匹敵英特爾Core i5！國產3.0GHz x86處理器性能獨家首測

從1999年開始舉辦的上海工業博覽會，在2007年正式更名為中國國際工業博覽會，展會發展至今20年，不僅一直倍受全球各類頂尖企業的關注，而且還由國務院批准成為了唯一具有評獎功能的工業類展會。中國國際工業博覽會已經成為企業公認的向潛在客戶展示各類產品，體現企業最高實力的盛會。

毫無疑問，展會上有實力的企業可以說數不勝數，但在剛剛結束的第20屆中國國際工業博覽會上，一款國產x86處理器卻殺出重圍，獲得了工博會的最高獎項—金獎。我們知道，x86處理器領域的市場、技術長期被國外的企業壟斷，那麼這款處理器到底有何實力，能夠擊敗眾多競爭對手，獲得整個行業的認同呢？接下來就讓《微型計算機》來為您揭開這顆處理器的神秘面紗。

中國國際工業博覽會是由國家發展和改革委員會、商務部、工業和信息化部、科學技術部、教育部、中國科學院、中國工程院、中國國際貿易促進委員會和上海市人民政府共同主辦，中國機械工業聯合會協辦，上海世博(集團)有限公司承辦的中國最具影響力的國際工業品牌展。顯然這款處理器能獲得如此多專業、高層舉辦單位的認可，就必定有它的不俗之處。而這款處理器就是由上海兆芯集成電路有限公司設計的最新一代開先KX-6000系列x86處理器。

事實上，《微型計算機》長時間以來一直在跟蹤報道國產兆芯x86處理器。與採用精簡指令集的龍芯、申威等國產處理器不同，兆芯研發的處理器兼容x86指令集，可以運行Windows、Linux和多款國產操作系統，並且能夠全面勝任日常辦公、影音播放、數據存儲、大眾娛樂等應用。其產品在近幾年也實現了多代發展，從早期在市場上銷售的ZX-C處理器，到架構設計上有大幅更新的開先KX-5000系列處理器，再到現在的KX-6000系列，兆芯x86處理器的技術水準一直在不斷提升。

兆芯處理器的發展之路

從南北橋架構到開先KX-5000系列

自2014年首次推出基於x86架構的ZX-A雙核處理器後，兆芯接下來就完成了代號「張江」、4～8核心處理器ZX-C、ZX-C+處理器的設計與量產，並推向了市場，得到了廠商與政府部門的採用。ZX-C與ZX-C+兩類處理器均基於28nm CMOS工藝打造，主頻最高2.0GHz，兼容x86指令集，支持CPU虛擬化技術，ZX-C+處理器還支持SM3和SM4高速國密演算法指令。

高速國密演算法指令是由兆芯自主研發的一套演算法指令集，不僅能大幅提升SM3和SM4兩種國密演算法的運算速度，還讓密碼學相關應用的開發以及部署和推廣更為方便，這是市面上其他國外x86處理器所不具備的。

當然從技術上看，ZX-C、ZX-C+同國外產品還有比較明顯的差距：整個平台還採用的是較為早期的南北橋架構設計，處理器只是一個單純的計算核心，需要通過北橋、前端匯流排與顯卡、內存進行通信，同時緩存的同步也需要先將數據傳輸到北橋。所以系統傳輸數據的能力不僅會被前端匯流排狹小的帶寬所限制，訪問延遲也大為增加。

所以前端匯流排架構的先天不足，在內存、顯卡與緩存同步工作帶來的高延遲，以及前端匯流排帶寬限制都會對基於ZX-C+核心的多核處理器性能帶來較大的影響。因此上海兆芯集成電路有限公司再接再厲，在2017年底推出了採用SoC(System-on-Chip)設計、核心架構名為「五道口」、代號ZX-D的新一代開先KX-5000系列處理器。

兆芯對開先KX-5000系列處理器內核的流水線進行了重新設計，其中開先KX-5000系列處理器的整數流水線相比ZX-C大幅減少了分支預測失敗的開銷，同頻性能更強，並保持工作頻率不變,而核心面積和功耗僅略微增加。

此外，CPU的L1及內存訪問都實現了帶寬翻倍，並在末級緩存引入了先進的替換演算法，在相同緩存容量的情況下可大幅減少某些應用程序的緩存缺失率。同時，開先KX-5000系列處理器緩存的性能與容量均有了很大提升。在開先KX-5000系列的8核心處理器中，每4顆核心共享4MB緩存，總計擁有8MB緩存。

