龙芯2号主频明年达1G 突破通用CPU设计核心技

龙芯2号主频明年达1G 突破通用CPU设计核心技
　　CPU是计算机系统及各类电子设备的核心，其设计和制造是技术实力的象征。因为缺乏自主的CPU设计和实现技术，我国信息产业中与CPU相关的许多核心技术及产品仍然主要依赖进口，不仅经济上受制于人，产品的增值空间小、盈利能力弱，而且信息系统的安全乃至国家安全也面临威胁。因此，研制自主知识产权的CPU芯片甚为必要。
　　在知识创新工程试点工作中，中科院把掌握信息产业核心技术、解决我国信息产业“空心”的问题作为重要任务，并以高性能通用CPU的研制为突破口，于2002年启动实施知识创新工程重大项目“高性能通用CPU芯片研制”，进行龙芯2号高性能通用CPU的研制。这项工作同时得到了国家863计划计算机软硬件技术主题的支持，成为该主题的重点课题。项目以中科院计算所为依托单位，并联合微电子所、自动化所和北京微电子所等单位进行集中攻关，在通用CPU的芯片设计及人才培养等方面取得了一系列成果。龙芯2号紧紧围绕市场需求进行系统设计，在研制过程中就有了很好的市场前景，出现了“市场等芯片”的局面。
　　一、瞄准国家战略需求，实现跨越发展
　　根据中科院基础性、战略性、前瞻性的要求以及计算所作为国立研究所的定位，所领导和课题组在立项之初就制定了“瞄准国家战略需求，坚持高起点，实现跨越发展”的目标。即从通用CPU入手，先发展高性能通用CPU芯片，突破其中的关键技术，再在此基础上带动嵌入式的应用。上述目标对龙芯2号提出了两方面的要求。一是通用，即龙芯2号不仅可以作为PC机和服务器芯片使用，而且可以在大量的嵌入式场合使用。二是高性能，作为通用CPU芯片，龙芯2号必须达到一定的性能，在性能上与Intel、IBM、SUN等公司生产的通用CPU芯片差距不能太大。
　　龙芯2号的研制目标为：通过研制与主流兼容的64位、四发射高性能通用CPU芯片，掌握现代CPU的核心设计和实现技术。在性能方面的目标为：在0.18微米工艺条件下达到500MHz主频，使用国际通用的SPEC CPU2000测试程序测试的分值为300分。其中SPEC CPU2000的分值达到300分，意味着500MHz的龙芯2号实际性能将与1.3GHz左右的PIV性能相当，超过威盛CPU的实际性能。
　　为了实现上述目标，课题组制定了如下技术路线。
　　一是做到战略上的高起点和战术上的稳扎稳打相结合。在任务紧难度大的情况下，课题组人员根据实际情况，在项目的具体实施中做到稳扎稳打、步步推进。在实现方法方面，在结构设计、逻辑设计、物理设计等阶段都进行步步为营的验证和分析，尤其是在结构设计阶段进行一拍一派的C模拟器模拟，并把C模拟文件作为详细结构设计的文档，实现 “可执行的结构设计”。在项目进度方面，为降低风险采用“小步快跑”的策略，进行多次流片并根据流片结果不断优化结构和物理设计以提高性能。目前龙芯2号已经进行了两次成功的试流片，龙芯2号0.18um的定型芯片也已于2004年7月初交付中芯国际进行流片。根据实际的性能测试和分析，龙芯2号首片的性能是龙芯1号的3-5倍，而7月份流片的定型芯片的性能又是首片龙芯2号的3-5倍。
　　二是充分发挥结构设计优势和进行软硬件协同的设计。在结构上通过CPU中各个层次的并行性开发来提高性能。这些并行性包括指令级并行、数据级并行以及线程级并行。龙芯2号在并行性开发上主要开发指令级并行技术，即实现四发射结构，并实现充分的乱序执行技术有效发挥多发射通路的效率，减少指令间的互相等待。此外，龙芯2号还实现了数据级并行的媒体处理部件。软硬件协同主要指通过编译优化及硬件对编译器的支持提高性能，既不片面追求复杂的硬件，也不把沉重的优化负担完全压在编译器身上。龙芯2号的后期版本及龙芯3号将进一步实现线程级并行技术。
　　三是从兼容起步的策略。由于现代计算机中软件开发费用已经大大超过硬件开发费用，因此兼容性设计是龙芯CPU设计的重要目标。龙芯CPU与主流CPU之一的MIPS兼容。除了用于计算机外(SGI的工作站主要使用MIPS兼容CPU)，MIPS CPU还在网络、打印机、游戏机等领域得到广泛应用。由于支持MIPS兼容的指令系统，除了很容易运行LINUX操作系统外，龙芯CPU还能支持VxWorks以及WinCE等主流嵌入式操作系统。当国家与企业有足够的投入和其他条件成熟时，将按市场需求和技术发展趋势设计自己的指令系统。
