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龍芯

龍芯（英語：Loongson，舊稱Godson[1]）是由中國科學院計算技術研究所、龍芯中科、神州龍芯等機構、公司所設計的一系列各種晶片（包括通用中央處理器、SoC、微控制器、晶片組等），採用MIPS、LoongISA、LoongArch精簡指令集架構，由MIPS科技公司授權使用MIPS指令集[2]。龍芯1號系列為嵌入式領域晶片。龍芯2號系列速度最高為1GHz，用於客戶端、工控等低中階領域。龍芯3號系列於2010年推出成品，用於桌面、伺服器、超算、工控、嵌入式終端等領域。

龍芯
產品化2002年9月28日，​22年前​（2002-09-28）
推出公司龍芯中科
航天龍夢
神州龍芯
生產商
微架構GS132
GS232
GS264
GS464
GS464E
GS464V
指令集架構MIPS II
MIPS III
MIPS64
LoongISA
LoongArch
製作工藝/製程180 nm 至 12 nm
核心數量1-8
CPU主頻範圍8 MHz 至 2.0 GHz
HyperTransport速率800 MHz 至 2.4 GHz
應用平台桌面、伺服器、超級電腦、工控機、嵌入式、教育應用計算機、航天

晶片

龍芯從其架構核心構建了3個處理器系列[3]。這些包括[3]：

  • 龍芯一號，用於消費電子和嵌入式應用。
  • 龍芯二號，用於嵌入式應用和低效能個人電腦的單核處理器[note 1]。
  • 龍芯三號，用於高效能電腦、高效能計算和伺服器的多核處理器[note 2]。

龍芯一號

主條目：龍芯一號

龍芯一號於2000年開始研製，2001年8月19日龍芯一號邏輯設計在FPGA平台上執行起來。這一天被定為龍芯的生日。2002年9月28日正式發布投產成功。龍芯一號整體的效能低於Intel奔騰II。[4]為了紀念胡偉武的導師夏培肅從事電腦事業50周年，龍芯一號被命名為「夏50」。[5]

考慮到專利授權原因，這一代的龍芯沒有實現MIPS的四個不對齊主記憶體訪問指令（US4814976A）。2007年後，龍芯正式購買了MIPS授權，才解決了這一問題。

龍芯1號系列

2010年4月，中國科學院與北京市共同組建的龍芯中科有限公司在中關村環保園建立了龍芯產業園。公司成立後，龍芯調查市場，重新建立了低階嵌入式產品線——龍芯1號。

2011年左右，龍芯中科研發了一款面向嵌入式市場的處理器龍芯1A。於2012年提供產品，可作為龍芯其他處理器的橋片。龍芯1B在嵌入式處理器研發上繼續做減法，於2011年流片成功，先於龍芯1A，這是龍芯中科第一次從全系統的角度來考慮降低成本的晶片。

此後龍芯中科於2013年針對指紋生物辨識應用推出了龍芯1C，2018年針對超人智慧型鎖研發了1C101晶片。2014年龍芯與三川智慧型合作，為智慧型水錶、氣表、量熱表客製化的一款超音波計量專用晶片龍芯1D。

龍芯1G是用於蘇州上聲音響的一款音響專用晶片。2015年新研的龍芯1H晶片針對石油鑽探領域隨鑽測井應用設計，設計目標是175攝氏度超高溫工作條件下的長時間可靠執行。於2017年4月發布。目前，龍芯1H已經在長慶油田得到了應用。

除此之外，1號系列中還有1E、1F系列的龍芯航天專用抗輻照處理器、1J抗輻照單晶片晶片。[6]。

龍芯2號系列

主條目：龍芯2號系列

龍芯2號系列最初的版本是用0.13微米製程技術，均為64位元處理器，早期的型號是4發射亂序執行的64位元GS464系列微架構，後來新出的處理器升級為採用GS464E微架構。龍芯2K1000處理器是整合雙發射亂序執行的GS264微架構的64位元雙核處理器。

