自主指令架构取代Arm和x86，LoongArch的未来“野心”

在4月19日结束的第四届关键信息基础设施自主安全创新论坛上，龙芯中科董事长胡伟武对龙芯的自主指令系统架构LoongArch进行了深度解析，介绍了LoongArch的发展过程、自主与兼容性以及未来的计划。
 
自主指令架构的必要性
 
目前国内市场的CPU既有自主研发的、引进Arm等技术以及合资公司开发的，这其中龙芯的CPU产品自主性最强，但仍然面临着指令集架构和生产工艺受制于人的“卡脖子”问题。
 

龙芯中科认为自主体系建设包括三个环节，基于自主IP核的芯片设计、基于自主指令系统的软件生态和基于自主材料设备的生产工艺。而龙芯此前在自主IP核的芯片设计上取得了不菲的成绩，多款CPU已经完成了性能补课，逼近了市场主流的CPU。如今LoongArch的面世就是在CPU应用上做出的又一大努力。
 
LoongArch的兼容性
 
胡伟武还提到，指令系统是信创产业绕不过去的话题，我国不可能基于国外的指令系统建设自主信息产业生态。兼容指令系统虽然可以直接利用x86和Arm的现成软件生态，但因为x86不授权，而Arm的授权又存在严格限制，均会会阻碍自主基础软件的发展。
 
因此龙芯对LoongArch的定位是一个考虑兼容需求的自主指令系统，纪要摒弃过时技术做到当代指令集的先进性，又要兼容x86、MIPS和Arm指令系统的主要特点，同时在指令槽上留有余地，方便指令系统的未来持续演进。
 

LongISA与LongArch架构的对比 / 龙芯中科

 
过去的LoongISA指令集由MIPS拓展而来，MIPS上的通用软件生态也有龙芯的建设和维护。但龙芯随后发现MIPS的发展空间有限，便开发了近2000条指令的龙芯自主架构LoongArch。在相同的微结构和硬件下进行测试，LoongArch的动态指令数与MIPS相比减少了15%到20%，大幅提高了性能。
 
LoongArch通过对二进制翻译的支持，融合了x86、Arm、MIPS和RISC-V指令系统的主要功能，比如x86和Arm的EFLAG值模拟、RISC-V中丰富的同步指令等。借助高效的翻译引擎，龙芯引擎仅在翻译x86应用上实现了大于60%的性能，在翻译安卓Arm应用上，已经可以流畅运行移动版WPS和美图秀秀等应用。
 
龙芯二进制翻译系统LAT的设计目标为“十九八”，即翻译MIPS Linux应用做到目标效率100%，翻译Arm Android应用做到90%的效率，而x86的Linux/Windows应用动态翻译做到80%的效率（5%误差）。
 
LoongArch未来计划
 
龙芯已经委托第三方机构对LoongArch做知识产权的分析，目前已经完成国内部分，预计今年完成国际部分。未来龙芯还将组建LoongArch技术联盟，在联盟内免费开放LoongArch，以及部分Cortex A53以下性能的处理器IP核。同时龙芯将对LoongArch做简化处理，形成百条指令的小系统在高校范围内推广，取代RISC-V。
 
龙芯也会持续改进LoongArch二进制翻译的硬件支持和软件优化，力求借助二进制翻译在2025年消除各大指令系统之间的壁垒。龙芯还提到，2020年起流片的龙芯CPU均支持LoongArch，不再像过去一样支持已经趋于弱势的MIPS。
 
小结
 
LoongArch的出现无疑是国内自主指令集迈出的一大步，与去年“十九八七”的预定目标相比，龙芯今年再一次将目标提升至“十九八”。作为仍在不断完善的翻译系统，相信LoongArch未来必将彻底打破不同指令系统间的隔阂。
 
优秀的翻译系统对于软件生态来说至关重要，就拿苹果的macOS来说，M1芯片的Macbook通过Rosetta 2对过去x86的软件进行了转译，从而流畅运行兼容软件，这也省去了不少编译和二次开发工作。LoongArch与龙芯自主的IP核已经为自主体系的建设打通了两环，剩下的就是靠国内的生产工艺攻关了，龙芯自己用到的最高规格工艺已经达到12nm，未来想要进一步实现性能突破，先进工艺同样是不可或缺的。

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