龍芯芯片大功告成：指令集、芯片、方案實現全國產化！

2023-07-14 來源：作者：深圳市中電網絡技術有限公司

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指令集是計算機運行指令的集合，是一本計算機運行的“詞典”，也是CPU底層的核心技術之一。

在服務器市場和PC市場，x86指令集是絕對的主流。Counterpoint Research的調研數據顯示，2022年全球服務器市場上，x86指令集仍然是服務器CPU市場的主導，占到了91%左右。而根據IDC數據，2021年，國內x86服務器出貨量為382.0萬臺，在國內服務器市場中的占比高達 97.7%。

因此，x86指令集已經完全建立起了其軟硬件生態，應用廣泛，有較強的兼容性，商業回報也最為豐厚，從而能夠投入更多的研發資源，進一步提升CPU的性能，進而帶動商業生態繼續擴大。

ARM指令集是一種可以開放授權給任何一家CPU廠商的指令集。ARM公司通常將設計好的指令集和架構授權給CPU開發企業收取授權費用，但自身不直接參與CPU的開發和生產。

ARM指令集像手機的Android操作系統一樣開放，獲得授權的CPU廠商都可以基于ARM指令集設計自己需要的CPU。而且，ARM指令集CPU功耗低、能效比優秀，在移動端設備和消費電子類產品中廣泛應用。

在中國市場，intel+AMD的X86芯片至少占了國內PC市場90%以上的份額，ARM指令集芯片也占了國內移動終端市場95%以上份額。

市場被別人占住，帶來了另外一個問題，那就是被人卡住了脖子，一旦對方不授權給你了，怎么辦？

前段時間，ARM公司已經宣布不再向國內廠商提供ARM v9指令集的授權。ARM v9被視作自Armv8以來的重大變革，在AI與安全性能上均有大幅度升級，這使得國內很多使用ARM指令集的廠商都將面臨技術迭代斷檔的風險，這就是被卡住了脖子。

堅持自主研發創新，實現100%國產化

前車之鑒，后車之師。在頻頻被卡脖子之后，自主研發已然成為中國芯片產業發展中，一個迫切需要解決的問題，核心技術只有靠自身的研發投入，才能掌握在自己手中。而在這個領域里，龍芯中科一直是備受矚目的存在。

龍芯中科走的“授權+自研”指令集路線，確實將底層技術牢牢地掌握在了自己手中。

目前，龍芯中科是國內唯一基于自主指令系統構建、獨立于Wintel/AA的開放信息技術體系，和國內多數企業直接購買國外商業IP進行芯片設計、基于x86/Arm指令系統融入國外信息技術體系、依賴境外先進工藝提升性能的做法，是完全不同的。

龍芯在獲得MIPS指令集授權后，借鑒創新出LoongArch指令集。這可以簡單理解為指令集技術的“逆向工程”，先買別人的來研究仿制，再獨立開發，并一步步迭代。

這條路走得艱難，在沒有前人領路，只能“自學”的情況下，龍芯完成研究到獨立開發迭代。在性能方面，龍芯制程工藝達到12nm節點，性能逐步達到七八年前主流水平。這表明授權+自研指令集路線的CPU，雖然還沒有追上主流CPU的性能，已經取得了不小的進步。

龍芯中科處理器核心IP實現自主設計，依托于三大產品線，構建完整生態。龍芯中科通過完成自研指令系統、CPU和操作系統，龍芯中科打造獨立自主信息產業技術體系，在處理器核設計、高速互連設計、內存控制器設計、物理設計等核心技術取得多項專利。

在產品方面，龍芯中科研制的芯片包括龍芯1號、龍芯2號、龍芯3號三大系列處理器芯片及橋片等配套芯片，主要客戶是板卡、整機廠商。龍芯1號系列、龍芯2號系列主要面向工控類應用；龍芯3號系列主要面向信息化應用，其中部分面向高端工控類應用；配套橋片在工控類和信息化類領域均有應用。

龍芯CPU的產品布局分為三大系列：

龍芯1號是MCU(微控制器)，專門面向嵌入式應用。目前該部分產品在開放市場中的主要應用場景有跑步機、健步機、智能門鎖等。

龍芯2號是SoC(片上系統)，面向工控、終端應用，又可以細分為龍芯2K1000LA、龍芯2K2000、龍芯2K3000三大平臺，目前分別使用40nm、28nm、12nm工藝，同時結合具體引用，還可以定制專用的SoC。

龍芯3號是CPU(通用處理器)，面向桌面和服務器應用，也是多數人更熟悉的，搭配自研橋片(芯片組)形成雙芯片的解決方案。

該系列已經演進了三代，第一代是龍芯3A1000、龍芯3B1500，第二代是龍芯3A2000、龍芯3A3000，第三代則是龍芯3A4000、龍芯3A5000、龍芯3C5000。

龍芯自研芯片及相關應用案例介紹：

龍芯3A5000

龍芯3A5000是面向桌面和服務器等信息化領域的通用處理器，是首款采用龍芯指令系統（LoongArch）的處理器芯片。主頻為2.3GHz-2.5GHz，包含4個處理器核心。每個處理器核心采用64位超標量GS464V自主微結構，包含4個定點單元、2個256位向量運算單元和2個訪存單元。其關鍵IP源代碼均為自主編寫，芯片內置安全模塊。

龍芯3A5000集成了2個支持ECC校驗的64位DDR4-3200控制器，4個支持多處理器數據一致性的HyperTransport 3.0控制器。龍芯3A5000支持主要模塊時鐘動態關閉，主要時鐘域動態變頻以及主要電壓域動態調壓等精細化功耗管理功能。可廣泛適用于五軸數控機床、工業計算機、雙路服務器等場景。

應用案例：五軸數控機床

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該方案基于龍芯3A5000芯片，完成龍芯CPU+ Loongnix + Preempt-RT的核心底層平臺，并完成了五軸數控系統核心功能基于該平臺的移植與初步驗證，正在開展實時系統、 PLC子系統、總線協議棧、設備及軸管理、內核重構、 IDE編程調試軟件、 HMI軟件移植等完善提升。

龍芯3C5000

龍芯3C5000通過封裝集成了四個3A5000硅片，形成16核處理器，重點優化多核多路互聯效率主頻 2.2-2.5GHz，單芯片雙精度浮點峰值運算速度超過 0.5TFLOPS。單芯片unixbench分值9500以上，雙精度計算能力達560GFlops，16核處理器峰值性能與典型Arm 64核處理器的峰值性能相當，并支持最高16路互連，搭配新一代龍芯7A2000橋片，PCIe吞吐帶寬比上一代提升400%以上。可滿足通用計算、大型數據中心、云計算中心的計算需求。

應用案例：工業服務器

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（3C5000邊緣云可擴展服務器）

3C5000 多達16核、2.5GHz的主頻為實時數據庫、歷史數據庫、應用服務器、OPC服務器提供充沛的計算能力。可應用于工業生產現場、設備控制、實時監控、高性能高可靠運算等場景。

龍芯2K1000LA

龍芯2K1000是面向工業控制與終端等領域的低功耗通用處理器，片內集成兩個 64 位的雙發射超標量 LA264 處理器核，主頻 1GHz，功耗低至1~5W ，并支持動態降頻降壓，集成 GPU。芯片外圍接口包括兩路PCIE2.0、一路SATA2.0、4路USB2.0、兩路DVO、64位DDR3及其它多種接口。可廣泛適用于行業自助終端、數據網關、工業機器人、工業網關、PLC等領域。

應用案例：AI雙目識別一體機

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