龙芯授权IP拟均等授权指令集

铁君 2023-12-05 08:23

龙芯拥有完整的自主CPU产品线,从用于电子仪表的低功耗嵌入式CPU,到用于桌面及服务器的高性能通用CPU一应俱全。龙芯4核2.5GHz的3A6000性能与Intel的4核10代酷睿打得有来有回,是当前单核性能最高的国产CPU。据华硕(ASUS)的测试,当13和14代4核酷睿也以2.5GHz的频率运行时,性能也和龙芯3A6000基本一致,说明龙芯的CPU核心设计水平已达世界一流。

龙芯的CPU设计能力已经很强大,但在定制专用CPU时,却定然不如用户自己更了解自己的需求。通用性强,什么都能做,是龙芯各系列CPU的优点,但在很多应用场景中这也是缺点。比如多口网络设备需要更高的I/O速率,机顶盒芯片需要集成硬件的视频解码模块,一些专用设备中要删减不必要的功能以降低成本,众口难调,龙芯就不可能面面俱到。

国内企业针对特定应用定制CPU时,大多为获得ARM的CPU核心授权而被迫忍受苛刻条款,而与此同时,龙芯却抱着各种层次的自主CPU核心茫然四顾,这大约也算是一种供需矛盾吧。解决矛盾的方式当然是把自主的CPU核心授权给需要的企业,以合作共赢的方式,发挥自主的CPU核心的最大价值。龙芯IP广泛授权,也有助于拓展龙芯LonngArch架构的应用场景,增强软硬件生态。

龙芯公开授权的CPU IP

龙芯目前开放了三款CPU核心的授权,分别是LA132、LA264、LA364,暂时不对外授权用于桌面和服务器CPU的LA464和LA664。这三款核心分别对应低、中、高三种性能级别的嵌入式CPU,只是因为型号还不够丰富,三款核心的性能跨度较大。

LA132是极简的低功耗设计,使用32位LoongArch基础指令集。龙芯为合作企业定制的智能门锁、跑步机、筋膜枪、智能仪表、儿童机器人培训套件等芯片都是基于这一款核心。

LA264是64位的LoongArch指令集,支持LoongArch基础指令集和可选的128位向量扩展指令。LA264每GHz的通用处理性能高于ARM A53,大致是A55的水平,浮点运算性能比A55更高。使用这款核心的CPU适合工控设备,凡是ARM A53/A55的性能适用的场景,换成LA264也没问题。龙芯基于LA264核的CPU产品主要是2K0500、2K1000LA和2K1500。

LA364的定位是高端工控和移动设备,比如用于平板电脑和轻薄笔记本的CPU。LA364每GHz的性能是ARM A76的水平,龙芯的2K2000和还在研发中的2K3000就是使用的LA364核心。龙芯已经推出的打印机控制芯片2P0500,也使用了LA364核心。




相对于ARM的IP,龙芯对工艺要求很低,更符合国情。比如ARM A76是使用7nm工艺,而龙芯LA364则可以使用28nm工艺。当然使用先进工艺也没问题,集成了8个LA364核心的龙芯2K3000就使用了12nm工艺,以此获得更高的频率和更低的功耗。如果国内工艺取得进步,且具有合理的成本,那么LA364使用使用7nm甚至高先进的制程也未尝不可。

首批10家单位与龙芯签订授权协议

在2023年底的龙芯3A6000发布会上,龙芯与10家单位进行的“龙芯处理器IP授权签约仪式”,标志着IP授权将成为龙芯的主要业务之一,龙芯成为了除ARM之外另一家可提供高中低全层次IP核的公司。

首批10家获得龙芯CPU核心授权的单位是:

  1. 苏州雄立科技有限公司

  2. 大唐可再生能源试验研究院有限公司

  3. 得一微电子股份有限公司

  4. 山东领能电子科技有限公司

  5. 三峡智控科技有限公司

  6. 国家超级计算无锡中心

  7. 北京得瑞领新科技有限公司

  8. 北京科技大学工业互联网研究院

  9. 西安微电子技术研究所

  10. 北方自动控制技术研究所

在这10家单位中,苏州雄立科技已经推出了基于龙芯IP的XL63系列产品,是两款高集成度三层千兆网络交换芯片。这两款网络交换芯片集成了4个龙芯LA264 CPU核,能够提供充足的运算能力,支持28G交换带宽。还集成最多24端口千兆PHY,并支持QSGMII和SGMII模式。具有二层、三层交换功能,支持NAT/NAPT,支持SYNC-E和IEEE1588V2,满足企业和工业以太网接入业务需求。


