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解析龙芯将两款CPU核开源意味着什么?
发布日期: 2017-10-24 22:18:10

10月21日,教育(yu)部计(ji)算机类(lei)教学指(zhi)导委员(yuan)会(hui)、中国(guo)计(ji)算机学会(hui)教育(yu)专委会(hui)将(jiang)2016 CNCC期间在山西太原举办(ban)“面(mian)向计(ji)算机系统能力培养的龙芯CPU高校开(kai)源计(ji)划”活动,在活动中,龙芯中科宣布将(jiang)GS132和GS232两(liang)款(kuan)CPU核向高校和学术界开(kai)源。那(nei)么——


龙芯开源的(de)CPU核性能如(ru)何?

以往将(jiang)CPU开源的公司有哪些?

开源CPU核又会(hui)带来哪(na)些影(ying)响呢?

开源(yuan)的(de)CPU核(he)性(xing)能如何?


CPU核(he)也(ye)叫(jiao)微结(jie)构(gou),是(shi)决(jue)定CPU性能(neng)(neng)、安全、功耗、成本(ben)的最(zui)重要因素,日(ri)常J9九游会AG 所说的双核(he)、四核(he)、八核(he)芯片,其(qi)实是(shi)将(jiang)2、4、8个CPU核(he)的接口(kou)互联并集成到一片硅片上(shang),像Intel的Haswell、ARM的Cortex A72、AMD的Zen、龙芯的GS464E都(dou)(dou)是(shi)CPU核(he)。在(zai)设计(ji)(ji)CPU的过程中(zhong),80%以(yi)上(shang)的功夫都(dou)(dou)用在(zai)CPU核(he)上(shang),因此,如何设计(ji)(ji)一个高(gao)性能(neng)(neng)的CPU核(he)可以(yi)说是(shi)CPU设计(ji)(ji)中(zhong)的关键(jian)技术之一。


目前,除了龙(long)芯(xin)、申威、飞腾等(deng)老牌设(she)计(ji)单位拥有自(zi)(zi)己(ji)设(she)计(ji)的(de)(de)高(gao)性能CPU核(he)(he)之外,国内(nei)大多数IC设(she)计(ji)公司依旧处于购买(mai)国外的(de)(de)IP“攒”出一个SOC的(de)(de)阶段(duan),拥有自(zi)(zi)主(zhu)设(she)计(ji)CPU核(he)(he)的(de)(de)单位屈(qu)指可(ke)数。而龙(long)芯(xin)本(ben)次将两款CPU核(he)(he)向高(gao)校和(he)学术(shu)界开源(yuan),可(ke)以使学术(shu)界以龙(long)芯(xin)的(de)(de)CPU核(he)(he)为(wei)基(ji)础开发产(chan)品,并以龙(long)芯(xin)的(de)(de)CPU核(he)(he)为(wei)模板学习(xi)怎样设(she)计(ji)CPU核(he)(he)。


龙芯开源的(de)CPU核(he)为GS132和(he)GS232。GS132为单发射32位(wei)结构,采用(yong)三级(ji)静态流水结构,性能(neng)于(yu)(yu)ARM Cortex-M0/M3/M4相当。主(zhu)要用(yong)于(yu)(yu)石油、电(dian)(dian)力、钻探、智(zhi)能(neng)水表和(he)智(zhi)能(neng)电(dian)(dian)表。GS232为双发射32位(wei)结构,采用(yong)五级(ji)动态流水线结构,性能(neng)于(yu)(yu)ARM9和(he)ARM11相当,在龙芯1A、1B、1C、1E中使(shi)用(yong),主(zhu)要用(yong)于(yu)(yu)各(ge)种嵌(qian)入式(shi)产品,在智(zhi)能(neng)家电(dian)(dian)、人造卫星(xing)、工控等(deng)领域都有(you)使(shi)用(yong),像(xiang)HS3700画质(zhi)芯片(pian)就购(gou)买了GS232的(de)授(shou)权,该芯片(pian)被(bei)用(yong)于(yu)(yu)海信(xin)的(de)智(zhi)能(neng)电(dian)(dian)视(shi)。


