片，推动CPU和OS生态的进一步成熟发展，这十分值得我们期待。
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