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| 本文作者： 鐵流 | 2016-05-31 16:38 |
據公開消息，龍芯和飛騰最新的產品都與去年年底開始流片，也就是說，新產品即將與國人見面。那么，在飛騰的ARM芯片和龍芯3A3000即將完成流片之時，筆者將從自主知識產權、裸CPU性能和軟件方面對飛騰和龍芯上一代產品——飛騰1500A和龍芯3A2000做一個對比，特別是之前有媒體對比龍芯3A2000和飛騰1500A總體上比較客觀，但在局部也有一些紕漏，筆者趁機在此做一下修正。
檢驗自主可控的標準——信息安全不受制于人，產業發展不受制于人。因此，這就必須做到具有指令集的發展權、微結構是自主設計、利潤不受制于人等要素。
指令集的發展權
龍芯的指令集是loongISA，共有共1907條指令。
源自MIPS：
216條MIPS基礎指令，獲得永久授權。
311條DSP指令，獲得永久授權。
自主指令：
MIPS基礎指令擴展——148條loongEXT，
虛擬機擴展——5條loongVM指令，
二進制翻譯擴展——213條loongBT，
向量指令擴展——1014條loongSIMD
顯而易見，龍芯獲得的是永久授權，并擁有自行擴展指令集的權力。另外龍芯還就此申請了100+專利。而在MIPS公司破產后，被Imagination收購，雖然在嵌入式芯片方面有P5600這樣的產品，但至今卻未曾開發高性能CPU，有步惠普收購康柏進而獲得Alhpa的后塵之趨勢。
這直接導致龍芯是MIPS陣營里唯一的高性能CPU，加上龍芯不失時機的向開源組織捐獻了一批機器，致使一些開源軟件以龍芯作為MIPS的代表做適配。
因此，在Imagination發展力度小+龍芯獲得MIPS永久授權+自行擴展指令且申請專利+開源軟件針對龍芯做適配，共同導致龍芯在指令集上受MIPS的鉗制已然微乎其微，基本可以為認為走上了單飛的道路。
而國內ARM陣營IC設計公司僅僅能購買ARM64指令集，而無法買到ARM32位指令集授權，而且ARM64指令集授權期限為5年，沒有自主擴展的權力，也僅僅能用于設計服務器芯片。
微結構是否自主設計
龍芯3A2000的微結構是GS464E，芯片代碼均自主設計，除標準單元和Memory Compiler生產的RAM之外，不存在第三方IP。
而飛騰1500A的微結構是ARM Cortex A57。由于芯片的安全性、性能、功耗很大程度上取決于微結構，因此很難說飛騰1500A符合安全可控和自主知識產權的要求。當然，也有網絡消息稱飛騰1500A用的是飛騰自主設計的“小米”，與“火星”、“地球”是同一個微結構，但筆者認為此消息為謠傳，具體原因在下文分析。
利潤不受制于人
購買ARM指令集授權的價格非常昂貴，據筆者了解僅僅ARM64指令集每5年的授權費就高達上千萬美元乃至近億美元。而恰恰是如此高昂的授權費致使由U.C. Berkeley等幾個大學推出RISC-V指令集，Google、惠普、Oracle、西部數據等公司成立RISC-V基金會的原因——
RISC-V指令集是一個沒有專利問題和沒有歷史包袱的全新指令集，并且以BSD許可證發布。任何公司都可以在自己的產品中免費使用，而修改也無需再開源。
購買ARM IP核授權，比如ARM的A53或A57,集成自己的SOC，這種做法雖然能依附于AA體系，有利于市場化運營，能賺快錢，但在利潤方面也被外商控制。因為在購買IP要支付授權費，每生產一片芯片還要支付專利費。而且每個環節做什么，有多少利潤，在AA體系中已經形成潛規則，國內IC設計公司依附于AA體系基本上淪為外商的馬仔。這也是國內ARM陣營IC設計公司雖然營業收入不低，但利潤普遍不高的原因之一。相比之下，龍芯不僅不需要向MIPS公司購買IP，反而可以對外出售IP，海信、海爾就向龍芯購買了200萬套IP用于智能家電和機頂盒。
下圖為懶人包，簡要概括了龍芯3A2000和飛騰1500A在知識產權方面的差別。
飛騰1500A的微結構是A57
有網絡消息稱飛騰1500A用的是飛騰自主設計的“小米”，與“火星”、“地球”是同一個微結構，不過筆者認為此消息為謠傳，主要有以下幾點：
1、時間上來不及