Sun曾经将T1、T2开源(yuan)


1985年,Sun成功研究出(chu)了Sparc精(jing)简指令集CPU,再辅(fu)助以基于Unix开发的(de)服务器(qi)系(xi)统(tong),使Sun在工作站和服务器(qi)领域崭(zhan)露头角,并逐渐(jian)可以对抗惠普和DEC这样的(de)传(chuan)统(tong)中式小型计算机。1992年Sun推(tui)出(chu)了市场(chang)上第一台多处理器(qi)台式机SPARCstation 10 system, 1993年Sun进入财富500强,至2001年Sun在全球(qiu)拥有五万雇(gu)员,市值(zhi)超过两千亿美元。



Sun以(yi)(yi)硬(ying)件起家,但成也(ye)(ye)萧何,败(bai)也(ye)(ye)萧何,对(dui)硬(ying)件的重(zhong)视,使Sun忽略(lve)了软件的重(zhong)要性(xing),特别是(shi)没能对(dui)Wintel联(lian)(lian)盟(meng)拥(yong)有足够的警惕性(xing)。在(zai)(zai)90年代末,因(yin)互(hu)联(lian)(lian)网的兴起,加上(shang)Sun的工(gong)作(zuo)站相对(dui)于DEC的小(xiao)(xiao)型机和IBM 的大型机具(ju)有价格优势,这导致虽(sui)然Sun的中小(xiao)(xiao)企业市(shi)场份额不断(duan)被Wintel蚕(can)食(shi),但由于其工(gong)作(zuo)站可以(yi)(yi)侵占DEC 和 HP 小(xiao)(xiao)型机的市(shi)场,其盈利模(mo)式(shi)得(de)以(yi)(yi)延续。但在(zai)(zai)互(hu)联(lian)(lian)网泡沫破裂后,加上(shang)Wintel联(lian)(lian)盟(meng)的倾轧,Sun服务器和工(gong)作(zuo)站业务则(ze)难以(yi)(yi)为继,仅2002年上(shang)半年就营业额同比跌至3称,并从2001年的盈利9亿美元,跌至亏损5亿美元,随后Sun一(yi)蹶(jue)不振,在(zai)(zai)2009年被甲(jia)骨文以(yi)(yi)74亿美元收购。在(zai)(zai)被收购前(qian),也(ye)(ye)许(xu)是(shi)为了放手一(yi)搏,或(huo)又是(shi)为了其他什(shen)么原因(yin),Sun将UltraSparc T1、T2开(kai)源(yuan)。


T1和T2到底如何呢?根据知(zhi)乎网友“迪迦奥特(te)曼”介(jie)绍(shao),Sun开源了全套的(de)(de)(de)RTL代(dai)(dai)码(ma)……拿(na)(na)着Sun开源的(de)(de)(de)那套东(dong)西,做一(yi)些(xie)自定(ding)义修改(gai),可(ke)以(yi)(yi)(yi)跑FPGA。学术圈里面已经有(you)几个拿(na)(na)着OpenSPARC T1成(cheng)功(gong)流(liu)片的(de)(de)(de)项目(mu),所以(yi)(yi)(yi)流(liu)片是肯定(ding)可(ke)行(xing)的(de)(de)(de)…..不过T1、T2单核性能(neng)非常差,T1相(xiang)当于(yu)上世纪80年(nian)代(dai)(dai)末(mo)期的(de)(de)(de)水(shui)平,而(er)T2相(xiang)当于(yu)90年(nian)代(dai)(dai)早期的(de)(de)(de)水(shui)平。所以(yi)(yi)(yi)千万不要指望T1和T2能(neng)有(you)什么商业(ye)竞争力。OpenSPARC T1/T2现在最(zui)大的(de)(de)(de)价值是帮助学术圈中的(de)(de)(de)研究者们快速(su)搭建(jian)一(yi)个原型(xing)系统,并(bing)且能(neng)感受一(yi)下2002~2005年(nian)时(shi)的(de)(de)(de)工(gong)业(ye)级代(dai)(dai)码(ma)长什么样子。知(zhi)乎网友“迪迦奥特(te)曼”还表示,T2的(de)(de)(de)源码(ma)存在BUG,至于(yu)是故意埋(mai)进去的(de)(de)(de),还是开源的(de)(de)(de)时(shi)候没有(you)处理好导(dao)致的(de)(de)(de)无心之失,他就不知(zhi)道了。


