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09-03 2021

从必然王国到自由王国,龙芯重磅推出自主指令系统架构LoongArch

从必然王国到自由王国,龙芯重磅推出自主指令系统架构LoongArch

近日,龙(long)芯自主(zhu)指令(ling)系统架(jia)构(Loongson Architecture,以下简称龙(long)芯架(jia)构或(huo)LoongArch)的基础架(jia)构通过国(guo)内第三方知名知识产权评(ping)估(gu)机构的评(ping)估(gu),并在2021年(nian)信息技术应用创新论坛主(zhu)论坛上正式对外发布。

CPU指(zhi)(zhi)令(ling)系(xi)(xi)统(tong)是(shi)计算机的(de)(de)软硬(ying)件(jian)界面,是(shi)CPU所执行的(de)(de)软件(jian)指(zhi)(zhi)令(ling)的(de)(de)二(er)进制(zhi)编码(ma)格式规范。一种指(zhi)(zhi)令(ling)系(xi)(xi)统(tong)承载了一个软件(jian)生(sheng)态,如X86指(zhi)(zhi)令(ling)系(xi)(xi)统(tong)和Windows操作(zuo)系(xi)(xi)统(tong)形成(cheng)(cheng)的(de)(de)Wintel生(sheng)态以(yi)及(ji)ARM指(zhi)(zhi)令(ling)系(xi)(xi)统(tong)和Android操作(zuo)系(xi)(xi)统(tong)形成(cheng)(cheng)的(de)(de)AA生(sheng)态。国外CPU厂商(shang)以(yi)指(zhi)(zhi)令(ling)系(xi)(xi)统(tong)作(zuo)为控制(zhi)生(sheng)态的(de)(de)手(shou)段(duan),需要获(huo)得“授(shou)权”才能(neng)研(yan)制(zhi)与之(zhi)相兼容的(de)(de)CPU。采用授(shou)权指(zhi)(zhi)令(ling)系(xi)(xi)统(tong)可(ke)以(yi)研(yan)制(zhi)产(chan)品,但不可(ke)能(neng)形成(cheng)(cheng)自主产(chan)业生(sheng)态,就像(xiang)中国人可(ke)以(yi)用英文写(xie)小说(shuo),但不可(ke)能(neng)基(ji)于英文形成(cheng)(cheng)中华民族(zu)文化。

目前,构建自(zi)主可(ke)控(kong)的(de)(de)信息技术体系和产(chan)业(ye)生态已成为共(gong)识,同(tong)时自(zi)主产(chan)业(ye)生态企业(ye)也(ye)深(shen)切感(gan)受到,“在(zai)别人的(de)(de)墙(qiang)基(ji)(ji)(ji)上砌(qi)房子(zi),再大再漂亮也(ye)可(ke)能(neng)经不(bu)(bu)起风(feng)雨,甚至(zhi)会不(bu)(bu)堪一击”,而指(zhi)令(ling)(ling)(ling)系统(tong)就(jiu)是信息产(chan)业(ye)的(de)(de)墙(qiang)基(ji)(ji)(ji),基(ji)(ji)(ji)于国(guo)外授权的(de)(de)指(zhi)令(ling)(ling)(ling)系统(tong)难以建设自(zi)主的(de)(de)信息技术体系和产(chan)业(ye)生态。2020年,龙芯中科基(ji)(ji)(ji)于二十(shi)年的(de)(de)CPU研(yan)制(zhi)(zhi)和生态建设积累推(tui)出(chu)了龙芯架构(LoongArch),包(bao)括基(ji)(ji)(ji)础架构部分和向量指(zhi)令(ling)(ling)(ling)、虚(xu)拟化、二进制(zhi)(zhi)翻译等(deng)扩(kuo)展部分,近2000条指(zhi)令(ling)(ling)(ling)。龙芯架构不(bu)(bu)包(bao)含MIPS指(zhi)令(ling)(ling)(ling)系统(tong)。

龙芯(xin)架构(gou)具有完全自主、技术(shu)先进、兼(jian)容生态(tai)三方面特点。

龙芯架构(gou)从整个架构(gou)的顶(ding)层规划,到各部分的功能(neng)定义,再到细(xi)节(jie)上(shang)每条指令的编码、名称、含义,在架构(gou)上(shang)进行自主(zhu)重新(xin)设(she)计,具(ju)有充分的自主(zhu)性。

龙芯架(jia)构摒弃了传统(tong)指令(ling)系(xi)统(tong)中部分不(bu)适应(ying)当前软(ruan)硬件设(she)计技(ji)术发展趋(qu)势的陈旧内容,吸纳了近年来指令(ling)系(xi)统(tong)设(she)计领域诸(zhu)多先进的技(ji)术发展成(cheng)果。同(tong)原(yuan)有兼容指令(ling)系(xi)统(tong)相比(bi),不(bu)仅在(zai)硬件方(fang)面更易于高性能低(di)功耗设(she)计,而(er)且(qie)在(zai)软(ruan)件方(fang)面更易于编(bian)译优(you)化和操(cao)作系(xi)统(tong)、虚拟机的开发。

