龍芯歷代處理器大揭秘 革命尚未成功 同志仍需努力
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通用處理器是信息產業的基礎部件，是電子設備的核心器件。通用處理器是關係到國家命運的戰略產業之一，其發展直接關係到國家技術創新能力，關係到國家安全，是國家的核心利益所在。
龍芯中科由中國科學院和北京市政府共同牽頭設立，旨在將中科院計算所研製多年的龍芯處理器產業化。據龍芯中科技術負責人介紹目前龍芯多個產品已達到世界先進水平。
龍芯3A2000/3A3000
該通用處理性能是第一代產品的3-5倍，跨越了國際主流的第一個門檻。其中，SPEC CPU2006定點11分，浮點10分，超過Intel凌動系列、威盛、高端ARM系列。訪存帶寬10-13GBps，達到Inter E5 水平。
最重要的一點該產品為自主可控的標杆產品。除廠家提供的基本單元庫外，沒有使用任何第三方IP。其中片內所有功能模塊（CPU、MC等）及相關宏單元（PLL、DDR3 PHY等）均自主設計。3A2000/3A3000可以滿足絕大多數行業應用需求。
表1 龍芯三系列處理器的技術指標對標
龍芯2K1000
2017年第一季度流片成功，性能是上一代產品龍芯2H的3-5倍。採用雙核，128位向量，SOC的通路更加通暢。單核通用處理性能與主流處理器相當：Cortex A53。介面豐富：PCIE*6、SATA、USB*4、GMAC*2、NAND、SDIO、GPU、DC*2、HDA/I2S等。使用境內40nm LL低功耗工藝，1GHz時典型功耗3-5W。這款晶元是龍芯具有開放市場競爭力的第一款通用CPU產品主要應用在終端和工控領域。
表2 龍芯2K1000性能指標的對比
龍芯抗輻照系列處理器
針對我國航天工程上抗輻照處理器主要依靠進口SPARC V8體系的實際情況，龍芯研製了系列化的抗輻照處理器，並成功在北斗導航衛星工程上應用。其中，低端產品：使用0.18um/0.13um體硅加固（代表：LS1E、LS1F以及LS1J等）；中端產品：使用0.13um SOI，性能提高3-5倍（代表：LS1E300、LS1F300等）；高端產品：使用28nm FDSOI，性能再提高10-20倍（代表：LS1E1000等）；高端用戶定製化產品：按照用戶的需求定義，定製具有自主知識產權的個性化產品。
表3 龍芯抗輻照處理器的系列化產品的技術指標
| 1J | 1F | 1F300 | 1E | 1E300 | 1E1000 | |
| 處理器核 | GS132 | GS132 | GS132E | GS232 | GS232E | GS232E |
| 片上緩存 | - | - | - | 8K+8K | 16K+16K | 32K+32K+1M |
| 協處理器 | - | - | - | 浮點 | 浮點+向量 | 浮點+向量 |
| 核數 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 |
| 工藝 | EF130 | 180 | 130SOI | 180 | 130SOI | 28SOI |
| 頻率 | 10 | 33 | 100 | 100 | 200 | 1000 |
| 內存介面 | - | SRAM | SRAM/SDRAM | SDRAM | SDRAM | DDR2/3 |
| 片上存儲 | 32K Flash 8K RAM | 8K RAM | 64K RAM | - | - | - |
| RapidIO | √ | |||||
| SpaceWire | √ | √ | √ | |||
| 1553 | √ | √ | ||||
| PCI | √ | √ | √ | √ | ||
| UART | √ | √ | √ | √ | √ | √ |
| I2C | √ | √ | √ | √ | ||
| SPI | √ | √ | √ | √ | ||
| 遙測遙控 | √ | √ |
表4 龍芯抗輻照產品與國產其他抗輻照CPU對比