　　四是坚持系统设计、物理设计和验证的紧密结合。首先，结构设计和物理设计需要紧密结合。在龙芯2号的设计中，流水线的最大逻辑路径不是由体系结构设计的需要来确定，而是由物理设计的要求来确定。即先确定每一级流水线的最大延迟并在此约束下进行结构设计。其次，验证工作贯穿于设计的整个过程，占总工作量的60-70%。验证的难度在于对于CPU这样的复杂系统，任何验证工作只能证明错误，不能证明正确。因此，验证的目标是为了增加项目管理人员的信心，验证的目的是为了发现错误。
　　二、坚持产出导向，加速产业化
　　根据计算所领导关于科研人员应该以产出为目标，而不是以申请经费为目标的要求，龙芯课题组在龙芯2号的研制过程中就着眼于龙芯2号的未来应用，并随时根据市场的要求调整设计目标。
　　龙芯2号的研制目标是实际性能达到PIII或低端的PIV的性能。这样性能的芯片与目前主流的通用CPU芯片相比还有一定差距，但还是有很大的市场空间。为了提高市场竞争力，课题组在分析了CPU从Performance per Second，到Performance per Dollar，到Performance per Watt的发展过程后，在低成本和低功耗设计上下工夫，提出CPU加上北桥芯片的成本在20美元之内，功耗在3-5瓦之内的设计目标。为此，课题组在经费和任务都紧张的情况下进行了北桥芯片的设计，以降低系统成本。
　　龙芯2号的主要应用目标是Linux桌面PC、低端服务器、信息家电、网络防火墙、路由器交换机等，其低主频的早期版本也可以用于NC、无盘工作站等瘦客户机。针对上述应用，在龙芯2号样片的基础上已开始进行系统设计，为潜在用户提供解决方案。
　　正是由于在龙芯2号的研制过程中紧密联系市场的需求，使得龙芯2号在设计过程中就有了很好的市场前景。虽然龙芯2号定型芯片还在设计，但已有很多企业使用龙芯2号的试验芯片进行系统及市场开发。还有不少海外企业准备购买龙芯2号的IP(龙芯2号是目前世界上唯一可出售设计技术的64位高性能CPU芯片)。
　　三、坚持以任务带学科，在执行任务中突破关键技术
　　作为一个国立研究机构，承担国家的重大项目，处理好任务与学科的关系十分重要。片面重视完成任务忽视科研和片面重视论文忽视任务都是不对的。任务和学科不是对立的关系，而是统一的关系。在执行项目过程中，课题组始终坚持“以任务带学科，以系统带科研”，即在执行任务过程中发现问题，并通过研究解决问题，向任务提供关键技术。课题组十分重视处理好完成任务和人才培养的关系。龙芯课题组中有三分之二人员是研究生，课题组的导师克服把研究生当作廉价劳动力的思想，结合任务站在学生的角度来考虑适合每个学生的发展方向。坚持研究生的论文应该“从任务中来、到任务中去”，“源于任务、高于任务”，并把培养超过自己的学生作为重要目标。在课题组中，很多研究生都成了业务骨干，有的甚至在读期间就成为子课题组长。
　　在上述思想指导下，经过努力，项目在芯片设计方法学、体系结构设计、验证、CPU芯片物理设计、通用CPU芯片的配套软硬件环境等关键技术方面，取得了显著突破与创新成果(篇幅所限，这里不一一列举)。
　　四、前途是光明的，道路是曲折的
　　龙芯课题组是一支年轻的队伍。从2001年初的以研究生为主的没有芯片设计经验的十几人的队伍，经过短短的三年时间，已发展成为近百人的能打硬仗的队伍，人员平均年龄只有27岁。为了完成任务，全组常年每周工作六天，每天工作十几个小时，从2001年起三个春节中有两个春节加班。在项目紧张的时候经常连续一个礼拜不分昼夜地工作。每次流片成功后，课题组成员都要到天安门广场看升国旗以激励士气。
　　经过三年多的努力，目前课题组已基本掌握通用CPU的设计技术，龙芯2号的实际性能已达到2001年左右的国际先进水平。与国际上其他通用处理器设计公司如Intel、IBM、SUN等公司相比，也许课题组在经验上还差些火候，但在关键技术的掌握方面，已经不存在“没有捅破的窗户纸”，需要的是更多的实践和大工程的锻炼。
　　在完成现有任务的基础上，课题组拟从2004年下半年开始，使用0.13或0.09微米工艺，争取在年底前实现600-800MHz的CPU芯片，并在2005年达到1GHz以上的目标。同时通过进一步结构优化，使其实际性能相当于1.5GHz到2GHz的PIV的性能。(稿件来源: 中科院计算所所刊《创新求实》)龙芯2号主频明年达1G 突破通用CPU设计核心技