另外(wai),据说国防科大(da)在(zai)充分(fen)(fen)借鉴T1和(he)T2的源代(dai)码(ma)后,先后开发出(chu)了飞(fei)(fei)腾1000和(he)飞(fei)(fei)腾1500,两款芯片分(fen)(fen)别被(bei)用(yong)于天河1号和(he)天河2号。


IBM的OpenPOWER


Power诞(dan)生于1990年,并斩获过(guo)多项(xiang)世界第一(yi)(yi)(yi)(yi)——全球第一(yi)(yi)(yi)(yi)个(ge)双核(he)CPU,全球第一(yi)(yi)(yi)(yi)款(kuan)刀片(pian)(pian)服务(wu)器CPU,第一(yi)(yi)(yi)(yi)个(ge)战胜国际象棋(qi)冠军(jun)加里·卡斯帕罗(luo)夫的(de)电脑深蓝所采(cai)用的(de)CPU,第一(yi)(yi)(yi)(yi)个(ge)量产主(zhu)频超过(guo)5G的(de)CPU,第一(yi)(yi)(yi)(yi)个(ge)高超线程的(de)CPU,以及第一(yi)(yi)(yi)(yi)个(ge)5000针的(de)CPU,以及第一(yi)(yi)(yi)(yi)个(ge)封测成本比硅片(pian)(pian)成本还高的(de)CPU,第一(yi)(yi)(yi)(yi)个(ge)单芯片(pian)(pian)量产价格突破10万美元(yuan)的(de)CPU......其应用范围(wei)曾经涵盖过(guo)小型(xing)、中型(xing)、大型(xing)主(zhu)机(ji),从高端到(dao)低端的(de)工作站(zhan)都可以看见Power的(de)身影(ying)。


此外(wai),Power还(hai)曾占据服务器(qi)市场三分(fen)之二(er)的(de)(de)(de)市场份额。而(er)IBM也凭借Power巩固了自己(ji)科(ke)(ke)技巨人的(de)(de)(de)地位(wei),不(bu)仅在(zai)CPU研发上(shang)有着(zhe)乱序(xu)执行的(de)(de)(de)基(ji)础框架、寄存(cun)器(qi)重命名等一些(xie)列先(xian)驱性(xing)贡献(xian),在(zai)科(ke)(ke)研上(shang)曾经一度(du)成果斐然——在(zai)2001年(nian),IBM获(huo)得(de)美国专利(li)和(he)商标局授权专利(li)数量高达3411项,比HP、Intel、Sun、Microsoft、Compaq、Dell、Apple、EMC、Oracle、EDS、Accenture和(he)AOL在(zai)内的(de)(de)(de)12家最大的(de)(de)(de)美国IT业公(gong)司加在(zai)一起还(hai)要多。


但就在IBM和(he)Power芯片光芒(mang)四射的(de)同时,Intel却(que)利用(yong)与微软结成(cheng)联(lian)盟(meng),并充分借(jie)力(li)戴尔、康柏等整机厂,以Wintel联(lian)盟(meng)的(de)方式在市场(chang)上大杀四方,加上IBM太过于(yu)任性(xing),更倾向于(yu)服务土豪(hao)用(yong)户,没(mei)能(neng)细(xi)分和(he)精耕市场(chang),对市场(chang)和(he)研发的(de)综(zong)合掌握(wo)能(neng)力(li)都(dou)不及Wintel,使Power空有一身高性(xing)能(neng)却(que)难以抵挡Wintel联(lian)盟(meng)的(de)侵蚀——从PC到工作站、服务器(qi)Power、Sparc等架构(gou)CPU的(de)市场(chang)份额(e)逐(zhu)步被X86架构(gou)CPU蚕食。