苏州雄立科技在研的还有基于龙芯LA364 CPU核的网络处理器NUP芯片,集成了32个LA364核心,且有极强的数据处理能力。说起LA364核心,还有一个乌龙事件。龙芯最初对LA364核心进行仿真测试时,各项参数指标设置得非常保守,根据仿真测试结果认为每GHz的性能与ARM A72核心差不多。但在基于LA364的龙芯2K2000流片之后,实测结果表明每GHz的性能接近ARM A76核心的水平,比仿真性能提高了30%。

得一微电子和北京得瑞领新科技的主力产品都是存储控制芯片,比如SSD硬盘的主控,估计都会基于龙芯CPU IP核设计SSD硬盘主控芯片。在保障数据安全、防止泄密等方面,自主的CPU核心具有明显的优势。

大唐可再生能源试验研究院有限公司据悉是在基于龙芯IP研制风电PLC,三峡智控没有透露龙芯CPU核心的用途,大概率是要基于龙芯CPU核心设计专用的微控制器。

山东领能电子正在研发低轨星链卫星通信控制芯片,这款芯片基于龙芯CPU核心进行全定制设计,在成本、功耗、性能等关键指标上,且有代差级的提升优势。

国家超级计算无锡中心这个名字就令人浮想连篇,不过由于龙芯当前开放授权的IP核不包含最高性能的LA664,因此基于龙芯CPU核心设计超算专用CPU的可能性不大。国家超级计算无锡中心此次是为了研发新一代自主可控人工智能算力芯片,个人认为其结构可能与用于“神威·太湖之光”的申威SW26010类似,也就是把大量的专用计算单元和通用CPU核集成在一颗芯片中,由CPU调度专用计算单元提供算力。

还有几家科研单位获得了龙芯IP授权,主要是进行工控方向的研发。

龙芯侵蚀部分ARM市场

国产CPU很多,完全自主设计的很少。大多数国产CPU是购买国外设计的各种功能模块进行整合,这些功能模块统称为IP核。比整合CPU低一个层次的是设计板卡,再低一个层次就是组装电脑。组装电脑人人都能学会,设计板卡就已经需要高深的技术,跨度大得足以令大多数人放弃掌握。整合CPU更加困难,设计CPU中的各种功能模块更是极少数国家的顶尖团队才掌握的能力。特别是现代CPU的核心、高性能内存控制器、高性能数据总线等,最能体现CPU设计企业的技术水平。

国产的嵌入式CPU大多是基于ARM设计的CPU核心,国产桌面和服务器CPU的核心等重要模块也有很多是基于国外的IP核授权。当然也有自主设计程度较高的CPU,但因为CPU指令集是x86和ARM等非自主架构,而不能向其它公司授权IP核。Intel/AMD和ARM等架构掌控者不会给予其它公司二次授权的资格,与技术水平无关,只与是否自主有关。

自主指令集常有,特别是只有几十条指令的简单的嵌入式CPU指令集,国内其实不少。但往往只用于特定的设备和场景,不可能也没必要发展出完善的软件生态。基于这类专用指令集设计的CPU核心缺少向其它公司授权的价值,因为缺少通用性和软件生态,性能上限也很低,大多是自己设计自己使用。

龙芯自主设计了LoongArch指令集,能提供性能从低到高各种层次的CPU核心,已经公开指令集,并且建立了嵌入式、桌面、服务器的完备的软件生态,能提供全套的基础开发工具,各款IP都已有成功的商业化范例。国内没有任何其它企业或组织达到同等条件,龙芯是唯一。

放眼世界,CPU核心性能覆盖范围与龙芯相当,且可自由授权的IP核的,除了龙芯之外就只有ARM这一家。Intel和AMD相互牵制,对外授权高性能CPU核心算不上“自由”,暂时排除在外。MIPS已经没落,多年前的高性能IP现在已是老树枯柴,其它如Power、SPARC等也已经成为历史。RISC-V十多年来都没有诞生产品化的高性能IP,已产品化的阿里C910实际性能水平也比较低,每GHz的性能只是比龙芯LA264略高,只适合用于嵌入式CPU。

在软件生态方面,龙芯整体上还不如ARM,差距主要是在嵌入式,其中龙芯LoongArch的手机生态为0,工控方面主要是应用不够全面,还需要拓展。但在Linux桌面和服务器应用中,龙芯LoongArch和ARM的生态差距极小,这还只是龙芯LoongArch架构诞生两三年的成就,况且ARM的Linux桌面生态也主要是国内的公司在完善。RISC-V已经发展了十多年,至今也只在物联网领域有所表现,桌面和服务器则完全依赖开源生态,像WPS、QQ这样的商业应用一个都没有。

龙芯的市场份额可能不会快速增长,但细细看来,龙芯已经悄然具有了与ARM在桌面和服务器正面竞争的技术实力。


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