【原創】2018第一擊!國產x86處理器效能追上酷睿i3-6100

2018-01-03 02:27:17

2017年年末,當很多人已經放下手中的工作準備好好過一個元旦假期的時候,中國的處理器人卻帶來了一個重磅訊息——12月28日,上海兆芯積體電路有限公司正式釋出了本刊之前曾多次報道,基於Wudaokou處理器架構,代號為ZX-D,正式型號為兆芯開先KX-5000系列的國產新一代x86處理器。


我們知道目前各種家用PC、伺服器裡的處理器都是基於x86架構,來自英特爾或AMD的產品,那麼我國自行研發的這款x86處理器具備怎樣的實力?當用戶已經有大量國外產品可以選擇時,打造自己的x86處理器是否還有意義?


打造國產x86處理器的必要性


都說習慣成自然,相信當你用電腦瀏覽這篇文章時,當你用電腦玩著《絕地求生》或者撰寫各種辦公檔案、程式碼時都不會覺得有什麼問題。然而在中國計算機科研人員的眼中,可能會有一種無奈,因為幾乎所有這類x86電腦裡的處理器都是國外的產品。


這絕非是一種狹隘的愛國主義,而是對產業上一個缺失的遺憾。當各位DIY玩家在互相比拼是你的英特爾處理器好,還是我的AMD處理器好時,可能都沒有想到過,我國一年進口了多少處理器。國家核高基專項技術總師、清華大學微電子所魏少軍所長在釋出會上談到了這個問題。


▲中國科學院院士、中國科學院上海高等研究院院長王曦院士(一排左三);中國科學院院士、上海市積體電路行業協會名譽會長、上海華虹巨集力半導體制造有限公司科學顧問鄒世昌院士(一排左四);國家核高基專項技術總師、清華大學微電子所所長魏少軍先生(一排左二);國家核高基專項技術副總師、中國科學院通用晶片與基礎軟體研究中心主任李明樹博士(二排左三);工業和資訊化部電子資訊司積體電路處處長任愛光處長(一排右二)等諸多領匯出席了兆芯開先KX-5000處理器釋出會。


儘管我國積體電路在過去幾年當中應該說取得了重大的進步,但對我們存在的問題,也應該有很大的警覺。魏少軍所長談到一個典型的例子就是中國每年仍花費鉅額資金進口積體電路,2017年全年進口積體電路達到2500億美元,如果認真分析一下進口結構就會發現,CPU在其中佔了重要的分量。2000多億美元當中與CPU相關的進口,大概在550億到600億美元。顯然這個數值對於中國的積體電路產業來說,不僅是一個巨大的損失,更意味著積體電路產業發展的不健全,在處理器領域長期受制於人。


另一方面,對於中國這個擁有世界最多人口,並在政治、經濟、科技、國防各個領域都有突出發展的大國,在資訊科技方面長期依賴進口產品也是一個安全隱患。為此我國在2006年就設立了核高基專案。核高基是對核心電子器件、高階通用晶片以及基礎軟體產品的簡稱,是2006年國務院釋出的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)》中與載人航天、探月工程並列的16個重大科技專項之一。


魏少軍所長表示核高基專項是國家中長期科學技術發展規劃當中的第一個專項,也是稱之為01專項,01專項解決的問題簡而言之就是三類產品。第一個就是CPU;第二個就是作業系統;第三個則是元器件。CPU無疑是核高基專項當中的重中之重,也可以說上面連著整個國家的資訊保安,下面連著我們的產業安全。所以說如果我們突破不了CPU與作業系統,那就意味著核高基專項的成果要大打折扣。


因此在發展核高基CPU課題的同時,中國計算機科研人員也在嘗試著打造兩件事情——圍繞CPU打造一個完整的產業鏈,從設計、製造、封裝、測試到整機應用,畢竟沒有一個好的產業環境,一個完整的產業鏈,是難以製造出一款成功的處理器;同時,中國的科研人員也在不斷嘗試、探索如何組織執行對CPU、作業系統這樣的高難度攻關任務,並已初步找到軟硬結合、整機帶動、產業鏈各個環節聯動的模式。“要真正地解決問題,找到一條適合中國特色的發展之路”魏少軍所長說到,只是這條路對於中國的科技人員來說的確也是一條艱辛之路。