龍芯3號系列

主條目：龍芯3號系列

龍芯3號處理器開始進行了多核處理器架構設計[7]，均為64位元多核處理器。

龍芯橋片系列

龍芯7A1000

龍芯7A1000橋片是龍芯3號處理器的第一款晶片組產品，目標是替代AMD RS780(E)+SB710 晶片組，為龍芯處理器提供南北橋功能。

 
龍芯7A1000橋片正面照，整合在搭載3A3000的主機板上

龍芯3A4000將不再採用AMD的RS780晶片組，而採用龍芯7A1000作為橋片，避免在橋片的選擇上受制於AMD。

龍芯7A2000

作為龍芯下一代晶片的配套橋片，龍芯7A2000是龍芯7A1000的升級版。相對於7A1000，7A2000的PCIe控制器代碼龍芯計劃自己編寫，且為PCIe Gen3。採用的28nm工藝，GPU為自研GPU。

從未公布的隱藏處理器

除了龍芯1號、2號、3號三個系列的處理器，在龍芯的發展過程中還開發了一些實驗型的處理器，並沒有量產，有些甚至沒有流片。

龍芯處理器在發展過程中，一度想要用做超算處理器，開發一款64核的眾核處理器，命名為Godson-T。Godson-T由計算所先進微系統研究組研發，2008年已經在進行RTL驗證在2008年12月開始RTL代碼編寫。2010年5月，GodSon-T的原型晶片16核GodSon-TI交付流片，採用130奈米工藝。2010年10月17日，除錯成功。由於龍芯將研發重點重新轉向提高處理器單核效能，Godson-T處理器研發中止。[8]

為了實現對現有生態的相容，龍芯3A系列實現了針對x86指令和arm指令的二進制翻譯指令。在研發過程中，由於智慧財產權和專利等原因而無法使用x86指令集，龍芯開發了使用x86指令集的處理器原型Godson-X。它與x86相容，並支援英特爾MMX 指令，SSE指令集和x87浮點指令。[8]

中科龍夢（現更名為航天龍夢）使用早期的龍芯1號的IP核，開發了龍夢一號SOC，用於稅控機（Fiscalcontroller register）。[8]該稅控 SoC 專用晶片以「龍芯1」處理器核作為MCU，採用AHB（the Advanced High performance Bus）＋APB（the Advanced Peripheral Bus）為片上匯流排。 [9] [10]

此外，還有神州龍芯根據龍芯2號設計的一款SOC晶片GS32I。[8]

核心

龍芯有三大系列處理器核心，其中一些可用作IP核心[11]：

  • GS1xx:基本的嵌入式MIPS32核心和硬體分割器。3- (GS132)或者5- (GS132E)級管線。
  • GS2xx:高端嵌入式MIPS32（GS232/GS232E）或MIPS64（GS264）核心。
    • GS232:具有最大500 MHz的5級管線。L1＝16KB。GS 232主要用於龍芯一號產品。
    • GS232E/GS264:具有最大1000 MHz的10級管線。L1=16 KB，L2=4 MB共享。這個核心有故障問題。
  • GS464:具有四路超純量支援的MIPS64核心[12]。該設計源自龍芯2F處理器[13]。它首先廣泛用於龍芯3A處理器，然後也用於龍芯2系列[12]。
    • GS464:支援MIPS64 R2+LongMMI（2E和2F兩種不同版本）
    • GS464V:2010年首次與龍芯3B一起推出，是一款具有向量功能的GS464。
    • GS464E:這個是GS464的改進版本[14]。在發現GS464處理器存在缺陷後，開發工作於2012年開始[13]。核心有多項改進，包括更大的快取和更好的分支預測等，並且得到了更好的最佳化[13]。核心被擴充為支援LoongISA（除了MIPS64 R2架構之外）[14]。
    • GS464EV:是GS464系列的發展，首次在3A4000處理器被使用。
    • LA464:是GS464的開發，以支援LoongArch。雖然3A5000的初始核心是GS464，但由於指令集不相容，龍在2021的文件中將3A5000核心重新命名為LA464。

