兆芯KX5000CPUdieshot赏析及兆芯的前世今生

原创启芯硬件 2023-12-16 19:04

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一、KX5000芯片概要

纯国产的一颗CPU芯片，包括芯片的设计和制造。

开先 KX-5000 系列处理器，是兆芯自主创新研发的通用SoC处理器产品，为国内第一颗支持DDR4内存的国产通用处理器芯片。该处理器采用先进的28nm CMOS工艺制程，采用尺寸为37.5mm x 37.5mm的HFCBGA封装技术，单芯片集成4/8个核心CPU、内置双通道DDR4高速内存控制器、3D图形加速引擎、高清流媒体解码器、显示接口以及PCIe3.0总线，可良好兼容市场主流的硬件配置环境。

其CPU核心采用超标量、多发射、乱序执行架构设计，兼容最新的x86指令集，可支持64位系统，以及 CPU 硬件虚拟化技术。同时支持SM3/SM4国密算法，可提供基于硬件的数据加密保护。

二、兆芯 KX5000（8C8T）的floorplan

floorplan基本分析:

1.最上面是PCIe的模块，看起来是三个一模一样的x8模组，是soc内外最为重要的连接模块之一

2.CPU单元，一共两个cluster, 每一个cluster包括4个CPU core，其中一个cluster 如下所示

3.UMA和DDR等重要模组。右边是三个重要的大块头，分别是UMA集显模块，多媒体音视频单元，最右边是双路的DDR4 通路。

4.最下面是显示输出接口，以及低速IO口。

整体来说，KX5000使用五道口架构（wudaokou）的8核心CPU构成，4个CPU组成一个集群（cluster）。可能使用HLMC的28nm工艺制造。一级指令缓存32KiB，一级数据缓存32KiB，二级缓存每个集群4MB。拥有双通道DDR4，PCI-E 3.0 *24（pcie 8*3）。

另外，开先5000处理器采用HLMC基于WuDaoKou微架构的28nm工艺在国内制造，代表了向前迈出的重要一步。

详细测量数据如下：

die	size(mm^2)	process node
KX5000（8C8T）	Die size:187	HLMC 28nm
Wudaokou Core	2.509365932
1MB L2	2.456581685
L1 Inst.	L1 Data	L2
32KiB	32KiB	1MB/core,4MB/Cluster
	SRAM density(MB/mm^2)	Logic density	SRAM bitcell(μm^2)
HLMC 28nm	0.407069712	/	≈0.292847357340759

三、KX-5000的参数分析

KaiXian 5000 系列主要针对 PC、工作站和笔记本电脑。这些 SKU 针对英特尔的酷睿 i3 和酷睿 i5 处理器。

新 SKU
型	内核/线程	频率	L2 缓存
型号：KX-5640	4/4	2.0千兆赫	4 兆字节
型号：KX-5540	4/4	1.8千兆赫	4 兆字节
型号：KX-U5680	8/8	2.0千兆赫	8 兆字节
型号：KX-U5580	8/8	1.8千兆赫	8 兆字节
型号：KX-U5580M	8/8	•1.8 GHz	8 兆字节

兆芯芯片型号的编号模仿 AMD 和 Intel 的型号。

第一位数字“5”表示第 5 代。接下来的三位数字表示时钟、内核数量和细分市场。

此外，U 前缀是指高端 8 核型号，而 M 后缀是指低功耗型号。

所有型号都具有与 Intel VT-x、可信执行技术（TXT）、SSE 4.2 和 AVX 支持兼容的虚拟化支持。这些型号支持 64 GiB 的 DDR4 内存，并集成了一个 GPU，支持 DirectX 11.1 和 4K 分辨率的显示器。

KX-U5580M 采用 37.5 mm x 37.5 mm HFCBGA 封装。

四、兆芯系列CPU型号的前世今生

兆芯是国内的一家x86微处理器公司，一直致力于开发国产 x86 CPU 微架构。由威盛科技授权的x86 交叉许可协议的架构。有资料显示，2010年联邦贸易委员会（FTC）的和解协议要求英特尔修改与AMD、英伟达和VIA的协议，允许他们与其他公司进行合并和合资，而不会受到专利侵权起诉的威胁。这一点很重要，直接意味着兆芯技术的合法性

兆芯由上海市联投作为大股东（80.1%），拿下核高基相关领域的大头，推动国产x86芯片是其国家安全计划的一部分，该计划要求减少对外国产品的依赖，并加强对自身知识产权（即本例中的硬件）的控制。

下图是兆芯x86技术演进的示意图，表示兆芯的X86技术确实是传承有序的。

兆芯KX5000据说没有使用台积电 28nm，而是选择使用上海华立微电子公司（HLMC）的 28 nm 工艺，这意味着该芯片不仅在国内设计，而且在国内制造，意味着国内的芯片设计和制造都迈出了一大步。

KX-5000是一个完整的 SoC，在单个芯片上集成了cpu核集群、UMA和其他模块。每个集群由四个核心和一个共享的 L2 组成。虽然设计可以扩展到更高的内核数量，但目前的芯片只有两个集群，总共有八个内核。

五、总结

KX-5000拥有更高的集成度，而更高的集成度是是有代价的：KX-5000 CPU包含 21 亿个晶体管。这大约是 ZX-C 拥有的 ~300M 晶体管的七倍。此外，芯片面积本身已膨胀至 187 mmÂ²。

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