龙芯彭飞：LoongArch 的自主与兼容

雷峰网按：2021 年 12 月 9 日-2021 年 12 月 11 日，2021 第六届全球人工智能大会（GAIR 2021）于深圳正式召开。历经五年，见证数次潮水的转向，成为目前为止粤港澳大湾区人工智能领域规模最大、规格最高的学术、工业和投资领域跨界盛会。

在大会第二天举办的“集成电路高峰论坛：国产高端芯片之路”上，汇聚来自学术界、产业界和投资界的 15 位大咖，共同探讨了国产高端芯片的实力以及 RISC-V 带给中国芯片的机会。

CPU 是一个复杂系统，在我们国家追求自主性的过程中，牵涉到三个维度的自主性，包括基于自主 IP 核的芯片设计、基于自主指令系统的软件生态，以及基于自主材料设备的生产工艺。

一个芯片里集成大量的 IP 核，IP 核是否自主设计是最基础的维度。指令集系统承载着软件生态，软件生态控制着产业体系，而产业体系是最大的卡脖子环节，基于国外指令集不可能发展自主的信息产业体系。由此，自主性显得十分重要。

彭飞指出，中国一定要下定决心构建独立于 Wintel 体系和 AA 体系之外的自主的信息技术体系和产业生态体系。

前两大生态体系——X86 的生态体系和 ARM 的生态体系——是美国主导的信息化生态体系，未来要有基于我国的指令系统、国产的操作系统形成的，和这两个生态体系平行的一套生态体系。

除了自主性，指令集的兼容性也很重要。龙芯中科基于二十年的CPU研制和生态建设积累推出的 LoongArch 指令系统，充分考虑兼容生态的需求，融合 X86、 ARM 等国际主流指令系统的主要功能特性，并依托龙芯研发团队在二进制翻译方面十余年的技术积累创新，可实现跨指令平台应用兼容，从而达到融合生态的目的。

以下是彭飞在 GAIR 2021 的演讲内容，雷峰网(公众号：雷峰网)进行了不改变原意的编辑整理：

今天从 CPU 的角度介绍一下基于指令集的国内发展现状。CPU 是一个复杂系统，在我们国家追求自主性的过程中，主要牵涉到三个维度的自主性：

1、自主 IP 核。

一个芯片会集成大量的 IP 核，CPU、GPU 仅是其中一个 IP 核，IP核是否能自主设计是考虑自主性最基础的维度。

2、基于自主指令系统的软件生态。

指令集是芯片对外的接口，同时是承载上面软件生态的体系基础。

过去，全世界基本上是基于两大生态体系：一是基于 Windows+Intel，X86 架构的产业生态体系；二是 AA 体系，就是ARM+Android，ARM 架构的产业生态体系，分别在桌面服务器、移动设备领域构建出了两大体系。我们国家要打造第三套信息化体系。

2020 年，龙芯中科正式推出了自主指令系统 LoongArch，不包括国外任何授权，是跟 X86、ARM 平行的指令系统。

3、自主材料的设备工艺自主性。

现在外界常说的“卡脖子”问题，“卡”得最严重的就是这个维度。为什么会出现这种情况？

可能有两方面原因：一是我国没有承接国外先进的产业转移。集成电路起源于美国，当集成电路生产，从美国向外产业转移的时候，有的转移到日本、转移到韩国，有的转移到我们国家的台湾，但没有转移到中国大陆。

另一个是过去国家集成电路设计相对比较薄弱，不能通过设计带动工艺的发展。不过，这几年我国芯片设计能力有了大幅提升，通过芯片设计带动整个工艺快速发展，从行业发展来看，虽然还有差距，但相信再过五到十年，这个差距可以补齐。

在 70 年代，美国硅谷的各种芯片蓬勃发展，当时芯片设计还不是美国一家独大，日本、欧洲、韩国都有芯片设计能力。Intel 曾在 70 年代向日本公司授权，让其采用兼容 Intel 的架构设计 CPU，这些 CPU 既便宜又好用，后来还反销到美国。1986 年，美国挥起了制裁的大棒。

回顾那段历史可以发现，美国制裁他国高端芯片的发展并不新鲜，历史在反复上演。为什么会出现这样的情况？

当时日本犯了一个最大错误，就是只重视 CPU 产品的研发，忽视生态主导权。如果一直做生态里某一款产品，会难以实现超越。因此，掌握生态主导权极其重要。

1982 年，NEC 生产的个人 PC 用的是 Intel 的芯片，1985 年换成了自研芯片，1986 年又换回去了。为什么？因为制裁失去了生态的主导权，这给我们很大的启示。

