龙芯和飞腾新品即将面世 新一代“中国芯”如何？

　　据公开消息，龙芯和飞腾最新的产品都与去年年底开始流片，也就是说，新产品即将与国人见面。那么，在飞腾的ARM芯片和龙芯3A3000即将完成流片之时，笔者将从自主知识产权、裸CPU性能和软件方面对飞腾和龙芯上一代产品——飞腾1500A和龙芯3A2000做一个对比，特别是之前有媒体对比龙芯3A2000和飞腾1500A总体上比较客观，但在局部也有一些纰漏，笔者趁机在此做一下修正。

　　

　　|先从自主知识产权谈起

　　检验自主可控的标准——信息安全不受制于人，产业发展不受制于人。因此，这就必须做到具有指令集的发展权、微结构是自主设计、利润不受制于人等要素。

　　指令集的发展权

　　龙芯的指令集是loongISA，共有共1907条指令。

　　源自MIPS：

　　216条MIPS基础指令，获得永久授权。

　　311条DSP指令，获得永久授权。

　　自主指令：

　　MIPS基础指令扩展——148条loongEXT，

　　虚拟机扩展——5条loongVM指令，

　　二进制翻译扩展——213条loongBT，

　　向量指令扩展——1014条loongSIMD

　　显而易见，龙芯获得的是永久授权，并拥有自行扩展指令集的权力。另外龙芯还就此申请了100+专利。而在MIPS公司破产后，被Imagination收购，虽然在嵌入式芯片方面有P5600这样的产品，但至今却未曾开发高性能CPU，有步惠普收购康柏进而获得Alhpa的后尘之趋势。

　　这直接导致龙芯是MIPS阵营里唯一的高性能CPU，加上龙芯不失时机的向开源组织捐献了一批机器，致使一些开源软件以龙芯作为MIPS的代表做适配。

　　因此，在Imagination发展力度小+龙芯获得MIPS永久授权+自行扩展指令且申请专利+开源软件针对龙芯做适配，共同导致龙芯在指令集上受MIPS的钳制已然微乎其微，基本可以为认为走上了单飞的道路。

　　而国内ARM阵营IC设计公司仅仅能购买ARM64指令集，而无法买到ARM32位指令集授权，而且ARM64指令集授权期限为5年，没有自主扩展的权力，也仅仅能用于设计服务器芯片。

　　微结构是否自主设计

　　龙芯3A2000的微结构是GS464E，芯片代码均自主设计，除标准单元和Memory Compiler生产的RAM之外，不存在第三方IP。

　　而飞腾1500A的微结构是ARM Cortex A57。由于芯片的安全性、性能、功耗很大程度上取决于微结构，因此很难说飞腾1500A符合安全可控和自主知识产权的要求。当然，也有网络消息称飞腾1500A用的是飞腾自主设计的“小米”，与“火星”、“地球”是同一个微结构，但笔者认为此消息为谣传，具体原因在下文分析。

　　利润不受制于人

　　购买ARM指令集授权的价格非常昂贵，据笔者了解仅仅ARM64指令集每5年的授权费就高达上千万美元乃至近亿美元。而恰恰是如此高昂的授权费致使由U.C. Berkeley等几个大学推出RISC-V指令集，Google、惠普、Oracle、西部数据等公司成立RISC-V基金会的原因——

　　RISC-V指令集是一个没有专利问题和没有历史包袱的全新指令集，并且以BSD许可证发布。任何公司都可以在自己的产品中免费使用，而修改也无需再开源。

　　购买ARM IP核授权，比如ARM的A53或A57，集成自己的SOC，这种做法虽然能依附于AA体系，有利于市场化运营，能赚快钱，但在利润方面也被外商控制。因为在购买IP要支付授权费，每生产一片芯片还要支付专利费。而且每个环节做什么，有多少利润，在AA体系中已经形成潜规则，国内IC设计公司依附于AA体系基本上沦为外商的马仔。这也是国内ARM阵营IC设计公司虽然营业收入不低，但利润普遍不高的原因之一。相比之下，龙芯不仅不需要向MIPS公司购买IP，反而可以对外出售IP，海信、海尔就向龙芯购买了200万套IP用于智能家电和机顶盒。

　　下图为懒人包，简要概括了龙芯3A2000和飞腾1500A在知识产权方面的差别。

　　