所有龍芯核心都是位元組順序。

有網站論壇注意到，龍芯微架構的命名不一致，不同的產品都有相同的處理器核心，儘管指令集可能不完全相容。

晶片基本資訊

系列 型號 頻率
（MHz） 		指令集架構
 微架構 推出年份 核心數目 製程
（nm） 		電晶體
（百萬） 		裸晶面積
（mm²） 		功耗
（W） 		電壓
（V） 		快取[註 1]（KiB） 峰值浮點效能
（GFLOPS） 		SPEC 2000

分數

SPEC 2006

分數

備註
一級（單核） 二級[註 2]
(victim cache/共享) 		三級
(共享) 		單核 多核 單核 多核
資料(L1i) 指令(L1d) int fp int fp int fp int fp
Godson 1 266 MIPS-II 32-bit 不適用 2001 1 180 22 71.4 1.0 未知 8 8 不適用 不適用 0.6 19/25 不適用 不適用 不適用 [5][4]
FCR_SOC 266 MIPS-II 32-bit 不適用 2007 1 180 未知 未知 未知 未知 8 8 不適用 不適用 0.6 不適用 不適用 不適用 [9][10]
2B 250 MIPS-III 64-bit 不適用 2003 1 180 未知 未知 未知 未知 32 32 不適用 不適用 未知 52 58 不適用 不適用 不適用
2C 450 MIPS-III 64-bit 不適用 2004 1 180 13.5 41.5 未知 未知 64 64 不適用 不適用 未知 159 114 不適用 不適用 不適用
2E 1000 MIPS-III 64-bit GS464 (r1)（原型） 2006 1 90 47 36 7 1.2 64 64 512 不適用 未知 503 503 不適用 不適用 不適用
龍芯1 1A 300 MIPS32 GS232 2010 1 130 22 71.4 1.0 未知 16 16 不適用 不適用 0.6 未知 未知 未知 未知 [15]
1B 266 MIPS32 GS232 2010 1 130 13.3 28 0.6 未知 8 8 不適用 不適用 未知 未知 未知 未知 未知 [16]
1C 300 MIPS32 GS232 2013 1 130 11.1 28.3 0.5 未知 16 16 不適用 不適用 未知 未知 未知 未知 未知 [17]
1C101 8 MIPS32 GS132R 2018 1 130 未知 未知 未知 未知 不適用 不適用 不適用 不適用 未知 未知 未知 未知 未知 [18]
1D 8 MIPS32 GS132 2014 1 130 1 6 3 × 10−5 未知 不適用 不適用 不適用 不適用 未知 未知 未知 未知 未知 [19]
龍芯2 2F 1200 MIPS-III 64-bit GS464 (r1) 2007 1 90 51 43 5 1.2 64 64 512 不適用 3.2 未知 未知 未知 未知 [20]
2G 1000 MIPS64 GS464 (r2) 2012 1 65 未知 未知 未知 1.15 64 64 4096 不適用 未知 未知 未知 未知 未知 [21]
2GP 800 MIPS64 GS464 (r2) 2013 1 65 82 65.7 8 1.15 64 64 1024 不適用 3.2 未知 未知 未知 未知
2I
2H 1000 MIPS64 GS464 (r2) 2012 1 65 152 117 5 1.15 64 64 512 不適用 4 未知 未知 未知 未知
2K1000 1000 MIPS64 Release 2

LoongISA1.0

GS264 2017 2 40 1900 79 5 1.1 32 32 2562 1024 8 未知 未知 未知 未知 [22]
龍芯3 3A1000 1000 MIPS64 Release 2 GS464 (r2) 2009 4 65 425 174.5 10 1.15 64 64 256x4 不適用 16 不適用 568 788 不適用 2.4 2.3 [23]
3B1000 1000 MIPS64 Release 2 GS464v 2010 4+4 65 >600 未知 20 1.15 64 64 128x8 不適用 128 未知 未知 未知 未知 [24]
3B1500 1200–1500 MIPS64 Release 2 GS464v 2012 4+4 32 1140 142.5 30（典型）
60（向量） 		1.15–1.25 64 64 128x8 8192 150 未知 未知 未知 未知
3A1500-I 800–1000 MIPS64 Release 2