与此同(tong)时,由于软(ruan)件(jian)厂商(shang)(shang)若要兼(jian)(jian)容多种架构CPU的(de)(de)成本(ben)(ben)越(yue)来越(yue)高,造成软(ruan)件(jian)厂商(shang)(shang)开始逐(zhu)步放弃兼(jian)(jian)容一些架构的(de)(de)CPU——Power、Mips、Sparc、Alhpa等架构CPU先后(hou)被软(ruan)件(jian)厂商(shang)(shang)抛(pao)弃,而原本(ben)(ben)性(xing)能最弱的(de)(de)X86芯(xin)片(pian)则(ze)依(yi)靠Wintel联盟和软(ruan)件(jian)生态的(de)(de)优势笑到了最后(hou)。即便是(shi)曾经占据三分之二市场(chang)份额的(de)(de)服(fu)务器领域(yu),低端服(fu)务器已然(ran)被Intel的(de)(de)X86芯(xin)片(pian)侵(qin)占,Power唯有在(zai)(zai)对可(ke)靠性(xing)、稳定性(xing)要求非常(chang)高,在(zai)(zai)决策上也非常(chang)保守的(de)(de)使用(yong)(yong)场(chang)景下,比(bi)如(ru)银行所采(cai)用(yong)(yong)的(de)(de)高端服(fu)务器市场(chang)寻找(zhao)存在(zai)(zai)感。


正(zheng)是昔日曾经辉煌的(de)(de)(de)(de)Power有着日渐(jian)被(bei)边缘(yuan)化的(de)(de)(de)(de)趋势,如(ru)果IBM依然完全(quan)独占Power,其(qi)他IT公(gong)司根本不会基(ji)于Power构建基(ji)础软硬件(jian)。因此,IBM选择(ze)了联合Google、NVIDIA、TYAN、Mellanox成立了OpenPOWER联盟和OpenPOWER基(ji)金会试图(tu)力挽狂澜,旨(zhi)在(zai)通过开放(fang)合作的(de)(de)(de)(de)模式,将(jiang)IBM的(de)(de)(de)(de)Power硬件(jian)资产与软件(jian)堆栈,以及第三方(fang)联盟伙伴的(de)(de)(de)(de)软件(jian)堆栈深度结合,在(zai)芯片(pian)设(she)计、系统设(she)计与开源软件(jian)三个层面推动Power生(sheng)态环境的(de)(de)(de)(de)发展与壮大。



不过,相对于Sun开源T1、T2后,大(da)(da)家都可以免费下载源码不同,要获(huo)得(de)Power的源码,要付出(chu)不菲的代价,以2014年IBM向中(zhong)国(guo)大(da)(da)陆中(zhong)晟宏芯(xin)授权Power8源代码为例,为了(le)拿到Power的全套(tao)代码和工(gong)具,据小道消息称,中(zhong)方为此支(zhi)付了(le)2亿美元左右的费用(yong)。


学术界将收益于龙芯CPU开源


一(yi)直(zhi)以来,我(wo)国(guo)计算(suan)机(ji)领域的教(jiao)(jiao)育(yu)更多的还是教(jiao)(jiao)学(xue)生(sheng)如何“用”计算(suan)机(ji)而不是“造(zao)”计算(suan)机(ji),这直(zhi)接导致国(guo)内IT人(ren)才(cai)(cai)结构失衡,应用开发型人(ren)才(cai)(cai)充足,但底(di)层基础系统研发人(ren)才(cai)(cai)却极度匮(kui)乏,使(shi)中国(guo)庞大的IT产业建立在国(guo)外软硬件(jian)系统平台之(zhi)上。