　　飞腾1500A的微结构是A57

　　有网络消息称飞腾1500A用的是飞腾自主设计的“小米”，与“火星”、“地球”是同一个微结构，不过笔者认为此消息为谣传，主要有以下几点：

　　1、时间上来不及

　　众所周知，如果一款CPU从头开始设计，研发周期一般要3年，而如果像海思、展讯那样购买ARM的IP授权做集成，研发周期也要1年至2年，而飞腾在购买ARM 64位指令集授权后，不到2年的时间里就拿出了飞腾1500A，就开发周期来看，飞腾1500A这款芯片很有可能是直接采用ARM Cortex A57。

　　2、飞腾1500A与“火星”的SPEC2006测试成绩差距过大

　　根据第三方测试，飞腾1500 spec06测试的整数为10（@1.8G），换算一下就是5.5/G，而根据飞腾在2015年的发布后上公布的消息，“小米”的测试结果是9.6/G，虽然不谈测试环境的SPEC测试跑分都是耍流氓——因为不同的测试环境的原因，SPEC测试分数会有一定浮动，但74.5%的跑分差距实在过于骇人——即便是技术实力强如Intel，在拥有ICC的神优化，以及向量指令优化等因素的情况下，也只能是自己CPU的spec06测试整数跑分增加40%。因此，笔者认为飞腾1500A的微结构并非“小米”。

　　3、时间对不上

　　据公开消息，飞腾1500A在2014年流片，2015年与体制内单位签订的合同标为1000万元，而“小米”和“火星”目前还依旧在流片。在发布会上，火星的SPEC06测试也只有模拟器成绩，而非实物。

　　4、ARM在指令集授权中会配套一个内核

　　虽然飞腾和ARM的合同上没有购买IP内核授权的内容，但由于ARM在做指令集授权的时候都会给出配套的一个内核参考。因此，有人以合同没写明购买IP核，所以飞腾1500A的微结构为自主设计的辩解无法成立。

　　当然以上都是笔者的猜测。鉴于飞腾1500A已经商用，希望飞腾能公开飞腾1500A的用户手，提供内部寄存器等定义资料。效法龙芯将CPU的用户手册和技术资料放在网上供国人自由下载，以打消国人的疑惑。

　　| 裸CPU性能指标对比

　　裸CPU性能将用单线程性能、多线程性能以及访存性能等主要指标进行对比。

　　单线程性能

　　龙芯3a2000的微结构为GS464E，根据中电集团的报告显示：

　　龙芯GS464E在使用GCC4.8编译器跑分为：整数768/G、浮点1153/G；

　　龙芯GS464E使用LCC编译器跑分为：整数828/G、浮点1578/G。

　　而龙芯的主频恰恰为1G，因此，GCC4.8编译器跑分为：整数768、浮点1153；LCC编译器跑分为：整数828、浮点1578。

　　

　　而因为测试环境不同，ARM Cortex A57的测试分数则比较多，华为在麒麟950发布会上就给出A57 Spec2000整数跑分780/G的测试成绩。

　　

　　而根据国外网站对三星7420的实测，笔者将12项测试成绩累乘，再开12次方后得到分值为1376.8分，再除以7240中A57 2.1G的主频，得到跑分为655/G。而根据另一个测试，A57的测试跑分甚至不足600/G，浮点跑分为700+/G。

　　这些测试分数差距的原因就在于不同的测试环境——毕竟开启auto parallel会将原本单线程执行的程序并行化给多个处理器执行，导致SEPC2006整数分数增益。另外，编译器的不同，是否定制编译优化策略等都会对跑分结果造成很大影响。

　　考虑到华为公布的SPEC分数一向偏高——华为公布的A72 spec2000 整数跑分为820/G，而根据国外网站实测，麒麟950的实测成绩，A72 spec2000 整数跑分为749/G。笔者猜测，华为公布的A57 spec2000 780/G， A72 spec2000 820/G，A57 spec2006 6/G，A72 spec2006 6.7/G很有可能是使用ARMCC编译器，并在最优测试环境下，得出的结果。

　　

　　另外，就某网文中的SPEC06测试成绩而言，A57 sepc06 整数5.5/G，GS464E sepc06 整数6.5/G都并非在最优环境下测试的分数。根据华为公布的数据，A57 sepc06整数为6/G，A72为6.7/G。据笔者了解，龙芯GS464E sepc06整数最优环境下测试成绩为7.5/G。

　　因此，笔者选择一个适中的测试跑分：整数655/G，浮点分数因为华为和国外网站都没有公布跑分，笔者以上图测试中的700+/G适当上浮。飞腾1500A的主频为1.8G，那么最后的测试结果为整数1179，浮点1300+。

　　很显然，虽然GS464E强于A57，但由于飞腾1500A在主频上比龙芯3A2000高80%，使得最终在整数跑分上，龙芯3A2000即便使用LCC编译器测试成绩，面对飞腾1500A依旧略逊一筹。

　　多线程性能和访存性能对比

　　在同使用GCC编译器下，飞腾1500A（@1.8GHz）SPEC CPU 2000 rate成绩为：整数41.5，浮点34.