更值得一提的是，基於「五道口」架構的開先KX-5000系列處理器在架構上實現了與北橋的完全融合，使得其緩存數據的一致性直接在處理器內部就可以完成。這也就意味著處理器之間的交互不用再通過北橋，而是使用片內高速點對點直連網路互聯，降低了延遲並提高了帶寬，為將來更多核心的互聯提供了基礎（有點類似AMD處理器的ZEN架構）。

兆芯開先KX-5000系列採用BGA封裝，直接焊接在主板上，將原北橋部分的內存控制器、PCIe控制器、集成圖形核心全部整合在處理器內部。這款處理器採用28nm工藝生產，工作頻率在2.0GHz。

同時開先KX-5000系列處理器在內部整合了PCIe控制器、DDR4內存控制器，也使得它成為國產處理器中首款可以支持DDR4內存的產品。處理器可通過內部的高帶寬直連匯流排訪問內存、顯卡。其中內存訪問帶寬提升了1～2倍，能夠有效地發揮出DDR4內存的優勢，對於處理器多核及多線程應用有顯著的提升。

不過相對於國外產品，開先KX-5000系列處理器仍然存在不足，首要問題就是它仍採用較老的28nm工藝生產，因此這款處理器的工作頻率與ZX-C、ZX-C+系列處理器類似，最高頻率只能達到2.0GHz，與國外產品相比有明顯差距。其次也是由於工藝的影響，它的融合度並不高，僅僅只整合了原主板北橋功能部分，內部並沒有集成如USB控制器、SATA控制器這些南橋功能模塊，所以就電腦平台而言，它仍然需要搭配兆芯的ZX-200 IO擴展晶元才能正常使用。

兆芯也設計了配套的ZX-200 IO擴展晶元，可以提供多個PCIe、USB、SATA、M.2介面，既可作成主板上的晶元組，也可單獨設計成獨立擴展卡，插在普通主板上，為用戶提供更多的介面。

各款早期兆芯處理器與主板晶元組—其中ZX-A是兆芯最早的x86處理器，ZX-B採用與ZX-A相同的微架構，但在國內代工流片。開先ZX-C與ZX-C+系列四核心處理器採用了新一代微架構，是後期市場上的主力產品。型號為FC-1080的ZX-C+開勝處理器是一款面向伺服器的八核心處理器，而ZX-100S則是為以上CPU設計的配套主板晶元組。

兆芯ZX-C處理器的內部架構圖，四顆核心清晰可見。

16nm降臨

3.0GHz+高融合度打造更強中國芯

上海兆芯集成電路有限公司沒有因為眼前所獲得的一點成績停滯不前，而是繼續開啟高速研發模式，並最終在2018年推出了採用「陸家嘴」架構、代號ZX-E的開先KX-6000系列x86處理器。

與以往的兆芯處理器相比，開先KX-6000系列x86處理器最大的進步就是採用了先進的16nm生產工藝。更先進的生產工藝不僅帶來更小的晶體管面積，也預示著晶體管間電阻的降低，處理器工作電壓、電流更低，從而使驅動它們所需要的功率、產生的熱量也大幅減少，可以達到更高的工作頻率，並最終在開先KX-6000系列x86處理器上實現了3.0GHz的工作頻率，基本跟上了國外產品的步伐。

同時更小的晶體管面積也就意味著在相同空間下，處理器可以放入更多的功能模塊，因此在開先KX-6000系列x86處理器上，兆芯終於完成了「功能完全體」的設計。一顆處理器內不僅集成了內存控制器、PCIe 3.0控制器、DirectX 11顯示核心，還整合了USB、SATA控制器、HD AUDIO音頻晶元、視頻編解碼器、HDMI/DP視頻輸出模塊。

藉助16nm生產工藝，開先KX-6000系列x86處理器不僅集成了內存控制器、PCIe 3.0控制器、DirectX 11顯示核心，還整合了USB、SATA控制器、HD AUDIO音頻晶元、視頻編解碼器、HDMI/DP視頻輸出模塊,無需主板晶元組，是一個真正意義上的單晶元解決方案。

也就是說，根本無需主板晶元組，只要一顆處理器就可提供一台電腦主要需要的各類介面、功能。這一步可以說已經走在了英特爾、AMD兩大國外處理器廠商的前面，畢竟現在絕大部分英特爾、AMD桌面級處理器都不具備I/O功能，電腦還必須搭配主板晶元組才能正常工作。