龙(long)芯(xin)架构在设(she)计时(shi)充(chong)分(fen)考虑兼容(rong)生态需求,融合了(le)各国(guo)际(ji)主流指令系(xi)统(tong)的(de)主要功能特性,同(tong)时(shi)依托龙(long)芯(xin)团(tuan)队在二进制翻译方(fang)面十余年的(de)技术积(ji)累创新,不(bu)仅能够(gou)确保现(xian)有(you)龙(long)芯(xin)电脑(nao)上应用二进制的(de)无损迁(qian)移,而且能够(gou)实现(xian)多种(zhong)国(guo)际(ji)主流指令系(xi)统(tong)的(de)高效二进制翻译。

目(mu)前,支(zhi)持(chi)龙芯(xin)(xin)架(jia)构的龙芯(xin)(xin)3A5000处(chu)理器芯(xin)(xin)片(pian)已经(jing)流(liu)片(pian)成(cheng)功,基于新架(jia)构的完整操作系(xi)(xi)统(tong)(tong)已经(jing)在3A5000计算(suan)机(ji)上稳定运行(xing)。从(cong)其它(ta)主流(liu)指令(ling)系(xi)(xi)统(tong)(tong)到LoongArch的二(er)进制翻译系(xi)(xi)统(tong)(tong)已经(jing)可以(yi)在3A5000计算(suan)机(ji)上演示运行(xing)基于其它(ta)主流(liu)指令(ling)系(xi)(xi)统(tong)(tong)的复杂应用程序。龙芯(xin)(xin)中科从(cong)2020年起新研的CPU均支(zhi)持(chi)LoongArch架(jia)构。

龙芯中(zhong)科高(gao)度重视与龙芯架(jia)构(gou)(gou)(gou)相关的(de)知(zhi)识(shi)产(chan)权工(gong)作,委托国内(nei)第三(san)方知(zhi)名知(zhi)识(shi)产(chan)权评(ping)(ping)估机构(gou)(gou)(gou)对龙芯基础(chu)架(jia)构(gou)(gou)(gou)进(jin)行深入细致的(de)知(zhi)识(shi)产(chan)权评(ping)(ping)估。从2020年二季度开(kai)始,双方投(tou)入上(shang)百(bai)人月,将(jiang)LoongArch与ALPHA、ARM、MIPS、POWER、RISC-V、X86等国际上(shang)主(zhu)(zhu)要(yao)指(zhi)令(ling)系(xi)统(tong)有关资料和几万(wan)件专利进(jin)行深入对比分析。2021年1月,针对被评(ping)(ping)估的(de)基础(chu)架(jia)构(gou)(gou)(gou)版本该评(ping)(ping)估机构(gou)(gou)(gou)认为:(1)LoongArch在(zai)指(zhi)令(ling)系(xi)统(tong)设计、指(zhi)令(ling)格式、指(zhi)令(ling)编码(ma)、寻址模式等方面(mian)(mian)进(jin)行了自(zi)主(zhu)(zhu)设计。(2)LoongArch指(zhi)令(ling)系(xi)统(tong)手册(ce)在(zai)章节(jie)结构(gou)(gou)(gou)、指(zhi)令(ling)说明结构(gou)(gou)(gou)和指(zhi)令(ling)内(nei)容表达方面(mian)(mian)与上(shang)述国际上(shang)主(zhu)(zhu)要(yao)指(zhi)令(ling)系(xi)统(tong)存在(zai)明显区别(bie)。(3)未发现LoongArch基础(chu)架(jia)构(gou)(gou)(gou)对上(shang)述国际主(zhu)(zhu)要(yao)指(zhi)令(ling)系(xi)统(tong)中(zhong)国专利的(de)侵权风(feng)险。

龙芯中科已经在一定范围内发布LoongArch的基础架构指令系统手册。待完成评估后,龙芯中科将在更大范围内发布更完整的LoongArch指令系统手册。龙芯中科还将联合产业链伙伴在适当的时间建立开放指令系统联盟,在联盟成员内免费共享LoongArch及有关龙芯IP核。

 

指令系(xi)统是软(ruan)件生(sheng)(sheng)(sheng)态(tai)(tai)的(de)(de)起点,只有(you)从(cong)指令系(xi)统的(de)(de)根源上实现自主(zhu),才能打破软(ruan)件生(sheng)(sheng)(sheng)态(tai)(tai)发(fa)(fa)展(zhan)受(shou)制于人的(de)(de)锁链(lian)。龙(long)芯自主(zhu)指令系(xi)统的(de)(de)推出(chu),是龙(long)芯中(zhong)科(ke)长期坚持(chi)自主(zhu)研发(fa)(fa)理(li)念的(de)(de)重要(yao)成果体(ti)(ti)现,是在完(wan)成CPU性能补(bu)课、全面转向生(sheng)(sheng)(sheng)态(tai)(tai)建设历史(shi)关头的(de)(de)重大技术跨越,标(biao)志着(zhe)龙(long)芯中(zhong)科(ke)在自主(zhu)信息技术体(ti)(ti)系(xi)和产业生(sheng)(sheng)(sheng)态(tai)(tai)建设方面从(cong)跟随(sui)性发(fa)(fa)展(zhan)的(de)(de)必然王(wang)国(guo)走向了自主(zhu)发(fa)(fa)展(zhan)的(de)(de)自由王(wang)国(guo)。

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