眾所周知，如果一款CPU從頭開始設計，研發周期一般要3年，而如果像海思、展訊那樣購買ARM的IP授權做集成，研發周期也要1年至2年，而飛騰在購買ARM 64位指令集授權后，不到2年的時間里就拿出了飛騰1500A，就開發周期來看，飛騰1500A這款芯片很有可能是直接采用ARM Cortex A57。
2、飛騰1500A與“火星”的SPEC2006測試成績差距過大
根據第三方測試，飛騰1500 spec06測試的整數為10（@1.8G），換算一下就是5.5/G，而根據飛騰在2015年的發布后上公布的消息，“小米”的測試結果是9.6/G，雖然不談測試環境的SPEC測試跑分都是耍流氓——因為不同的測試環境的原因，SPEC測試分數會有一定浮動，但74.5%的跑分差距實在過于駭人——即便是技術實力強如Intel，在擁有ICC的神優化，以及向量指令優化等因素的情況下，也只能是自己CPU的spec06測試整數跑分增加40%。因此，筆者認為飛騰1500A的微結構并非“小米”。
3、時間對不上
據公開消息，飛騰1500A在2014年流片，2015年與體制內單位簽訂的合同標為1000萬元，而“小米”和“火星”目前還依舊在流片。在發布會上，火星的SPEC06測試也只有模擬器成績，而非實物。
4、ARM在指令集授權中會配套一個內核
雖然飛騰和ARM的合同上沒有購買IP內核授權的內容，但由于ARM在做指令集授權的時候都會給出配套的一個內核參考。因此，有人以合同沒寫明購買IP核，所以飛騰1500A的微結構為自主設計的辯解無法成立。
當然以上都是筆者的猜測。鑒于飛騰1500A已經商用，希望飛騰能公開飛騰1500A的用戶手，提供內部寄存器等定義資料。效法龍芯將CPU的用戶手冊和技術資料放在網上供國人自由下載，以打消國人的疑惑。
裸CPU性能將用單線程性能、多線程性能以及訪存性能等主要指標進行對比。
單線程性能
龍芯3a2000的微結構為GS464E，根據中電集團的報告顯示：
龍芯GS464E在使用GCC4.8編譯器跑分為：整數768/G、浮點1153/G；
龍芯GS464E使用LCC編譯器跑分為：整數828/G、浮點1578/G。
而龍芯的主頻恰恰為1G，因此，GCC4.8編譯器跑分為：整數768、浮點1153；LCC編譯器跑分為：整數828、浮點1578。
而因為測試環境不同，ARM Cortex A57的測試分數則比較多，華為在麒麟950發布會上就給出A57 Spec2000整數跑分780/G的測試成績。
而根據國外網站對三星7420的實測，筆者將12項測試成績累乘，再開12次方后得到分值為1376.8分，再除以7240中A57 2.1G的主頻，得到跑分為655/G。而根據另一個測試，A57的測試跑分甚至不足600/G，浮點跑分為700+/G。 
這些測試分數差距的原因就在于不同的測試環境——畢竟開啟auto parallel會將原本單線程執行的程序并行化給多個處理器執行，導致SEPC2006整數分數增益。另外，編譯器的不同，是否定制編譯優化策略等都會對跑分結果造成很大影響。
考慮到華為公布的SPEC分數一向偏高——華為公布的A72 spec2000 整數跑分為820/G，而根據國外網站實測，麒麟950的實測成績，A72 spec2000 整數跑分為749/G。筆者猜測，華為公布的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編譯器，并在最優測試環境下，得出的結果。
另外，就某網文中的SPEC06測試成績而言，A57 sepc06 整數5.5/G，GS464E sepc06 整數6.5/G都并非在最優環境下測試的分數。根據華為公布的數據，A57 sepc06整數為6/G，A72為6.7/G。據筆者了解，龍芯GS464E sepc06整數最優環境下測試成績為7.5/G。
因此，筆者選擇一個適中的測試跑分：整數655/G，浮點分數因為華為和國外網站都沒有公布跑分，筆者以上圖測試中的700+/G適當上浮。飛騰1500A的主頻為1.8G，那么最后的測試結果為整數1179，浮點1300+。
很顯然，雖然GS464E強于A57,但由于飛騰1500A在主頻上比龍芯3A2000高80%，使得最終在整數跑分上，龍芯3A2000即便使用LCC編譯器測試成績，面對飛騰1500A依舊略遜一籌。
多線程性能和訪存性能對比
在同使用GCC編譯器下，飛騰1500A(@1.8GHz）SPEC CPU 2000 rate成績為：整數41.5，浮點34.