| 龍芯1E | 龍芯1F | 772所BM3803 | 502所SOC2008 | |
| 指令系統 | MIPS32 | MIPS32 | SPARC V8 | SPARC V8 |
| CPU核 | GS232 | GS132 | SPARC V8 | SPARC V8 |
| 內存控制器 | SDRAM, SRAM | SDRAM, SRAM | SDRAM, SRAM, PROM | SDRAM |
| Flash支持 | √ | √ | × | × |
| 片上糾錯/檢錯 | EDAC | EDAC | EDAC | EDAC |
| PCI介面 | √ | √ | √ | × |
| 1553B介面 | × | √ | × | √ |
| CAN匯流排 | × | √ | × | × |
| 串口 | 2 | 8 | 2 | 2 |
| 看門狗 | √ | √ | √ | √ |
| 中斷控制器 | √ | √ | √ | √ |
| I2C | √ | √ | × | × |
| SPI | √ | √ | × | × |
| GPIO | 28 | 64 | N/A | 32 |
| 遙控遙測介面 | × | √ | × | × |
| 操作系統支持 | VxWorks6.8 | VxWorks6.8 | VxWorks | VxWorks |
| 龍芯1E | 龍芯1F | 772所BM3803 | 502所SOC2008 | |
| 主頻 | 100MHz | 33MHz | 70MHz | 100MHz |
| 定點峰值性能 | 200MIPS | 33MIPS | 70MIPS | 100MIPS |
| 峰值浮點性能 | 100MFLOPS | 無浮點部件 | N/A | 30MFLOPS |
| 發射數 | 雙發射 | 單發射 | 單發射 | 單發射 |
| 總劑量 | 300Krad(si) | 300Krad(si) | 100Krad(si) | 200Krad(si) |
| 單粒子閂鎖 | 75Mev/cm2/mg | 75Mev/cm2/mg | 75Mev/cm2/mg | 99.8Mev/cm2/mg |
| 單粒子翻轉率 | 1×10-10次/位/天 | 1×10-10次/位/天 | 3×10-5次/器件/天 | 1.2×10-7次/器件/天 |
| 工藝 | 180nm | 180nm | 180nm | 130nm |
| 功耗 | 3W | 2W | N/A | 1W |
| IO電壓 | 3.3V | 3.3V | 3.3V | 3.3V |
| 核心電壓 | 1.8V | 1.8V | 1.8V | 1.2V |
| 工作溫度 | -55℃-+125℃ | -55℃-+125℃ | -55℃-+125℃ | -55℃-+125℃ |
| 封裝 | CBGA276 | CBGA276 | CPGA391 | PGA257/CCGA256/BGA256 |
| 尺寸 | 27mm×27mm | 27mm×27mm | N/A | N/A |
| 質量等級 | GJB B級、宇航級 | GJB B級，宇航級 | GJB B級，CAST C | CAST C |
| 龍芯1E | 龍芯1F | 772所BM3803 | 502所SOC2008 | |
| 自主設計 | CPU核，外圍控制器全自主設計（含後端設計） | CPU核，外圍控制器全自主設計（含後端設計） | 開源CPU核心 | 開源CPU核心，後端設計外協 |
| 流片生產 | 國內工藝線生產 | 國內工藝線生產 | 國內工藝線生產 | 國內工藝線生產 |
| 封裝 | 航天772所 | 航天772所 | 航天772所 | N/A |
| 成熟度 | 自主CPU核心 | 自主CPU核心 | 開源CPU核心 | 開源CPU核心 |
| 應用 | 二代導航衛星； 實踐十號返回式科學實驗衛星 | 二代導航衛星； 實踐十號返回式科學實驗衛星 | 衛星型號任務 | 控制計算機，星敏感器 |
