在4月19日結(jié)束的第四屆關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施自主安全創(chuàng)新論壇上，龍芯中科董事長(zhǎng)胡偉武對(duì)龍芯的自主指令系統(tǒng)架構(gòu)LoongArch進(jìn)行了深度解析，介紹了LoongArch的發(fā)展過(guò)程、自主與兼容性以及未來(lái)的計(jì)劃。

自主指令架構(gòu)的必要性

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的CPU既有自主研發(fā)的、引進(jìn)Arm等技術(shù)以及合資公司開(kāi)發(fā)的，這其中龍芯的CPU產(chǎn)品自主性最強(qiáng)，但仍然面臨著指令集架構(gòu)和生產(chǎn)工藝受制于人的“卡脖子”問(wèn)題。

龍芯中科認(rèn)為自主體系建設(shè)包括三個(gè)環(huán)節(jié)，基于自主IP核的芯片設(shè)計(jì)、基于自主指令系統(tǒng)的軟件生態(tài)和基于自主材料設(shè)備的生產(chǎn)工藝。而龍芯此前在自主IP核的芯片設(shè)計(jì)上取得了不菲的成績(jī)，多款CPU已經(jīng)完成了性能補(bǔ)課，逼近了市場(chǎng)主流的CPU。如今LoongArch的面世就是在CPU應(yīng)用上做出的又一大努力。

LoongArch的兼容性

胡偉武還提到，指令系統(tǒng)是信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)繞不過(guò)去的話題，我國(guó)不可能基于國(guó)外的指令系統(tǒng)建設(shè)自主信息產(chǎn)業(yè)生態(tài)。兼容指令系統(tǒng)雖然可以直接利用x86和Arm的現(xiàn)成軟件生態(tài)，但因?yàn)閤86不授權(quán)，而Arm的授權(quán)又存在嚴(yán)格限制，均會(huì)會(huì)阻礙自主基礎(chǔ)軟件的發(fā)展。

因此龍芯對(duì)LoongArch的定位是一個(gè)考慮兼容需求的自主指令系統(tǒng)，紀(jì)要摒棄過(guò)時(shí)技術(shù)做到當(dāng)代指令集的先進(jìn)性，又要兼容x86、MIPS和Arm指令系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，同時(shí)在指令槽上留有余地，方便指令系統(tǒng)的未來(lái)持續(xù)演進(jìn)。

LongISA與LongArch架構(gòu)的對(duì)比 / 龍芯中科

過(guò)去的LoongISA指令集由MIPS拓展而來(lái)，MIPS上的通用軟件生態(tài)也有龍芯的建設(shè)和維護(hù)。但龍芯隨后發(fā)現(xiàn)MIPS的發(fā)展空間有限，便開(kāi)發(fā)了近2000條指令的龍芯自主架構(gòu)LoongArch。在相同的微結(jié)構(gòu)和硬件下進(jìn)行測(cè)試，LoongArch的動(dòng)態(tài)指令數(shù)與MIPS相比減少了15%到20%，大幅提高了性能。

LoongArch通過(guò)對(duì)二進(jìn)制翻譯的支持，融合了x86、Arm、MIPS和RISC-V指令系統(tǒng)的主要功能，比如x86和Arm的EFLAG值模擬、RISC-V中豐富的同步指令等。借助高效的翻譯引擎，龍芯引擎僅在翻譯x86應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)了大于60%的性能，在翻譯安卓Arm應(yīng)用上，已經(jīng)可以流暢運(yùn)行移動(dòng)版WPS和美圖秀秀等應(yīng)用。

龍芯二進(jìn)制翻譯系統(tǒng)LAT的設(shè)計(jì)目標(biāo)為“十九八”，即翻譯MIPS Linux應(yīng)用做到目標(biāo)效率100%，翻譯ArmAndroid應(yīng)用做到90%的效率，而x86的Linux/Windows應(yīng)用動(dòng)態(tài)翻譯做到80%的效率（5%誤差）。

LoongArch未來(lái)計(jì)劃

龍芯已經(jīng)委托第三方機(jī)構(gòu)對(duì)LoongArch做知識(shí)產(chǎn)權(quán)的分析，目前已經(jīng)完成國(guó)內(nèi)部分，預(yù)計(jì)今年完成國(guó)際部分。未來(lái)龍芯還將組建LoongArch技術(shù)聯(lián)盟，在聯(lián)盟內(nèi)免費(fèi)開(kāi)放LoongArch，以及部分CortexA53以下性能的處理器IP核。同時(shí)龍芯將對(duì)LoongArch做簡(jiǎn)化處理，形成百條指令的小系統(tǒng)在高校范圍內(nèi)推廣，取代RISC-V。

龍芯也會(huì)持續(xù)改進(jìn)LoongArch二進(jìn)制翻譯的硬件支持和軟件優(yōu)化，力求借助二進(jìn)制翻譯在2025年消除各大指令系統(tǒng)之間的壁壘。龍芯還提到，2020年起流片的龍芯CPU均支持LoongArch，不再像過(guò)去一樣支持已經(jīng)趨于弱勢(shì)的MIPS。

小結(jié)

LoongArch的出現(xiàn)無(wú)疑是國(guó)內(nèi)自主指令集邁出的一大步，與去年“十九八七”的預(yù)定目標(biāo)相比，龍芯今年再一次將目標(biāo)提升至“十九八”。作為仍在不斷完善的翻譯系統(tǒng)，相信LoongArch未來(lái)必將徹底打破不同指令系統(tǒng)間的隔閡。

優(yōu)秀的翻譯系統(tǒng)對(duì)于軟件生態(tài)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，就拿蘋果的macOS來(lái)說(shuō)，M1芯片的Macbook通過(guò)Rosetta 2對(duì)過(guò)去x86的軟件進(jìn)行了轉(zhuǎn)譯，從而流暢運(yùn)行兼容軟件，這也省去了不少編譯和二次開(kāi)發(fā)工作。LoongArch與龍芯自主的IP核已經(jīng)為自主體系的建設(shè)打通了兩環(huán)，剩下的就是靠國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)工藝攻關(guān)了，龍芯自己用到的最高規(guī)格工藝已經(jīng)達(dá)到12nm，未來(lái)想要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)性能突破，先進(jìn)工藝同樣是不可或缺的。

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