兆芯可獨立完成處理器以及配套的圖形處理器、晶元組三大部分的研發設計。

具體規格方面，開先KX-6000系列x86處理器提供了16條PCIe 3.0通道，兩個SATA 3.0介面、2個USB 3.1 GEN1與4個USB 2.0介面，已經可以保證電腦連接各類擴展設備。當然如果用戶需要更強大的擴展能力，也可考慮搭配兆芯ZX-200 IO擴展晶元，該晶元可以提供額外的PCIe通道、USB 3.1 GEN2介面，以及SATA 3.0、M.2等多個介面。

型號為ZX C960的內置顯示核心雖然只支持到DirectX 11 API，但它具備4K視頻（H.264、H.265）解碼的能力，足以滿足一般辦公、影音播放。此外在前輩開先KX-5000系列處理器的基礎上，開先KX-6000系列x86處理器強化了內存控制器的性能，最高可支持雙通道DDR4 3200內存，從而為系統提供更高的內存帶寬、更低的訪問延遲。

由於開先KX-6000系列x86處理器仍處在工程測試階段，因此現在暫時只曝光了一個型號——兆芯開先KX-U6880，其工作頻率就是3.0GHz。根據技術資料顯示，這一款處理器的性能已經可以與第七代酷睿處理器，採用4核心4線程設計的Core i5-7400匹敵，那麼事實是否如此呢？

兆芯開先KX-U6880處理器實際產品展示

由於開先KX-U6880處理器目前還處於工程測試階段，並未上市，因此上海兆芯集成電路有限公司只展示了一台樣機，我們暫時還無法見到處理器的真身，不過從這台樣機內部的構成，我們已經可以基本證實兆芯開先KX-U6880處理器的一些主要特性。

首先可以看到這台主機的主板就與其他主板明顯不同——儘管它提供了PCIe、PCI、M.2插槽，但主板上卻顯得非常「空曠」，主板上沒有晶元組，同樣也就沒有與之匹配的散熱模塊，這也就證明這些擴展介面均是由兆芯開先KX-U6880處理器所提供。第二點目前兆芯開先KX-U6880處理器採用的是BGA封裝，處理器上只安裝了一個非常簡易的鋁製風冷散熱器，這顯示出處理器的發熱量並不高。

採用兆芯開先KX-U6880處理器的整機系統，打開側面板後，可以看到主板上沒有晶元組，顯得相當「空曠」。

同時主板上的處理器供電電路也顯得非常簡單，可以隱約看見散熱器下大概有三顆貼片電感，外部有幾顆一體式封裝的MOSFET，以及幾顆三洋SEPC固態電容，總之其處理器供電電路遠比一般普通主板簡潔，也凸顯出儘管目前兆芯還未公開開先KX-U6880處理器的TDP，但它的功耗肯定不會太高，所以對主板供電不會帶來太大的壓力，設計比較簡單。

處理器供電電路的設計也較為簡潔，凸顯出開先KX-U6880處理器的低功耗。

匹敵Core i5-7400，兆芯開先KX-U6880處理器性能實測

接下來作為中國最具影響力的大眾IT硬體媒體，《微型計算機》有幸獨家獲得了對兆芯開先KX-U6880處理器測試的機會，我們在現場將它的性能與Core i5-7400進行了對比。由於時間有限我們僅進行了部分測試與體驗。

首先從六項性能測試來看，相對Core i5-7400處理器，兆芯開先KX-U6880處理器在性能上顯然有明顯的優勢—它不僅在《魯大師》處理器基準性能測試中較Core i5-7400領先約12.5%，在實際的應用性計算中也擁有明顯的優勢。如在7-Zip壓縮與解壓縮性能測試上，兆芯開先KX-U6880處理器的速度比Core i5-7400快了7.7%，在使用相同4K片源將其轉碼為1080p H.264視頻時，兆芯開先KX-U6880的轉碼時間比Core i5-7400少用了多達13秒。

兆芯開先KX-U6880處理器的壓縮與解壓縮性能明顯領先Core i5-7400

值得注意的是，這段4K片源的片長僅42秒，在處理如此短的視頻時就能節約13秒的時間，在處理更長的視頻片源時，兆芯開先KX-U6880顯然還能帶為用戶節省更多的工作時間，從而有力提高工作效率。

值得注意的是，除了在Fritz Chess國際象棋算力測試這款體現處理器科學運算性能的測試中，兆芯開先KX-U6880擁有9.4%的領先幅度外，在TrueCrypt加密軟體的基準測試中，兆芯開先KX-U6880的AES演算法加解密速度相對於Core i5-7400也領先了10.3%。在使用複雜的AES-Twofish-Serpent級聯加密演算法時，其加解密速度領先幅度更提升到12.1%。這對於採用兆芯處理器的國內企事業單位來說顯然是一個重大利好，畢竟在這些涉密單位，採用中國自己產的處理器對機密文件進行加密、解密在安全性上更有保證。