表5 龍芯抗輻照產品與國外抗輻照CPU對比
| BM3803MRGH（國產） | ATMEL AT697F（國外） | 龍芯1E/龍芯1F | |
| 架構 | SPARC V8 | SPARC V8 | MIPS |
| 工藝 | 0.18μm CMOS體硅工藝 | 0.18μm CMOS體硅工藝 | |
| 主頻 | 70MHz | 90MHz | 100MHz |
| 抗輻射指標 | 總劑量：100 KRad(Si) 單粒子栓鎖： 75 MeV. cm2/mg | 總劑量：300 KRad(Si) 單粒子栓鎖： 95 MeV. cm2/mg | 總劑量：100 KRad(Si) 單粒子栓鎖： >75 MeV. cm2/mg |
| 片上外設 | 中斷控制器,UART,定時器,PCI匯流排,看門狗 | 中斷控制器,UART,定時器,PCI匯流排,看門狗 | 中斷控制器,UART,定時器,PCI匯流排,看門狗,SPI匯流排,I2C匯流排,GPIO |
| 工作電壓 | 介面電壓:3.3V±10% 內核電壓:1.8 V±10% | 介面電壓:3.3V±0.30V 內核電壓:1.8 V±0.15V | 介面電壓:3.3V±10% 內核電壓:1.8 V±10% |
| 封裝形式 | CPGA391 | MCGA-349、MQFP-256 | CBGA276 |
| 片上存儲 | 32K指令Cache、 16K數據Cache | 32K指令Cache、 16K數據Cache | 8K指令Cache、 8K數據Cache |
| 外部存儲 | 支持8/16/32位PROM、SRAM、SDRAM和IO映射空間訪問 | 支持PROM、SRAM、SDRAM訪問 | 支持PROM、SRAM、SDRAM訪問，支持NORFLASH、NANDFLASH |
| 調試方式 | 帶有跟蹤緩衝器的硬體調試單元 | DSU跟蹤調試、IEEE 1149.1標準JTAG介面、四個硬體觀察點 | IEEE 1149.1標準JTAG/EJTAG介面 |
此外，隨著多年積累，龍芯CPU已形成了完全自主可控的GS132、GS232和GS464三大系列處理器核。
GS132為單發射32位結構，採用靜態流水線。其1.0版本（簡稱為GS132）為三級靜態流水結構，在龍芯1D、1F中使用。其2.0版本（簡稱為GS132E）為五級靜態流水結構。
GS232為雙發射32/64位結構，採用動態流水線。其1.0版本（簡稱為GS232）為五級動態流水線結構，只有32位版本，在龍芯1A、1B、1C、1E中使用。其2.0版本（簡稱為GS232E）為動態流水線結構，有32位和64位版本（64位版本也稱為GS264），在龍芯2K1000中使用。
GS464為四發射64位結構，採用動態流水線。其1.0版本（簡稱GS464）為9級流水線結構，在龍芯3A、3B、2J、2H中使用。其2.0版本（簡稱GS464E）為12級動態流水線結構，在龍芯2J1500、龍芯3A1500、龍芯3A2000、龍芯3B2000、龍芯3A3000、龍芯3B3000等CPU中使用。其3.0版本（簡稱GS464V）為12級動態流水結構，含256位向量部件，在龍芯3A4000、龍芯3B4000、龍芯3C5000等CPU中使用。
據龍芯技術負責人介紹，龍芯始終秉承使用一代、研製一代、預研一代、前瞻一代的研發思路，制定具有前瞻性的研發計劃，助力我國在通用處理器方向實現自主可控。
表6龍芯CPU研發計劃
表7龍芯抗輻照/抗核CPU研發計劃
截止目前龍芯CPU 產品已應用於特種行業、工業控制、行業終端、筆記本、桌面計算機、伺服器、數字電視、數控機床、電力鐵路、多種嵌入式設備等領域，下游合作夥伴幾百家。通過與裝備管理部門、總體單位和產業部門的合作，摸索自主可控信息體系的建設途徑。龍芯中科將始終致力於自主研發龍芯CPU 產品，肩負起「保障國家安全、支撐產業發展」的使命。
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