打造國產x86處理器的難處


“雖然是參加CPU的釋出會,但今天主要想講研發困難和投入分析”,國家核高基專項技術副總師、中國科學院通用晶片與基礎軟體研究中心主任李明樹博士一站上講臺就發出了這樣的感慨,同時也透露了兆芯的不少投入細節——兆芯牽頭的核高基課題是核高基歷史上最大的經費投入課題。其總金額為57億人民幣,包括核高基投入的15.6億,上海地方配套的15.6億,剩餘的則都是企業自籌。也就是說整個兆芯課題,包括CPU、作業系統、整機、工藝四大部分加起來獲得的總投資為57億元人民幣,其中還有不少是兆芯自己省吃儉用東挪西補籌來的。


▲國外處理器的研發投入遠遠高於國產處理器。


而這57億元金額雖然看起來很多,但與其他處理器廠商的投入相比也沒有任何優勢。首先由於我國x86處理器起步較晚,很多技術、協議的使用需要資金獲得國際授權,其次就是老生常談、花費很高的研發與工藝成本。李明樹博士通過公開報道蒐集的資料顯示:IBM Power 8處理器的研發費用在24億美元左右;AMD Zen架構研發約五年時間,花費成本55.82億美元,算出來架構投資約31.26億美元。數值可能存在出入,但大概也花費了幾十億美元的研發成本。而英特爾在研發上現在每年要花費百億美元,我們則是花幾十億人民幣來做人家幾十億美元、甚至上百億美元的事,的確非常不容易。


那麼在投入有限的環境下,新一代國產x86處理器到底取得了怎樣的成就?


兆芯開先KX-5000系列處理器架構獲重大進步


首先,中國科學院院士、中國科學院上海高等研究院院長王曦院士認為此次兆芯開先KX-5000系列的釋出是中國處理器非常重要的突破,工業和資訊化部電子資訊司積體電路處處長任愛光則表示這個專案是各位總師傾注心血最大的專案,今天兆芯開先KX-5000系列的釋出是咱們邁出的第一步。當然更為精彩的,還是接下來上海兆芯積體電路有限公司董事長葉峻先生,上海兆芯積體電路有限公司總工程師王惟林先生則從技術的角度對兆芯開先KX-5000系列處理器進行的詳細介紹。


▲上海兆芯積體電路有限公司董事長葉峻先生在會場上正式釋出了兆芯開先KX-5000系列處理器。


開先KX-5000系列處理器是兆芯第一款採用SOC設計,基於Wudaokou架構的國產自主可控通用CPU,它採用28nm工藝打造,核心數達到4~8核心。同時它也是國內第一款支援雙通道DDR4記憶體的國產CPU。其187平方毫米麵積大小的晶片裡總共有21億個電晶體,裡面可整合最多八顆CPU核心以及顯示核心,處理器自帶的顯示核心支援高清4K解碼。



▲現場展示了採用兆芯開先KX-5000系列4核心、8核心處理器的整機,可流暢播放4K視訊。


SOC設計的意義是什麼?在之前的兆芯ZX-C+8核心處理器上,它的結構是由兩個ZX-C四核心處理器封裝在一起,在外觀上我們可以看到其PCB基板上有兩顆小核心然而問題也來了,多核心處理器在工作時需要確保各個核心所能“看”到的快取內容一致,知道哪個資料被改寫了,哪個任務該由哪顆核心來執行,避免衝突,實現效率最大化,因此就需要時刻同步,以保持快取一致性。


但ZX-C+處理器只是一個單純的運算核心,要讓每個四核模組中的快取保持一致性,就需要將這個協調工作交給外部的北橋晶片——兩個四核心模組需要同步更新處理器內快取的資料時,將由FSB前端匯流排傳輸到北橋作更新。雖然快取的資料量並不巨大,但由於需要通過北橋進行處理,無疑會帶來一定的延遲,核心之間的通訊就會變得緩慢,這將在一定程度上影響處理器效能的發揮。