　　CPU是计算机系统及各类电子设备的核心，其设计和制造是技术实力的象征。因为缺乏自主的CPU设计和实现技术，我国信息产业中与CPU相关的许多核心技术及产品仍然主要依赖进口，不仅经济上受制于人，产品的增值空间小、盈利能力弱，而且信息系统的安全乃至国家安全也面临威胁。因此，研制自主知识产权的CPU芯片甚为必要。
　　在知识创新工程试点工作中，中科院把掌握信息产业核心技术、解决我国信息产业“空心”的问题作为重要任务，并以高性能通用CPU的研制为突破口，于2002年启动实施知识创新工程重大项目“高性能通用CPU芯片研制”，进行龙芯2号高性能通用CPU的研制。这项工作同时得到了国家863计划计算机软硬件技术主题的支持，成为该主题的重点课题。项目以中科院计算所为依托单位，并联合微电子所、自动化所和北京微电子所等单位进行集中攻关，在通用CPU的芯片设计及人才培养等方面取得了一系列成果。龙芯2号紧紧围绕市场需求进行系统设计，在研制过程中就有了很好的市场前景，出现了“市场等芯片”的局面。
　　一、瞄准国家战略需求，实现跨越发展
　　根据中科院基础性、战略性、前瞻性的要求以及计算所作为国立研究所的定位，所领导和课题组在立项之初就制定了“瞄准国家战略需求，坚持高起点，实现跨越发展”的目标。即从通用CPU入手，先发展高性能通用CPU芯片，突破其中的关键技术，再在此基础上带动嵌入式的应用。上述目标对龙芯2号提出了两方面的要求。一是通用，即龙芯2号不仅可以作为PC机和服务器芯片使用，而且可以在大量的嵌入式场合使用。二是高性能，作为通用CPU芯片，龙芯2号必须达到一定的性能，在性能上与Intel、IBM、SUN等公司生产的通用CPU芯片差距不能太大。
　　龙芯2号的研制目标为：通过研制与主流兼容的64位、四发射高性能通用CPU芯片，掌握现代CPU的核心设计和实现技术。在性能方面的目标为：在0.18微米工艺条件下达到500MHz主频，使用国际通用的SPEC CPU2000测试程序测试的分值为300分。其中SPEC CPU2000的分值达到300分，意味着500MHz的龙芯2号实际性能将与1.3GHz左右的PIV性能相当，超过威盛CPU的实际性能。
　　为了实现上述目标，课题组制定了如下技术路线。
　　一是做到战略上的高起点和战术上的稳扎稳打相结合。在任务紧难度大的情况下，课题组人员根据实际情况，在项目的具体实施中做到稳扎稳打、步步推进。在实现方法方面，在结构设计、逻辑设计、物理设计等阶段都进行步步为营的验证和分析，尤其是在结构设计阶段进行一拍一派的C模拟器模拟，并把C模拟文件作为详细结构设计的文档，实现 “可执行的结构设计”。在项目进度方面，为降低风险采用“小步快跑”的策略，进行多次流片并根据流片结果不断优化结构和物理设计以提高性能。目前龙芯2号已经进行了两次成功的试流片，龙芯2号0.18um的定型芯片也已于2004年7月初交付中芯国际进行流片。根据实际的性能测试和分析，龙芯2号首片的性能是龙芯1号的3-5倍，而7月份流片的定型芯片的性能又是首片龙芯2号的3-5倍。
　　二是充分发挥结构设计优势和进行软硬件协同的设计。在结构上通过CPU中各个层次的并行性开发来提高性能。这些并行性包括指令级并行、数据级并行以及线程级并行。龙芯2号在并行性开发上主要开发指令级并行技术，即实现四发射结构，并实现充分的乱序执行技术有效发挥多发射通路的效率，减少指令间的互相等待。此外，龙芯2号还实现了数据级并行的媒体处理部件。软硬件协同主要指通过编译优化及硬件对编译器的支持提高性能，既不片面追求复杂的硬件，也不把沉重的优化负担完全压在编译器身上。龙芯2号的后期版本及龙芯3号将进一步实现线程级并行技术。
　　三是从兼容起步的策略。由于现代计算机中软件开发费用已经大大超过硬件开发费用，因此兼容性设计是龙芯CPU设计的重要目标。龙芯CPU与主流CPU之一的MIPS兼容。除了用于计算机外(SGI的工作站主要使用MIPS兼容CPU)，MIPS CPU还在网络、打印机、游戏机等领域得到广泛应用。由于支持MIPS兼容的指令系统，除了很容易运行LINUX操作系统外，龙芯CPU还能支持VxWorks以及WinCE等主流嵌入式操作系统。当国家与企业有足够的投入和其他条件成熟时，将按市场需求和技术发展趋势设计自己的指令系统。