而龍芯3A2000(@1GHz）的成績為：整數30.9，浮點43.9。
在使用LCC編譯器后龍芯3A2000(@1.0GHz）整數34，浮點60.7。
很顯然，龍芯3A2000雖然在主頻上處于劣勢而導致在整數上低于飛騰1500A，但在浮點性能上卻異常強悍。
至于訪存性能，則如下圖，優劣一目了然。
飛騰1500A (1.8GHz，四核) VS. LS-3A2000 (1.0GHz，四核)：
龍芯和飛騰在軟件生態上選擇了完全不同的道路：龍芯選擇嘗試主導生態建設，并在軟件上投入了很多精力。而飛騰選擇兼容ARM生態，采取跟隨ARM產業生態的策略。
操作系統
國內支持龍芯的操作系統有中標麒麟、普華軟件、深度軟件、開源社區（Fedora、CentOS、Debian、Loongnix社區版），國內支持飛騰的操作系統有中標麒麟和Ubuntu。
辦公軟件
實際測試顯示，在政府機關使用最為廣泛的辦公軟件上，使用龍芯3A2000打開一個1M的word文件，需要2秒，而使用飛騰1500A則需要3秒；打開一個10M的word文件，龍芯3A2000需要3.5秒，而飛騰1500A需要8.2秒。在PPT的使用上，龍芯也處于優勢，打開同樣一個PPT，龍芯3A2000所消耗的時間幾乎只有飛騰1500A的一半。不過，在電子表格上飛騰具有優勢，特別是在打開20M的電子表格的情況下優勢異常明顯。
JAVA虛擬機
JAVA虛擬機（JDK）是服務器上的重要平臺軟件。飛騰的JAVA虛擬機依賴于國外的開源軟件代碼，國內沒有開發團隊，一旦出現深層次問題無法維護。
龍芯在JAVA虛擬機有核心開發隊伍，并為開源社區貢獻8.4萬行代碼，累計已解決8個在X86平臺同樣存在的JAVA共性問題，經過實際用戶檢驗，能夠保證企業級的穩定性。
瀏覽器
瀏覽器是桌面操作系統上的重要平臺型軟件。ARM的瀏覽器（Chrome、Firefox）國內沒有專業開發團隊，飛騰則因為跟隨策略在此碰壁。
龍芯在兩大瀏覽器（Chrome、Firefox）平臺有專門開發團隊，而且做了大量工作：
在HTML5、WebGL、WebRTC、Flash以及各類插件上有著專業支持；
在Firefox瀏覽器社區，龍芯是ionMonkey開發的重要力量；
在Chrome社區，龍芯是社區的全球14家主要成員廠商之一，是JS引擎的核心開發廠商，累計向社區貢獻4萬行代碼，因此龍芯在JS引擎性能對比上自然可以獲得更大的優勢，具體性能對比如下圖：
從實際測試結果中可以看出，雖然在性能上龍芯3A2000和飛騰1500A差距不大，但龍芯卻能在JS引擎性能對比上大幅優于飛騰，其原因就在于軟硬件整合優化——用戶最終的體驗是軟件+硬件，相對于飛騰在軟件上跟誰ARM，只能是別人給你什么，你用什么，而龍芯則恰恰相反，選擇了自建生態，這使得龍芯可以獲得軟硬件磨合優化的機會。
正如數年前那個CPU性能相對有限的時代，蘋果能依靠基于FreeBSD/Unix二次開發的IOS，基于ARM的授權修改/開發CPU，使蘋果可以對自己開發的CPU和操作系統進行系統優化，并依靠軟硬件優化取得優于安卓用戶體驗。同理，在國產CPU性能普遍不強的當下，對軟件的優化和軟硬件磨合相對于硬件上5%—10%的提升更為關鍵。因此，相對于黨政軍辦公常用的軟件和用戶體驗而言，龍芯相對于飛騰的優勢，則如同早年蘋果相對于安卓的優勢。
可以看出，在硬件方面，飛騰得益于主頻比龍芯高80%，因而在整數上具有優勢；而龍芯的浮點性能指標頗為亮眼；在訪存性能上，龍芯則有很大的優勢。在軟件上，雖然飛騰可以跟隨ARM產業生態發展，傍上了ARM這個大款，但就黨政軍辦公而言，龍芯相對于飛騰更有優勢。
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