▲開先KX-5000系列處理器採用的Wudaokou架構示意圖,與AMD ZEN架構類似,也是每4顆核心組成一個簇,即一個模組,模組之間通過點對點直連網路互聯,每個模組中的四顆核心共享4MB二級快取。


而在開先KX-5000系列處理器中,它不僅提升了快取容量,每四顆核心共享4MB快取,總計擁有8MB快取。更重要的是,處理器與北橋的完全融合,使得其快取資料的一致性直接在處理器內部就可以完成。這也就意味著處理器之間的互動不用再通過北橋,而是使用片內高速點對點直連網路互聯,降低了延遲並提高了頻寬,其架構非常類似於AMD的ZEN,可以說是英雄所見略同。


其次記憶體控制器、PCIe控制器的融合也可以大大提升記憶體與顯示卡效能。在南北橋架構中,記憶體、顯示卡都必須通過北橋由FSB前端匯流排將資料傳輸給處理器。但問題是在ZX-C平臺中,FSB前端匯流排頻率只有1333MHz,理論最大頻寬也就在10.6GB/s左右。而在開先KX-5000系列處理器中,它在處理器內部整合了DDR4記憶體控制器與PCIe控制器,處理器可通過內部的高頻寬直連匯流排訪問記憶體、顯示卡。根據兆芯的資料,其中記憶體訪問頻寬提升到單核心12GB/s,多核心17GB/s,記憶體頻寬的提升能更好地發揮出處理器的運算效能。


更為關鍵的是,兆芯開先KX-5000系列採用的Wudaokou架構通過減少5級流水線的全新核心流水線設計,改進的分支預測,改進的亂序執行演算法,以及頻寬翻倍、全新的訪存單元使得處理器的單核效能提升了25%,多核效能提升了1.4倍。同時兆芯也為KX-5000系列設計了型號為ZX-200的IO擴充套件晶片(即類似於英特爾Z370、AMD X370,提供擴充套件能力與功能模組的主機板晶片組),可以提供9條PCIe 2.0通道,11個USB介面,其中包括兩個原生的USB3.1 GEN 2介面,要知道目前英特爾的Z370主機板都尚無法原生支援USB 3.1 GEN2。


▲採用8核心8執行緒設計,頻率為2.0GHz,配備8MB快取的兆芯開先KX-U5680處理器。


▲採用4核心4執行緒設計,頻率為2.0GHz,配備4MB快取的兆芯開先KX-5640處理器。


同時在產品佈局上,與英特爾的Core i3、Core i5類似,兆芯此次在開先KX-5000系列上佈局了多款產品,定位較低的如KX-5540、KA-5640,其核心頻率再1.8GHz~2.0GHz,採用四核心四執行緒設計;定位較高的產品在數字型號前則有英文U,如KX-U5680、KX-U5580M、KX-U5580M,均採用8核心8執行緒設計,彼此間的不同主要在工作頻率的設定上。此外兆芯還針對伺服器、儲存領域推出了基於Wudaokou架構的KH-20000系列,與普通的開先KX-5000系列相比,它們支援最高128GB記憶體,並支援RDIMM/ECC記憶體。


▲開先KX-5000系列家族一覽


▲兆芯開先KX-5000系列8核心處理器已達到主流處理器的效能標準


而在大家最為關注的效能上,兆芯此次也公開了多項資料。兆芯開先KX-5000系列8核心處理器在SPEC2006中的整數單任務效能為19.9,多工評分為115。在DIY玩家常用的FrizChess象棋算力測試中,其效能達到7911千步/秒,7-zip綜合評分為12122MIPS,CINEBENCH R11.5 CPU渲染得分為4.01pts。