　　四是坚持系统设计、物理设计和验证的紧密结合。首先，结构设计和物理设计需要紧密结合。在龙芯2号的设计中，流水线的最大逻辑路径不是由体系结构设计的需要来确定，而是由物理设计的要求来确定。即先确定每一级流水线的最大延迟并在此约束下进行结构设计。其次，验证工作贯穿于设计的整个过程，占总工作量的60-70%。验证的难度在于对于CPU这样的复杂系统，任何验证工作只能证明错误，不能证明正确。因此，验证的目标是为了增加项目管理人员的信心，验证的目的是为了发现错误。
　　二、坚持产出导向，加速产业化
　　根据计算所领导关于科研人员应该以产出为目标，而不是以申请经费为目标的要求，龙芯课题组在龙芯2号的研制过程中就着眼于龙芯2号的未来应用，并随时根据市场的要求调整设计目标。
　　龙芯2号的研制目标是实际性能达到PIII或低端的PIV的性能。这样性能的芯片与目前主流的通用CPU芯片相比还有一定差距，但还是有很大的市场空间。为了提高市场竞争力，课题组在分析了CPU从Performance per Second，到Performance per Dollar，到Performance per Watt的发展过程后，在低成本和低功耗设计上下工夫，提出CPU加上北桥芯片的成本在20美元之内，功耗在3-5瓦之内的设计目标。为此，课题组在经费和任务都紧张的情况下进行了北桥芯片的设计，以降低系统成本。
　　龙芯2号的主要应用目标是Linux桌面PC、低端服务器、信息家电、网络防火墙、路由器交换机等，其低主频的早期版本也可以用于NC、无盘工作站等瘦客户机。针对上述应用，在龙芯2号样片的基础上已开始进行系统设计，为潜在用户提供解决方案。
　　正是由于在龙芯2号的研制过程中紧密联系市场的需求，使得龙芯2号在设计过程中就有了很好的市场前景。虽然龙芯2号定型芯片还在设计，但已有很多企业使用龙芯2号的试验芯片进行系统及市场开发。还有不少海外企业准备购买龙芯2号的IP(龙芯2号是目前世界上唯一可出售设计技术的64位高性能CPU芯片)。
　　三、坚持以任务带学科，在执行任务中突破关键技术
　　作为一个国立研究机构，承担国家的重大项目，处理好任务与学科的关系十分重要。片面重视完成任务忽视科研和片面重视论文忽视任务都是不对的。任务和学科不是对立的关系，而是统一的关系。在执行项目过程中，课题组始终坚持“以任务带学科，以系统带科研”，即在执行任务过程中发现问题，并通过研究解决问题，向任务提供关键技术。课题组十分重视处理好完成任务和人才培养的关系。龙芯课题组中有三分之二人员是研究生，课题组的导师克服把研究生当作廉价劳动力的思想，结合任务站在学生的角度来考虑适合每个学生的发展方向。坚持研究生的论文应该“从任务中来、到任务中去”，“源于任务、高于任务”，并把培养超过自己的学生作为重要目标。在课题组中，很多研究生都成了业务骨干，有的甚至在读期间就成为子课题组长。
　　在上述思想指导下，经过努力，项目在芯片设计方法学、体系结构设计、验证、CPU芯片物理设计、通用CPU芯片的配套软硬件环境等关键技术方面，取得了显著突破与创新成果(篇幅所限，这里不一一列举)。
　　四、前途是光明的，道路是曲折的
　　龙芯课题组是一支年轻的队伍。从2001年初的以研究生为主的没有芯片设计经验的十几人的队伍，经过短短的三年时间，已发展成为近百人的能打硬仗的队伍，人员平均年龄只有27岁。为了完成任务，全组常年每周工作六天，每天工作十几个小时，从2001年起三个春节中有两个春节加班。在项目紧张的时候经常连续一个礼拜不分昼夜地工作。每次流片成功后，课题组成员都要到天安门广场看升国旗以激励士气。
　　经过三年多的努力，目前课题组已基本掌握通用CPU的设计技术，龙芯2号的实际性能已达到2001年左右的国际先进水平。与国际上其他通用处理器设计公司如Intel、IBM、SUN等公司相比，也许课题组在经验上还差些火候，但在关键技术的掌握方面，已经不存在“没有捅破的窗户纸”，需要的是更多的实践和大工程的锻炼。
　　在完成现有任务的基础上，课题组拟从2004年下半年开始，使用0.13或0.09微米工艺，争取在年底前实现600-800MHz的CPU芯片，并在2005年达到1GHz以上的目标。同时通过进一步结构优化，使其实际性能相当于1.5GHz到2GHz的PIV的性能。(稿件来源: 中科院计算所所刊《创新求实》)