龙芯(xin)将CPU核(he)向高(gao)校(xiao)和学(xue)(xue)术(shu)界开源,则给予在(zai)校(xiao)大(da)学(xue)(xue)生(sheng)(sheng)一(yi)个(ge)很好的学(xue)(xue)习实(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)践(jian)平台(tai)——龙芯(xin)中(zhong)科资助大(da)学(xue)(xue)老师基(ji)于龙芯(xin)平台(tai)设计(ji)(ji)实(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)验课程,使学(xue)(xue)生(sheng)(sheng)可(ke)以(yi)在(zai)真(zhen)实(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(而(er)不(bu)是(shi)简(jian)化的)CPU上运行(xing)(xing)真(zhen)实(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(而(er)不(bu)是(shi)简(jian)化的)操作系(xi)统(tong),在(zai)龙芯(xin)实(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)验平台(tai)上启动(dong)操作系(xi)统(tong)并进(jin)行(xing)(xing)性(xing)能(neng)分析。在(zai)流水(shui)(shui)线(xian)设计(ji)(ji)方(fang)面,让(rang)学(xue)(xue)生(sheng)(sheng)把GS132的三级静态流水(shui)(shui)线(xian)改造成五级静态流水(shui)(shui)线(xian)。在(zai)TLB和Cache设计(ji)(ji)方(fang)面,让(rang)学(xue)(xue)生(sheng)(sheng)在(zai)五级GS132处理器(qi)核(he)上按(an)MIPS32规范(fan)实(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)现TLB及(ji)Cache,运行(xing)(xing)通用操作系(xi)统(tong),进(jin)行(xing)(xing)有/无Cache的性(xing)能(neng)分析。在(zai)双(shuang)发(fa)(fa)射(she)结构设计(ji)(ji)方(fang)面,把GS132处理器(qi)核(he)改造成双(shuang)发(fa)(fa)射(she)CPU,进(jin)行(xing)(xing)单发(fa)(fa)射(she)和双(shuang)发(fa)(fa)射(she)性(xing)能(neng)比较。在(zai)动(dong)态流水(shui)(shui)线(xian)设计(ji)(ji)方(fang)面,在(zai)GS232基(ji)础上改写(xie)部分模块(如乘(cheng)法器(qi)、保留站(zhan)等)进(jin)行(xing)(xing)静态单发(fa)(fa)射(she)、静态双(shuang)发(fa)(fa)射(she)、动(dong)态双(shuang)发(fa)(fa)射(she)的性(xing)能(neng)分析。


(龙(long)芯教育(yu)实验平(ping)台)


此外(wai),龙(long)芯(xin)还(hai)研发了CPU实(shi)验(yan)平台、操(cao)(cao)作系(xi)统实(shi)验(yan)平台、并行(xing)处(chu)理(li)实(shi)验(yan)平台等数款龙(long)芯(xin)教学(xue)平台,通过为高校提供完整的线上、线下(xia)实(shi)验(yan)环境(jing),助(zhu)力教学(xue)改革和计算机专(zhuan)业(ye)学(xue)生的系(xi)统能力培养,实(shi)现(xian)“设计真实(shi)处(chu)理(li)器,运(yun)行(xing)真实(shi)操(cao)(cao)作系(xi)统”。


总之,正(zheng)如知乎网友“迪迦(jia)奥特曼”对(dui)OpenSPARC的(de)评价:OpenSPARC T1/T2现在最大的(de)价值是帮助学术圈中的(de)研究者们(men)快速(su)搭建一个原型系(xi)统,并(bing)且(qie)能感受一下2002~2005年(nian)时的(de)工业(ye)级代码长什么(me)样子(zi)。龙芯将(jiang)两款CPU核(he)开源(yuan)的(de)影响和作用也(ye)大致与(yu)OpenSPARC类似。