　　而龙芯3A2000（@1GHz）的成绩为：整数30.9，浮点43.9。

　　在使用LCC编译器后龙芯3A2000（@1.0GHz）整数34，浮点60.7。

　　很显然，龙芯3A2000虽然在主频上处于劣势而导致在整数上低于飞腾1500A，但在浮点性能上却异常强悍。

　　至于访存性能，则如下图，优劣一目了然。

　　飞腾1500A （1.8GHz，四核） VS. LS-3A2000 （1.0GHz，四核）：

　　

　　| 软件生态情况

　　龙芯和飞腾在软件生态上选择了完全不同的道路：龙芯选择尝试主导生态建设，并在软件上投入了很多精力。而飞腾选择兼容ARM生态，采取跟随ARM产业生态的策略。

　　操作系统

　　国内支持龙芯的操作系统有中标麒麟、普华软件、深度软件、开源社区（Fedora、CentOS、Debian、Loongnix社区版），国内支持飞腾的操作系统有中标麒麟和Ubuntu。

　　办公软件

　　实际测试显示，在政府机关使用最为广泛的办公软件上，使用龙芯3A2000打开一个1M的word文件，需要2秒，而使用飞腾1500A则需要3秒；打开一个10M的word文件，龙芯3A2000需要3.5秒，而飞腾1500A需要8.2秒。在PPT的使用上，龙芯也处于优势，打开同样一个PPT，龙芯3A2000所消耗的时间几乎只有飞腾1500A的一半。不过，在电子表格上飞腾具有优势，特别是在打开20M的电子表格的情况下优势异常明显。

　　

　　JAVA虚拟机

　　JAVA虚拟机（JDK）是服务器上的重要平台软件。飞腾的JAVA虚拟机依赖于国外的开源软件代码，国内没有开发团队，一旦出现深层次问题无法维护。

　　龙芯在JAVA虚拟机有核心开发队伍，并为开源社区贡献8.4万行代码，累计已解决8个在X86平台同样存在的JAVA共性问题，经过实际用户检验，能够保证企业级的稳定性。

　　浏览器

　　浏览器是桌面操作系统上的重要平台型软件。ARM的浏览器（Chrome、Firefox）国内没有专业开发团队，飞腾则因为跟随策略在此碰壁。

　　龙芯在两大浏览器（Chrome、Firefox）平台有专门开发团队，而且做了大量工作：

　　在HTML5、WebGL、WebRTC、Flash以及各类插件上有着专业支持；

　　在Firefox浏览器社区，龙芯是ionMonkey开发的重要力量；

　　在Chrome社区，龙芯是社区的全球14家主要成员厂商之一，是JS引擎的核心开发厂商，累计向社区贡献4万行代码，因此龙芯在JS引擎性能对比上自然可以获得更大的优势，具体性能对比如下图：

　　

　　从实际测试结果中可以看出，虽然在性能上龙芯3A2000和飞腾1500A差距不大，但龙芯却能在JS引擎性能对比上大幅优于飞腾，其原因就在于软硬件整合优化——用户最终的体验是软件+硬件，相对于飞腾在软件上跟谁ARM，只能是别人给你什么，你用什么，而龙芯则恰恰相反，选择了自建生态，这使得龙芯可以获得软硬件磨合优化的机会。

　　正如数年前那个CPU性能相对有限的时代，苹果能依靠基于FreeBSD/Unix二次开发的IOS，基于ARM的授权修改/开发CPU，使苹果可以对自己开发的CPU和操作系统进行系统优化，并依靠软硬件优化取得优于安卓用户体验。同理，在国产CPU性能普遍不强的当下，对软件的优化和软硬件磨合相对于硬件上5%—10%的提升更为关键。因此，相对于党政军办公常用的软件和用户体验而言，龙芯相对于飞腾的优势，则如同早年苹果相对于安卓的优势。

　　| 结语

　　可以看出，在硬件方面，飞腾得益于主频比龙芯高80%，因而在整数上具有优势；而龙芯的浮点性能指标颇为亮眼；在访存性能上，龙芯则有很大的优势。在软件上，虽然飞腾可以跟随ARM产业生态发展，傍上了ARM这个大款，但就党政军办公而言，龙芯相对于飞腾更有优势。