LoongISA1.0

GS464E 2015 4 40 621 202.3 15 1.15–1.25 64 64 256x4 4096 16 未知 未知 6 未知 [25]
3A2000
3B2000
3A3000 1500 MIPS64 Release 2

LoongISA1.0

GS464E 2016 4 28 >1200 155.78 30 1.15–1.25 64 64 256x4 8192 24 未知 1100 1700 11 10 36 33 [26][27]
3B3000
3A4000 1800-2000 MIPS64 Release 5

LoongISA 2.0

GS464EV(GS464v) 2019 4 12 未知 未知 <[email protected]

<[email protected]

<[email protected]

0.95-1.25 64 64 256x4 8192 128 21.1 21.2 61.7 58.1 未知 未知 [28]
3B4000 4 14 未知 未知 0.95-1.25
3A5000 2300-2500 LoongArch GS464V 2021 4 12/14 未知 未知 [email protected] 未知 64 64 256x4 16384 160 26.6 未知 80 未知 未知 未知 [29]
3B5000 未知 未知 未知
3C5000L 2200 LoongArch GS464V 2021 16 12/14 未知 未知 [email protected] 未知 64 64 256x16 16384x4 560 未知 [30]
3C5000L-LL 2000 LoongArch GS464V 2021 16 12/14 未知 未知 [email protected] 未知 64 64 256x16 16384x4 512 未知
3D5000 2000 LoongArch GS464V 2023 32 12/14 未知 未知 [email protected] 未知 64 64 256x32 65536 1024 未知 [31]
3A6000 2000-2500 LoongArch LA664 2023 4 未知 未知 未知 [email protected] 未知 64 64 256x4 16384 240 未知 43.1 54.6 155 140 [32]
  1. ^ 龍芯一般把最高層級快取(LLC)稱為 Shard-cache 或 Secondary-cache。
  2. ^ 這裡的 victim cache 可以認同為和 L1i/L1d 為同一級的，也就是說，龍芯官方宣稱的二級快取可以理解為和一級快取為同一級快取，官方宣稱的三級共享快取才是二級快取(Shared-cache/Secondary-cahce)。

軟體生態

 
3A4000處理器於2020年產的一塊主機板上

作業系統

目前能在龍芯上使用的作業系統有：

Linux

參見：Linux發行版比較 § 架構支援

BSD

即時作業系統(RTOS)

編譯器

GNU編譯器套裝是龍芯平台上軟體開發的主要編譯器。[33][34]同時中國科學院計算技術研究所也為龍芯2平台移植了Open64。[35]

開源社群

基於龍芯的產品已經成為Debian和Golang語言的MIPS架構編譯伺服器。在2019年，龍芯是唯一在市場零售的桌面級MIPS CPU。[36][37][38]

龍芯中科、龍夢以及其他一些個人核心開發者一直在Linux主線核心（kernel.org）提交並維護龍芯相關的代碼，並為MIPS架構實現了ftrace（英語：ftrace），zboot等功能。

應用

個人電腦產品

 
Gdium筆記本
 
2006年第一代福瓏盒子迷你機

自從龍芯2F發布以來，有數款筆記型電腦都採用了此種低功耗處理器，例如江蘇龍夢逸瓏筆記型電腦（YeeLoong）、深圳一本通電腦有限公龍騰筆記型電腦EBT700，有800x480解析度。採用龍芯2F處理器，主頻1GHz、EMTEC生產的Gdium筆記型電腦。龍夢也設計了使用龍芯2F的一體機，迷你電腦，桌上型電腦等產品。

步入3A/3B時代之後，龍夢繼續設計製造了許多龍芯的桌上型電腦，一體機，筆記本等裝置。同時也有其他廠商發布了使用龍芯處理器的電腦，其中包括清華同方、聯想 、浪潮、曙光、方正、百信這些OEM/ODM廠商，各自推出了基於龍芯3號系列CPU和龍芯橋片的個人桌上型電腦、一體機和筆記型電腦，但以上產品多見於政府國企採購而少見於民用市場。[39] 2021年初相隔十三年後第二代福瓏盒子2.0迷你機量產，其效能已達到民用低階辦公需求開始在網路購物等少量管道投放市場，配合UOS等新型國產化Linux操作系統使用。[40][41]