中国一定要下定决心构建自己的信息化生态体系，前两大生态体系，X86 的生态体系和 ARM 的生态体系是美国主导的信息化生态体系。希望未来基于我们自己的指令系统、国产操作系统形成和这两个生态体系平行的一套生态体系，它是产业的基础，在别人的基础上盖房子总是不牢靠的。

目前基于自主 CPU 的发展情况是怎么样？

左图是龙芯 3A5000 芯片结构图，这里每一个方块其实都是一个 IP，这些 IP 都是完全自主设计、自主演进，左下角罗列了芯片里面的 IP 核。

右上角反映了近十年自主 CPU 的发展速度，第一代 3A1000 跑分是 2-3 分，经过近十年的快速迭代，现在能达到 30 分（目前国际主流 CPU 跑分在 20-40 分之间）。右下角图片是芯片产业里性能提升的曲线，可以看到，前几年呈现线性快速增长，越往后增长越缓慢，龙芯CPU也即将达到性能增长的顶端。

指令集是信息产业绕不过去的话题，前面提到，我国不可能基于国外的指令系统构建自己的产业生态体系，就像中国人可以用英语阅读和写作，但是用英语构建我们国家的文化体系、构建民族文化是不可能的。

另一方面，应该如何考虑指令集的自主和兼容性？过去十几年，业界一直在争论这个问题，兼容性和自主性孰优孰劣？兼容有兼容的好处，可以直接利用现有生态里的软件产品，有现成的生态，一开始发展速度可能会快一些，但最大的问题是受制于人。

那么，我们能否做到既自主又兼容的指令系统？从龙芯过去二十年的发展来看，这是可以做到的，重点是要打造“3+3+3”的核心能力。一是三大编译器，GCC、LLVM、GOLANG。二是三个虚拟机，Java、JavaScript、.NET。三是三个翻译器，实现对 MIPS、X86、ARM 的二进制翻译，直接运行其应用软件。

目前，龙芯中科推出了自主指令系统 LoongArch ，包括基础架构部分和向量指令、虚拟化、二进制翻译等扩展部分，近2000条指令，是充分考虑兼容的指令系统。

LoongArch的特点主要表现在两个维度：一是用户态，二是核心态。LoongArch 是一个精简指令系统，32 位长指令、32 个通用寄存器、32 个浮点寄存器。用户态是给编译器、程序设计者使用。核心态在内存管理、控制寄存器的数量、规格都进行了大量的创新性设计，是符合现代操作系统的设计。

我们对 LoongArch 的性能进行了测试，在相同 IP下，一个用 MIPS 指令集，一个用 LoongArch 指令集，可以看到，动态指令数下降了 15% 到 20%，总体性能提升了 12% 左右。

LoongArch 指令系统能够支持二进制翻译，融合了 X86、ARM、MIPS、RISC-V 指令系统的主要功能特性。

自主指令系统的生态是如何构建的。龙芯中科推出了二进制翻译器，又称 LAT 翻译体系。最底层是 LoongArch 架构的芯片，再往上是操作系统，操作系统往上有几个维度：基于 LoongArch 的原生 Linux 应用，比如说本地化的办公、音视频的应用。

同时，龙芯中科推出了三个翻译器 ：MIPS 应用往 LoongArch 上翻译，ARM应用 往 LoongArch上翻译，X86应用 往 LoongArch 上翻译，未来希望能够做到：从MIPS 翻译过来百分之百性能不损失，从ARM 翻译过来90% 性能不损失，从X86 翻译过来做到 80%的性能不损失。

目前，Photoshop、微信、一些游戏都可以在国产平台上很好地运行，生态是有保障的，包括一些主流的 Linux 应用框架都可以原生支持。国产操作系统厂商统信和麒麟也都推出了对应的国产操作系统版本。

关于 LoongArch 平台的 AI 计算，龙芯中科构建了全域异购 AI 硬件支撑体系，龙芯 CPU +GP GPU、龙芯CPU+ASIC、龙芯CPU+FGPA分别应用于通用 AI 计算和专用AI计算。软件方面，龙芯中科构建多层级AI软件生态体系，包括系统支撑、计算框架、算法模型层级，AI 领域有完整的解决方案。

目前围绕龙芯中科的产业合作伙伴已经有上千家，通过一系列的措施，包括标准建设、开源软件建设、解决方案提供、安全体系、产品认证、人才培养、出版书籍等，从多个维度构建 LoongArch 产业生态体系。

同时，LoongArch 正在构建技术产业联盟，在联盟里与产业合作伙伴实现知识产权的共享，一起打造一套生态。希望在2025年消除指令系统之间的壁垒。

谢谢大家。

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