龍芯中科成功發(fā)布新一代自主指令集 我國芯片系統(tǒng)架構(gòu)開啟新紀(jì)元

近期，龍芯中科發(fā)布了新一代自主指令系統(tǒng)架構(gòu)——龍芯架構(gòu) （LoongArch）。據(jù)了解，該系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)通過國內(nèi)第三方知名知識產(chǎn)權(quán)評估機(jī)構(gòu)的評估。支持該架構(gòu)的龍芯3A5000處理器芯片已經(jīng)流片成功。基于新架構(gòu)的完整操作系統(tǒng)也已經(jīng)在3A5000計(jì)算機(jī)上穩(wěn)定運(yùn)行。龍芯中科指令集的開發(fā)成功為我國系統(tǒng)架構(gòu)開啟了新的紀(jì)元，對于產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系的建設(shè)和完善產(chǎn)生巨大的助力。

不能在別人的地基上砌房子

在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域，指令系統(tǒng)是一切軟硬件生態(tài)的起點(diǎn)。其中，ARM和X86最為人們所熟知，它們分別隸屬于RISC精簡指令集和CISC復(fù)雜指令集。隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G、AI新興領(lǐng)域的興起，RISC-V和MIPS兩大精簡指令集架構(gòu)也頻繁地出現(xiàn)在人們的視野內(nèi)。

近年來，盡管本土芯片都在各自領(lǐng)域取得了不俗的成績，但其底層的指令集根基往往掌握在別人手里。例如，華為麒麟采用的是ARM架構(gòu)、兆芯所采用的是X86架構(gòu)、申威采用的是Alpha架構(gòu)、龍芯所采用的是MIPS架構(gòu)。這導(dǎo)致了芯片和指令集之間，往往是“一榮俱榮，一損俱損”。MIPS最初開發(fā)的目的是面向注重速度和性能的高性能計(jì)算，在功耗和面積上有所欠缺，商業(yè)化后存在一定不足，一度導(dǎo)致采用MIPS架構(gòu)的龍芯芯片發(fā)展滯后。

“若想尋求長遠(yuǎn)發(fā)展，我們不能基于國外指令系統(tǒng)建設(shè)自主的信息生態(tài)體系。這就好比，我們不能在別人的地基上砌房子，那樣的房子，就算建好了，也沒有自主權(quán)。”龍芯中科技術(shù)有限公司董事長、中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研究員胡偉武說道。

因此，發(fā)展本土自主可控的指令集，成為了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，也是打破核心技術(shù)壟斷的關(guān)鍵。賽迪智庫分析師鐘新龍認(rèn)為，此次龍芯推出自主指令架構(gòu)，最大的突破在于擺脫了MIPS的束縛。如今，MIPS已不適應(yīng)現(xiàn)代CPU高性能設(shè)計(jì)，以及高性能操作系統(tǒng)的架構(gòu)體系，因此，若想更好地對CPU性能進(jìn)行提升，需要對指令集系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)較大的調(diào)整和性能的提升。據(jù)悉，此次發(fā)布的龍芯架構(gòu)，在仿真測試中，僅僅在CPU譯碼部分，就比MIPS的性能增加了16%。

兼容并濟(jì)是市場競爭關(guān)鍵

盡管打造一套本土自主可控的指令集異常關(guān)鍵，然而，若想在ARM、X86、RISC-V以及MIPS所壟斷的市場中尋找生存機(jī)遇，如何能夠兼容不同的指令集也是最為關(guān)鍵的一環(huán)。胡偉武表示，如果把C語言、JAVA語言等直接翻譯成新的指令系統(tǒng)，不僅會降低效率，還會使產(chǎn)品性能大幅降低。

此次新推出的龍芯架構(gòu)最大的特點(diǎn)不僅僅在于自主性，而是在具備自主性的同時(shí)，也可以兼容其他主流指令集。這是本次發(fā)布指令集的一大突破。胡偉武表示，此次推出的龍芯架構(gòu)包括基礎(chǔ)架構(gòu)部分，以及向量擴(kuò)展LSX、高級向量擴(kuò)展LASX、虛擬化LVZ、二進(jìn)制翻譯LBT等擴(kuò)展部分，總共接近2000條指令，同時(shí)不包含龍芯此前使用的MIPS指令系統(tǒng)。