伺服器/儲存/雲終端

龍芯處理器被廣泛應用於伺服器，儲存，雲等領域。其中，有曙光、同方 、龍夢、浪潮、寶德、方正、百信這些OEM/ODM廠商，推出了基於龍芯處理器的伺服器、儲存和雲終端，在政務市場上得到大規模的應用。[42]

網路裝置

一些廠商推出了基於龍芯處理器的交換機、路由交換、伺服器密碼機和簽章驗證伺服器。[43]

嵌入式產品

 
龍芯在第二十屆中國金融發展論壇上的產品展覽

龍芯產品（CPU和SoC）已經廣泛運用於網安、能源、交通、金融、物聯網。工控等領域。其中，金融方面有直接搭載龍芯CPU和橋片的金融自助裝置，包括自動櫃員機（ATM）、存取款一體機（CRS）[44]和終端工控主機；交通方面有基於龍芯的交通訊號機，基於龍芯1D的交通行人燈，基於龍芯1C/1D的道路交通環境檢測系統，基於龍芯伺服器的城市交通智慧型控制系統軟體，基於龍芯3A3000/2K的ETC/MTC工控電腦和基於龍芯電腦的ETC/MTC收費應用支撐系統[45]；網路安全方面有許多基於龍芯的防火牆、交換機、網閘、閘道器[46]；物聯網方面有基於龍芯的門禁、門鎖等[47][48][49]；工控方面有基於龍芯的工控PLC、數控工具機；能源方面有基於龍芯1D晶片的三川智慧型的水錶、熱表。

行業應用/IP授權

2014年，海信獲得龍芯GS232 IP核授權，發布了Hi-View Pro畫質引擎晶片，是中國電視企業第一塊畫質晶片，核心由龍芯CPU核、海信高畫質畫質引擎共同組成。[50]2019年4月22日，國科微和龍芯簽訂協定，龍芯授權IP核給國科微，國科微下一代產品GK2302將採用龍芯的IP核來作為主控晶片中的CPU。[51]到現在為止，基於龍芯的IP授權大於1000萬顆。

高效能機/超級電腦

2007年12月，中國科學技術大學和中國科學院計算技術研究所成功研製整合了336顆64位元龍芯2F處理器的中國國產首台萬億次高效能電腦KD-50-I，其理論峰值計算能力達到1.008萬億次。專案由中科大教授陳國良院士主持。該電腦成本控制在80萬人民幣以下[52][53]。2010年4月，中國科學技術大學宣布成功開發了基於龍芯3A的KD-60-1，新的超級電腦是刀鋒伺服器的叢集，具有80多個龍芯3A處理器，理論計算峰值達到萬億次[54]。2012年12月，中國科學技術大學與深圳大學合作研製完成整合了10顆龍芯3B處理器的KD－90[55]。

2011年，中科院計算所與曙光公司研製完成了第一款完全由中文組件製造的超級電腦曙光6000，採用8000至10000顆八核心龍芯3B處理器[56]。

航天

龍芯中科2013年後開始研發人造衛星使用的抗宇宙輻射晶片，龍芯中科已掌握抗輻照加固技術、工藝及設計規範，設計研製了抗輻照處理器，其效能達到國外抗輻照處理器的指標。[6] 2021年至少有30顆北斗衛星在軌運行。[57][無關參照][58][無關參照]

參考文獻

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標註

  1. ^ 龍芯/龍芯2系列處理器的開發和命名主要是按字母順序進行的。
  2. ^ 龍芯/龍芯3系列處理器似乎是根據細分和代號命名的。這一細分市場往往是A（通用PC）、B（看似高核心數）和C（伺服器處理器）。第一個系列處理器的代數從1000開始，然後通常增加到下一個1000。有些處理器可能是兩代產品之間的處理器，其名稱為x5000。

另見

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