龍芯中科成功發布新一代自主指令集 我國芯片系統架構開啟新紀元
近期，龍芯中科發布了新一代自主指令系統架構——龍芯架構 （LoongArch）。據了解，該系統架構已經通過國內第三方知名知識產權評估機構的評估。支持該架構的龍芯3A5000處理器芯片已經流片成功。基于新架構的完整操作系統也已經在3A5000計算機上穩定運行。龍芯中科指令集的開發成功為我國系統架構開啟了新的紀元，對于產業生態體系的建設和完善產生巨大的助力。
不能在別人的地基上砌房子
在半導體芯片領域，指令系統是一切軟硬件生態的起點。其中，ARM和X86最為人們所熟知，它們分別隸屬于RISC精簡指令集和CISC復雜指令集。隨著物聯網、5G、AI新興領域的興起，RISC-V和MIPS兩大精簡指令集架構也頻繁地出現在人們的視野內。
近年來，盡管本土芯片都在各自領域取得了不俗的成績，但其底層的指令集根基往往掌握在別人手里。例如，華為麒麟采用的是ARM架構、兆芯所采用的是X86架構、申威采用的是Alpha架構、龍芯所采用的是MIPS架構。這導致了芯片和指令集之間，往往是“一榮俱榮，一損俱損”。MIPS最初開發的目的是面向注重速度和性能的高性能計算，在功耗和面積上有所欠缺，商業化后存在一定不足，一度導致采用MIPS架構的龍芯芯片發展滯后。
“若想尋求長遠發展，我們不能基于國外指令系統建設自主的信息生態體系。這就好比，我們不能在別人的地基上砌房子，那樣的房子，就算建好了，也沒有自主權。”龍芯中科技術有限公司董事長、中國科學院計算技術研究所研究員胡偉武說道。
因此，發展本土自主可控的指令集，成為了半導體產業關注的焦點，也是打破核心技術壟斷的關鍵。賽迪智庫分析師鐘新龍認為，此次龍芯推出自主指令架構，最大的突破在于擺脫了MIPS的束縛。如今，MIPS已不適應現代CPU高性能設計，以及高性能操作系統的架構體系，因此，若想更好地對CPU性能進行提升，需要對指令集系統進行一個較大的調整和性能的提升。據悉，此次發布的龍芯架構，在仿真測試中，僅僅在CPU譯碼部分，就比MIPS的性能增加了16%。
兼容并濟是市場競爭關鍵
盡管打造一套本土自主可控的指令集異常關鍵，然而，若想在ARM、X86、RISC-V以及MIPS所壟斷的市場中尋找生存機遇，如何能夠兼容不同的指令集也是最為關鍵的一環。胡偉武表示，如果把C語言、JAVA語言等直接翻譯成新的指令系統，不僅會降低效率，還會使產品性能大幅降低。
此次新推出的龍芯架構最大的特點不僅僅在于自主性，而是在具備自主性的同時，也可以兼容其他主流指令集。這是本次發布指令集的一大突破。胡偉武表示，此次推出的龍芯架構包括基礎架構部分，以及向量擴展LSX、高級向量擴展LASX、虛擬化LVZ、二進制翻譯LBT等擴展部分，總共接近2000條指令，同時不包含龍芯此前使用的MIPS指令系統。
可見，此次推出的龍芯架構從整個架構的頂層規劃，到各部分的功能定義，再到細節上每條指令的編碼、名稱、含義，在架構上進行了自主重新設計，具有充分的自主性，同時也能兼容多種主流指令系統。
據胡偉武介紹，若想做到指令集既自主又兼容，需要滿足三點基本要求：第一，先進性，需要企業不斷吸收近年來指令集發展的先進技術成果，并適度摒棄一些“過時”的技術特征。第二，兼容性，需要融合X86、MIPS、ARM指令系統的主要特點，高效支持二進制翻譯。第三，擴展性，指令槽需要留有余地，有利于日后的持續演進。
建立既自主又兼容的指令集并非易事。盡管本土指令集需要本著“不能在別人的地基上砌房子”的初心，但是也需要保證在擁自己的“地基”后，讓更多人來“砌房子”。兼容并濟，海納百川，是本土指令集立足于市場，參與競爭的關鍵一環。
消除指令系統間的壁壘
在打造既兼容又自主的系統生態過程中，消除指令系統壁壘是本土指令集順利發展的又一大因素。胡偉武表示，目前，本土指令集的自主性相對還處于過渡性的階段。本土指令集需要發展自己的應用，建立自主生態；與此同時，需要先消除指令系統間的壁壘。而消除的關鍵在于二進制的翻譯。
據悉，二進制翻譯本質上是一種跨指令系統的虛擬機，支持虛擬機的很多基礎設施在二進制翻譯體系中可以復用。然而，它的技術挑戰也非常大，實現精確翻譯的復雜度高且工作量大，并且不易控制。
“二進制翻譯不僅需要翻譯指令，還需要翻譯整個體系結構。與此同時，不同體系的語義會產生一定的鴻溝，除指令集以外，像ABI、函數庫、操作系統、工具鏈以及應用層等，體系結構都有些許差異，都會給翻譯造成一定困難。就好比我們的語言，最基本的字、單詞、發音都是統一的，但若匯編成成語、書籍、歌曲等，需要不同的字詞結構組合，且相互之間難以直接關聯，對于系統架構來說也是如此。”胡偉武說道。
因此，胡偉武認為，在未來，國產指令集在消除指令壁壘的過程中，可以嘗試通過硬件支持不斷深入消除壁壘。例如，晶體管、CPU等性能的提升。此外，也可以采用一些特殊的二進制翻譯方式來縮小鴻溝，而這也是行業內普遍采用的手段之一。
“以語言翻譯為例，若是從繁體中文翻譯成簡體中文，這個翻譯非常簡單，但是如何把英文翻成中文，這個就相對較難。因此，可以選擇語義鴻溝較小的架構來作為過渡，例如，X86和MIPS語義鴻溝確實比較大，二者之間相當于英文和中文之間的翻譯，難度較高，但是X86與龍芯之間的語義鴻溝較小，有2/3的指令翻譯相當于從繁體中文翻譯成簡體中文。雖然最終目標是建立自己的生態體系，但是在發展過程中，可以借助其他指令集來進行過渡。這樣不僅可以減少客戶因更換指令集而帶來的負擔，同時也能以最快的速度有效減少指令壁壘。”胡偉武說道。
可見，設計出新的自主指令集只是萬里長征的第一步，未來需要不斷完善軟硬件生態，消除指令系統壁壘，讓原始的系統、辦公、娛樂和游戲程序都能正常地運行在新的指令集之上。否則，指令集和相關芯片只能成為空中樓閣，無法真正落地。