從這些測試結果來看,兆芯開先KX-5000系列8核心處理器的效能已經基本達到第六代酷睿處理器Core i3-6100的水平。Core i3-6100處理器在FrizChess象棋算力測試中的成績為7588千步/秒,CINEBENCH R11.5 CPU渲染得分4.35pts,7-zip綜合評分在11236左右。從還在使用南北橋架構、FSB匯流排的ZX-C處理器到效能追上第六代酷睿i3處理器,對於兆芯國產x86處理器來說,這的確是一個非常大的進步。王曦院士將兆芯開先KX-5000系列的釋出稱為“中國處理器非常重要的突破”顯然也不為過。


瞄準個人使用者市場

未來將更加值得期待


會後本刊還特別對上海兆芯積體電路有限公司董事長葉峻先生,上海兆芯積體電路有限公司總工程師王惟林先生進行了專訪,而兩位國產x86處理器的領軍人也在訪談過程中透露了更多有關國產x86處理器的應用、市場訴求,以及未來兆芯處理器的發展情況進行了介紹。


▲會後上海兆芯積體電路有限公司董事長葉峻先生(圖左),上海兆芯積體電路有限公司總工程師王惟林先生(圖右)接受了本刊專訪。


首先葉峻先生介紹到除了已經在一些國家單位得到應用外,更值得提及的是,在十九大上也使用了基於兆芯處理器的聯想計算機全程保證了十九大的會務。根據會場的使用反饋情況,國產整機在會議期間執行穩定,機器效能良好,應用性強,獲得了一致認可。同時兆芯處理器的安全性,對SM3、SM4高速國密演算法指令的支援,快速加解密各類政務、保密檔案的能力也是其他國外處理器不具備的,這也顯示出兆芯已經能很好地滿足政府部門、軍隊以及金融等專業市場的需求。


不過這個市場的量並不大,全國保有量也就在200萬臺左右,每年的總採購量也就幾十萬臺,同時還有其他國產處理器的競爭,因此這個市場的份額只佔整個CPU市場的最多5%。所以兆芯要想獲得更好的發展,還得去爭取那剩下95%的個人使用者市場。在這個市場雖然沒有國內同行競爭,但卻有英特爾、AMD兩大巨頭。兆芯非常希望同他們展開市場競爭,但發展和進步必須要一步一個腳印的來。


▲兆芯處理器發展路線圖,KX-6000將換用16奈米工藝,KX-7000將採用全新架構。


為什麼不一步到位將現在的兆芯處理器提升到可與英特爾、AMD產品匹敵的頻率,配備更多的快取?王惟林先生解釋到目前我國處理器與競爭對手的主要差距還是在工藝上,單有好的想法、設計是不夠的,必須根據自身工藝水平來決定處理器的架構設計,如果工藝跟不上還是無法實現。當然兆芯也在努力追趕更先進的生產工藝,如正在開發的KX-6000將採用16奈米工藝,單核頻率達到3.0GHz,可支援DDR4 2800、3200記憶體。


KX-6000將探索高頻下的設計流程,包括從pcb/substrate/power plan研究PI/SI的問題,高頻時序收斂的問題。同時新的處理器微架構也在準備當中,兆芯新的互聯架構KX-7000也會進一步升級,目前核心已經開發到了一定的程度。根據兆芯的評估,其單核效能與KX-5000相比,同頻下面增長了1.4倍到1.5倍,並將支援PCIe 4.0、DDR5等未來前沿技術標準。


“從近2~3年的目標來看,兆芯的目標是要具備自我造血能力,將處理器的銷量逐步提升,儘快達到每年百萬級的銷量,那麼兆芯不僅將實現收支平衡,也能有力擴大我們的研發團隊、加大研發投入,讓兆芯處理器獲得不斷髮展。”在採訪最後葉峻先生提出了他的期望。顯然兆芯處理器絕不是依靠一個外部投資的形象工程,而是一個旨在通過技術攻堅、融入市場化運營,對我國處理器行業發展具有重大意義的實幹專案。我們期待在那95%的x86處理器市場,早日迎來三足鼎立的那一天。





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