突破封锁!国产芯片终于有了自己的指令集!

CFan 电脑爱好者 2021-04-16 09:33产品 标签:指令集 芯片

在半导体芯片领域,指令系统是一切软硬件生态的起点

以大家最熟悉的ARM和X86为例,它们就分别隶属于RISC精简指令集和CISC复杂指令集。

随着物联网、5G、AI新兴领域的兴起,RISC-V和MIPS两大精简指令集架构也频繁出现在我们的视野内。

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所谓芯片,其实都是由半导体堆出来的硬件电路,晶体管越多往往代表性能和功能越强。但无论是超级计算机还是智能手环,它们搭载的处理器都只能识别二进制数据

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想让这些芯片正常运行,处理复杂的应用场景,首先就要教会它们学会类似九九乘法表的“算法口诀”和“数学公式”,而这些算法口诀/公式其实就是所谓的“指令集”

换句话说,指令集的功能和效率(算法口诀/公式的类型),在很大程度上就决定了各类芯片的成就和算力的上限

虽然海思麒麟、龙芯、兆芯、海光、紫光、澎湃等国产芯片都在各自领域取得了不俗的成绩,但无论是它们,还是其他采用X86、ARM、MIPS、RISC-V、Alpha和Power,选择封闭、授权还是开源的国产芯片项目,其底层的指令集根基都掌握在别人手里。

因此,只有从指令系统的根源上实现自主,才能打破软件生态发展受制于人的枷锁

好消息是,日前龙芯中科就正式发布了自主指令系统架构“Loongson Architecture”,简称为“龙芯架构”或者“LoongArch”。它包括基础架构部分,以及向量扩展LSX、高级向量扩展LASX、虚拟化LVZ、二进制翻译LBT等扩展部分,总共接近2000条指令。同时不包含龙芯此前使用的MIPS指令系统,并具有完全自主、技术先进、兼容生态三个方面的特点

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目前,采用LoongArch的龙芯3A5000处理器芯片已经流片成功,完整操作系统也已稳定运行,它能对多种国际主流指令系统的高效二进制翻译链,并成功演示了运行基于其它主流指令系统的复杂应用程序。

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LoongArch对MIPS指令的翻译效率是100%性能,对ARM指令翻译的效率是90%性能,对x86的翻译效率是80%性能。

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此外,龙芯中科还在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。

所谓IP核,我们可以理解为ARM旗下的Cortex-A78和Cortex-A55等,后置都是基于ARMv8指令集打造的核心IP架构,并授权给了高通、三星、联发科等芯片商开发SoC移动平台。

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目前,ARM刚刚发布了ARMv9指令集,如果不出意外将在下半年发布的Cortex-A79和Cortex-X2架构就将采用这套指令集。

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近10年来32位手机处理器都是基于ARMv7指令集打造,在A75之前的处理器则是基于ARMv8-A设计,随后都是ARMv8.2-A一统江湖

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ARM指令集可以细分为Cortex-A(ARMv-A)、Cortex-R(ARMv-R)Cortex-M(ARMv-M),分别适用于不同类型的芯片

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比如车载芯片使用的就是Cortex-R(ARMv-R)核心IP

总之,设计出一个纯国产的自主指令集只是万里长征的第一步,关键是后续要做出懂这个指令集的CPU(已经有了龙芯3A5000),再往后还需要让和人类交互的“翻译家”——编译器懂这个指令集。也就是需要不断完善软硬件生态,让我们熟悉的系统、办公、娱乐和游戏程序都能运行在这套指令集打造的芯片之上。如果做不到这一步,国产指令集和相关芯片也只是空中楼阁而已、

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作为国人,我们真心希望LoongArch这种国产指令集可以取得成功,今后无论手机、电脑、车载还是其他半导体芯片都能以使用国产指令集为荣,并走向世界。

扩展小知识

那么,指令集又是如何影响芯片执行效率的?

我们以RISC和CISC,让它们分别执行“清洁地面”的命令为例,看看其背后的指令逻辑差异。

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逻辑上,“清洁地面”的大概思路是先拿起扫帚,扫地;拿起簸箕,用扫帚把垃圾扫进簸箕;放下扫帚和簸箕,润湿墩布;再用墩布擦地,直至清洁地面完成。

对CISC复杂指令集而言,很容易理解“清洁地面”这套逻辑,下达“清洁地面”命令后,就能按照规则和顺序,一步步自动完成。

对于RISC精简指令集而言,它一下子可理解不了如此复杂的逻辑,必须将复杂的逻辑顺序拆分,然后按照一项项简单的命令去完成复杂的操作。

比如,想让RISC精简指令集完成“清洁地面”命令,就必须依次下达“拿起扫帚”、“扫地”、“拿起簸箕”、“把垃圾扫进簸箕”、“放下扫帚和簸箕”、“润湿墩布”、“墩地”……

看起来CISC复杂指令集方便又强大?没错,如果要同时清洁无数房间地面,你只要对着不同的房屋说“清洁地面”、“清洁地面”、“清洁地面”……即可。

而对RISC精简指令集,你需要对着每个房间都重复一整套复杂的命令,如果下达指令的人嘴巴不够快(带宽不够大),那清洁地面的效率自然受到影响,难以和CISC复杂指令集抗衡。

但是,现实生活中,并非所有房间的地面都需要一整套的清洁流程,比如你只需要墩地一个步骤。

对RISC精简指令集而言,你只需对着需要清洁的房间说“墩地”、“墩地”、“墩地”即可。而由于CISC复杂指令集没有单独的“墩地”动作,操作起来就要麻烦许多,完成相同的墩地操作会消耗更多资源,翻译过来就是发热更高更费电。

这就是RISC和CISC的本质区别。说不上谁好谁坏,只能说它们所擅长的领域各不相同。

以ARM架构为代表的RISC精简指令集,最适合针对常用的命令进行优化,赋予它更简洁和高效的执行环境,对不常用的功能则通过各种精简指令组合起来完成。

RISC是将复杂度交给了编译器,牺牲了程序大小和指令带宽,从而换取了简单和低功耗的硬件实现。

对以X86架构为代表的CISC复杂指令集,则适合更加复杂的应用环境。

CISC是以增加处理器本身复杂度作为代价,以牺牲功耗为代价去换取更高的性能。不过,X86架构则可通过对新型指令集的支持(如SSE4.1、AVX-512等),在一定程度上提高指定任务的执行效率和降低功耗。

现在芯片领域是RISC攻,CISC守的格局。以苹果M1为代表的ARM架构RISC指令集芯片正在染指传统的X86 PC市场,而且大概率会取得成功。虽然以英特尔为代表的X86阵营曾多次试图反击Android生态(如早期的Atom芯片),但最终却都以失败告终。ARM最新发布的ARMv9指令集,就给了ARM芯片入侵X86 PC大本营更多弹药,也许用不了多久Windows ARM版PC也将成为一个更加重要的PC品类。

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