大陸自主CPU真正實力是這樣！

中國擁有世界超算第一的神威太湖之光，令人振奮的是其搭載的為大陸CPU。但大眾能夠接觸到搭載大陸CPU和操作系統的電腦卻少之又少。前不久兆芯對外宣稱自主研發的CPU在性能方面已經可以與國際廠商競爭。彷彿昨天還性能羸弱的大陸CPU一躍便達到了國際水平，再加上宣稱大陸安全操作系統的中標麒麟，大陸CPU和操作系統真的要崛起了嗎？

筆者認為，大陸CPU和操作系統崛起的標誌應該是在民用級普及。從這一觀點來看，大陸CPU和操作系統距離崛起還有相當長的路要走。不過欣慰的是，兩者在通往民用的道路上已經越走越快，而且最重要的是做到了自主可控，其中的代表就是龍芯+Linux。

CPU為什麼不是前面提到性能比肩Intel/AMD的兆芯呢？要想弄明白這個問題，我們需要對大陸CPU進行梳理。

大陸CPU的設計和製造

目前大陸CPU大致可以分為四大類：自主、開源方案、購買方案和授權。

第一類自主設計，其中的代表就是龍芯。龍芯的微架構是中科院自主研發的，可能由於其兼容MIPS指令集而被解讀為並不是完全自主設計。2011年的時候，龍芯就已購買了MIPS64位架構授權。

但如今MIPS逐漸沒落，所以龍芯的市場前景並不可觀。一些朋友可能有機會拿到搭載龍芯CPU的筆記本，其性能表現是比較糟糕的。

即使如此，龍芯的現實意義卻是最大的。作為一個國家的戰略技術儲備，龍芯會一直活下去。中國科學院龍芯CPU首席科學家胡偉武在接受採訪時表示，龍芯CPU完全可以做到世界第一，但問題就在於沒人用、沒人買。軟體生態上的匱乏是制約龍芯發展的一大原因。

大陸CPU設計和製造現狀

第二類開源方案，其中的代表就是SPARC架構的CPU。這一類CPU基本不會用在民用領域，大多用在航空領域，比如大家熟悉的神舟飛船，歐洲一些國家的航天器也採用此類CPU。

第三類購買方案，其中的代表就是alpha架構的CPU。神威太湖之光就是用的這種，同樣不適合民用。雖然在超算領域神威太湖之光是最強的，但自身還是存在一些設計缺陷，比如內存設計很弱，浮點性能強，適合做並行計算，有點像顯卡。單核性能比較弱，可能還不如龍芯。

第四類授權，這是目前最為廣泛的，比如前面提到的兆芯是x86的授權，大家熟知的華為的麒麟處理器是ARM的授權。除了這兩個外，還有飛騰（ARM）、展訊（ARM）等等。這一類在商業化道路上是走的比較輕鬆的，因為不用擔心兼容性問題，花費的錢也比其他類要少一些。

但這一類是受人制約的，雖然是自行設計Soc，但相比龍芯的自主設計要有些區別。從長遠來看，這些授權依舊是別人的東西，信息安全受制於人，產業發展受制於人。在商業上使用可以，但冠以大陸之名確實有些牽強。

除了CPU設計外，CPU製造也是一大坎。目前國內晶元工藝比較落後，比如光刻機（簡單理解為決定晶元多少納米）就無法達到世界水平，這也使得國內無法生產高端晶元，以前的龍芯都是委託別人製作的。收購是最佳捷徑，但其中涉及到政治、經濟等多方面問題，一些國家限制中國收購類似鎂光這樣的企業。

總體而言，大陸CPU確實取得了長足發展，但在核心競爭力方面依然比較弱，尤其是民用領域幾乎全部依賴國外技術授權。在製造工藝上也受制於技術水平，無法大規模製造高端晶元。

龍芯、飛騰、申威和Intel的比較

現在，我們先就龍芯和飛騰的桌面晶元與Intel的CPU做比較。由於桌面晶元更加註重單線程性能——單核性能是基礎，很多程序都依賴單進程的處理速度，如果單核性能上不去，核心數再多也沒用，這也是AMD六核、八核晶元打不贏Intel四核晶元的原因。另外，對於桌面晶元來說，日常使用中更加倚重定點性能。因此，在這裡我們以單線程實際測試的定點成績做比較。

在編譯器為GCC5.2的情況下，IntelI54460在3.2G主頻下SPEC2006的定點成績為32分；在編譯器為GCC4.4.7的情況下，龍芯3A3000在1.5G主頻下的定點成績為11分；在編譯器為GCC4.8的情況下，飛騰1500A在1.8G主頻的定點成績為10分。誠然Intel在編譯器上佔有一定優勢，這裡為了方便比較就忽略編譯器帶來的差異了，就定點性能而已，龍芯3A3000和飛騰1500A的單線程性能大約為IntelI54460的三分之一。

差距在哪裡呢？主要是在主頻上，其次在微結構。龍芯3A3000的主頻只有1.5G，飛騰1500A的主頻只有1.8G，而IntelI54460的主頻達3.2G，而且如果需要的話，還能睿頻到3.4G，很顯然，在主頻上龍芯3A3000隻有IntelI54460的一半不到，而飛騰1500A也只有IntelI54460的一半多一點。

微結構也就是常說的CPU核，在主頻相同的情況下，兩款CPU的性能差異取決於微結構的差異，像龍芯GS464E、Intel的Haswell、ARM的CrotexA72都是微結構。龍芯3A3000在1G主頻時，SPEC2006測試定點成績為7.3，飛騰1500A主頻為1G時，SPEC2006測試定點成績為5.5，而I54460在1G主頻時的定點成績為10。可以說，龍芯的GS464E大約有Intel的Haswell性能的73%，而飛騰的FTC660大約是Intel的Haswell性能的55%。

那麼如何提升主頻和微結構呢？提升微結構需要在指令分支預測，寄存器重命名，多指令通路，亂序發射，功能部件，訪存性能等方面做文章，目的是使整個的指令流水的效率儘可能高，因為如果有一個環節設計不好或不匹配的話，整個系統效率就發揮不出來，這是CPU的核心技術。提升主頻很大程度上要依賴後端設計能力，也就是要指物理層電路的具體優化，包括單元布局、時序優化等放方面下苦功。

接下來就大陸伺服器CPU與Intel的伺服器CPU做比較，以大陸伺服器CPU中多線程性能最強的飛騰2000為例。在編譯器為GCC4.8的情況下，飛騰2000在2G主頻的單線程SPEC2006測試成績為定點12.4，浮點11.3，換算一下飛騰2000的CPU核FTC661的定點成績為6.2/G，和IntelHaswell10/G的成績依舊有不小的差距，由於飛騰2000為64核晶元，在單線程性能相對有限的情況下，依靠核心數量的優勢，FT2000的多線程SPEC2006測試成績為定點570，浮點482，全晶元性能與IntelXeonE5-2695v3相當，這是非常了不起的成績。

由於科學計算倚重雙精浮點性能，超算晶元的比較中就以雙精浮點性能為指標進行，申威26010的雙精浮點性能為3T，和Intel目前最好的超算晶元KNL相當，更難人可貴的是這是在製造工藝與Intel相差2代的情況下取得的成績，這充分體現出申威26010在設計思想上的先進性。

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