可見，此次推出的龍芯架構(gòu)從整個(gè)架構(gòu)的頂層規(guī)劃，到各部分的功能定義，再到細(xì)節(jié)上每條指令的編碼、名稱、含義，在架構(gòu)上進(jìn)行了自主重新設(shè)計(jì)，具有充分的自主性，同時(shí)也能兼容多種主流指令系統(tǒng)。

據(jù)胡偉武介紹，若想做到指令集既自主又兼容，需要滿足三點(diǎn)基本要求：第一，先進(jìn)性，需要企業(yè)不斷吸收近年來指令集發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)成果，并適度摒棄一些“過時(shí)”的技術(shù)特征。第二，兼容性，需要融合X86、MIPS、ARM指令系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，高效支持二進(jìn)制翻譯。第三，擴(kuò)展性，指令槽需要留有余地，有利于日后的持續(xù)演進(jìn)。

建立既自主又兼容的指令集并非易事。盡管本土指令集需要本著“不能在別人的地基上砌房子”的初心，但是也需要保證在擁自己的“地基”后，讓更多人來“砌房子”。兼容并濟(jì)，海納百川，是本土指令集立足于市場，參與競爭的關(guān)鍵一環(huán)。

消除指令系統(tǒng)間的壁壘

在打造既兼容又自主的系統(tǒng)生態(tài)過程中，消除指令系統(tǒng)壁壘是本土指令集順利發(fā)展的又一大因素。胡偉武表示，目前，本土指令集的自主性相對還處于過渡性的階段。本土指令集需要發(fā)展自己的應(yīng)用，建立自主生態(tài)；與此同時(shí)，需要先消除指令系統(tǒng)間的壁壘。而消除的關(guān)鍵在于二進(jìn)制的翻譯。

據(jù)悉，二進(jìn)制翻譯本質(zhì)上是一種跨指令系統(tǒng)的虛擬機(jī)，支持虛擬機(jī)的很多基礎(chǔ)設(shè)施在二進(jìn)制翻譯體系中可以復(fù)用。然而，它的技術(shù)挑戰(zhàn)也非常大，實(shí)現(xiàn)精確翻譯的復(fù)雜度高且工作量大，并且不易控制。

“二進(jìn)制翻譯不僅需要翻譯指令，還需要翻譯整個(gè)體系結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，不同體系的語義會產(chǎn)生一定的鴻溝，除指令集以外，像ABI、函數(shù)庫、操作系統(tǒng)、工具鏈以及應(yīng)用層等，體系結(jié)構(gòu)都有些許差異，都會給翻譯造成一定困難。就好比我們的語言，最基本的字、單詞、發(fā)音都是統(tǒng)一的，但若匯編成成語、書籍、歌曲等，需要不同的字詞結(jié)構(gòu)組合，且相互之間難以直接關(guān)聯(lián)，對于系統(tǒng)架構(gòu)來說也是如此。”胡偉武說道。

因此，胡偉武認(rèn)為，在未來，國產(chǎn)指令集在消除指令壁壘的過程中，可以嘗試通過硬件支持不斷深入消除壁壘。例如，晶體管、CPU等性能的提升。此外，也可以采用一些特殊的二進(jìn)制翻譯方式來縮小鴻溝，而這也是行業(yè)內(nèi)普遍采用的手段之一。

“以語言翻譯為例，若是從繁體中文翻譯成簡體中文，這個(gè)翻譯非常簡單，但是如何把英文翻成中文，這個(gè)就相對較難。因此，可以選擇語義鴻溝較小的架構(gòu)來作為過渡，例如，X86和MIPS語義鴻溝確實(shí)比較大，二者之間相當(dāng)于英文和中文之間的翻譯，難度較高，但是X86與龍芯之間的語義鴻溝較小，有2/3的指令翻譯相當(dāng)于從繁體中文翻譯成簡體中文。雖然最終目標(biāo)是建立自己的生態(tài)體系，但是在發(fā)展過程中，可以借助其他指令集來進(jìn)行過渡。這樣不僅可以減少客戶因更換指令集而帶來的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也能以最快的速度有效減少指令壁壘。”胡偉武說道。

可見，設(shè)計(jì)出新的自主指令集只是萬里長征的第一步，未來需要不斷完善軟硬件生態(tài)，消除指令系統(tǒng)壁壘，讓原始的系統(tǒng)、辦公、娛樂和游戲程序都能正常地運(yùn)行在新的指令集之上。否則，指令集和相關(guān)芯片只能成為空中樓閣，無法真正落地。