助推软件生态建设


目(mu)前,在(zai)龙(long)芯(xin)(xin)3A3000已经成功(gong)流片(pian)的(de)情况(kuang)下,就党政(zheng)军(jun)办公市场而言,龙(long)芯(xin)(xin)最(zui)大的(de)问题已经不是CPU的(de)性能(neng)不够用(yong),而是缺乏软件生(sheng)(sheng)态(tai)的(de)支(zhi)持,而软件生(sheng)(sheng)态(tai)建设单(dan)凭龙(long)芯(xin)(xin)自己是很难(nan)做起(qi)来(lai)的(de),必(bi)须(xu)依靠众人拾柴(chai)火焰高(gao)(gao)的(de)模式,发动合作伙伴(ban)、开(kai)源社区、以及创客群体共同建立。这时候(hou)适当(dang)的(de)将(jiang)两(liang)款CPU核向高(gao)(gao)校(xiao)和学(xue)术(shu)界开(kai)源,有(you)助于让广大在(zai)学(xue)生(sheng)(sheng)学(xue)习如(ru)何围绕(rao)龙(long)芯(xin)(xin)进行开(kai)发,在(zai)莘(xin)莘(xin)学(xue)子毕业后(hou),自然能(neng)掌(zhang)握围绕(rao)龙(long)芯(xin)(xin)进行开(kai)发的(de)相关技能(neng),这有(you)助于龙(long)芯(xin)(xin)软件生(sheng)(sheng)态(tai)建设。


不(bu)(bu)(bu)过,将(jiang)CPU核开(kai)源并不(bu)(bu)(bu)意味着一定就能把(ba)生态(tai)建立起来(lai),以(yi)(yi)往也有(you)一些(xie)IT公司(si)将(jiang)自己(ji)的(de)CPU开(kai)源,比如(ru)SUN就曾经将(jiang)自己(ji)的(de)CPU开(kai)源,国防科(ke)大还下载了源代码(ma),并以(yi)(yi)此(ci)为基础开(kai)发了飞腾(teng)1000和飞腾(teng)1500,这两款(kuan)CPU还被(bei)(bei)用于天河1号和天河2号。不(bu)(bu)(bu)过即便如(ru)此(ci),也无法挽救SPARC逐渐被(bei)(bei)边(bian)缘化的(de)命运,其生态(tai)至今也没能建立起来(lai)。


在去年年底,ARM将Cortex-M0处理器开(kai)源(yuan)(yuan),并以优惠(hui)的(de)授(shou)权(quan)费帮助初(chu)创厂商(shang)加快芯(xin)片(pian)开(kai)发进程。另(ling)外,还有(you)risc-v这样的(de)开(kai)源(yuan)(yuan)产品,而且有(you)越来越火的(de)趋势——linux、gcc、llvm甚至bsd类操作系统(tong)都开(kai)始支持risc-v...... 正由(you)于开(kai)源(yuan)(yuan)的(de)CPU核并非只有(you)龙(long)芯(xin),单纯希望依靠将CPU核开(kai)源(yuan)(yuan)就能建起软件生态的(de)想法显然(ran)是不切合(he)实(shi)际的(de),要(yao)对(dui)生态建设(she)起到积极作用,一方面(mian)需(xu)要(yao)长(zhang)时(shi)间(jian)的(de)持续投(tou)入,另(ling)一方面(mian)也需(xu)要(yao)企(qi)业、高校联(lian)合(he)协同,密切配合(he)。


结语


龙(long)芯(xin)(xin)之所以将两(liang)款CPU核(he)开(kai)源,一(yi)(yi)方面是为了配合(he)国家计算机专业课程的(de)(de)教育改革,另一(yi)(yi)方面也是为了培(pei)养一(yi)(yi)批能给龙(long)芯(xin)(xin)做基础软硬件(jian)开(kai)发的(de)(de)新鲜血液,并借此丰富龙(long)芯(xin)(xin)的(de)(de)软件(jian)生态和产业链。不过(guo),最后究竟能取得怎(zen)样(yang)的(de)(de)效果,还(hai)有待时间的(de)(de)检验。

 
 
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