兆芯開先KX-U6880處理器的各種演算法加解密速度均超過Core i5-7400

而現在對比國外同級產品，我們自己的處理器還擁有更快的加解密速度，也就意味著國產x86處理器不僅能提供更好的安全性，還能帶來更高的工作效率。在這些應用環境中，使用像兆芯開先KX-U6880這樣的處理器替代國外處理器完全是理所當然。

稍有落後的是，可能因為是工程版處理器的原因，在CINEBENCH R11.5處理器渲染性能測試中，兆芯開先KX-U6880的渲染速度還稍有落後，不過幅度不大，只有不到6%。

接下來我們還通過完美解碼播放器，體驗了兆芯開先KX-U6880處理器的視頻播放能力。而從測試結果來看，目前這款工程版產品已經具備非常不錯的硬解能力，不管是播放VC1還是x264編碼的影片，不管碼率有多高，兆芯開先KX-U6880處理器都可以硬解播放這些影片，即便碼率已經達到70Mb/s以上，其CPU佔用率也只有2%～5%。

在利用內置顯示核心播放高碼率視頻時，藉助硬體解碼功能，處理器的佔用率很低。

最後我們還在AIDA64系統穩定性測試里同時開啟處理器、FPU、CACHE烤機測試，測試採用兆芯開先KX-U6880處理器的平台在最高負載下的功耗。測試表明，在處理器待機狀態下，整個平台（不包括顯示器）的功耗在44W左右，處理器滿載後，平台最大功耗在105W左右，從而可推算出儘管頻率提升到3.0GHz，但開先KX-U6880處理器的TDP很可能仍保持在65W，16nm生產工藝帶來的優勢得以顯現。

兆芯開先KX-6000處理器支持多種操作系統，面向消費級應用。

同時對於注意運營成本的企事業單位來說，新一代的兆芯開先KX-U6880處理器顯然也交出了一份滿意的答案，即便在極端的滿負載環境下，它的功耗也只有100W出頭，就算是按105W這個滿載功耗計算，一台電腦每天工作8小時、市電資費0.8元/千瓦時的話，一台電腦每天產生的電費也就在0.67元左右，其運營成本是非常低的。

進步神速 正式版更值得期待

雖然MC只在有限的時間對新一代兆芯處理器開先KX-U6880進行了測試，測試產品也還是工程版產品，但從這款處理器的表現中，我們不難看出它能夠獲得中國國際工業博覽會絕對是實至名歸的。畢竟儘管我國處理器在專業、超算領域都有亮眼的表現，但在專註消費級應用的x86處理器領域，長時間以來都被國外兩家公司所壟斷。

僅僅只用幾年時間，兆芯就實現了在x86處理器技術上的大幅追趕。

除了上海兆芯集成電路有限公司外，幾乎沒有其他任何一家國內公司推出過完全擁有自主知識產權的x86處理器，原因無外乎就是難度太大，兩大對手的產品太強，企業難以很快在經濟上見到成效。

但值得稱讚的是，兆芯並沒有因為這種種的困難而放棄，畢竟從國家的角度來看，有些事情我們不能因為短期內不能產生巨大的效益就不做，如果有一天國外廠商對x86處理器的出口也設立種種刁難條款，如果貿易戰波及IT硬體領域，x86處理器價格大幅上漲（實際上近期已經發生，英特爾x86處理器價格猛漲的情況），更關鍵的是我們如何保證在涉密單位，乃至整個國內企業的電腦中盡量杜絕可能存在的後門、提升安全性，那麼發展自己的x86處理器就是最佳的選擇。

而從新一代兆芯開先KX-U6880處理器初露頭角的表現來看，毫無疑問是令人滿意的。從2015年還是採用傳統南北橋架構的ZX-C系列處理器，到現在可以匹敵Core i5-7400第七代酷睿、融合各類I/O功能、支持DDR4內存的兆芯開先KX-U6880處理器，我們僅僅用了幾年就大幅縮短了在x86處理器上的技術差距。

當然在單核處理器性能上我們肯定還存在差距，現在需要8打4才能與對手匹敵，但就兆芯現在如此高速的發展速度來看，我們完全可以充滿信心地期待在未來幾年，上海兆芯集成電路有限公司在處理器技術上能夠實現更多的突破。最後需要提及的是，本次測試的兆芯開先KX-U6880處理器也只是工程版產品，明年將會正式發布量產，工程師還在不斷測試、調優，並針對各類軟體進行優化，相信在最終量產時，這款處理器在性能上也會給我們帶來更多的驚喜。

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