解密：龙芯两款CPU核为何开源？

蒹葭

解密：龙芯两款CPU核为何开源？

10月21日，教育部计算机类教学指导委员会、中国计算机学会教育专委会将2016 CNCC期间在山西太原举办“面向计算机系统能力培养的龙芯CPU高校开源计划”活动，在活动中，龙芯中科宣布将GS132和GS232两款CPU核向高校和学术界开源。那么——

龙芯开源的CPU核性能如何？

以往将CPU开源的公司有哪些？

开源CPU核又会带来哪些影响呢？

开源的CPU核性能如何？

CPU核也叫微结构，是决定CPU性能、安全、功耗、成本的最重要因素，日常我们所说的双核、四核、八核芯片，其实是将2、4、8个CPU核的接口互联并集成到一片硅片上，像Intel的Haswell、ARM的Cortex A72、AMD的Zen、龙芯的GS464E都是CPU核。在设计CPU的过程中，80%以上的功夫都用在CPU核上，因此，如何设计一个高性能的CPU核可以说是CPU设计中的关键技术之一。

目前，除了龙芯、申威、飞腾等老牌设计单位拥有自己设计的高性能CPU核之外，国内大多数IC设计公司依旧处于购买国外的IP“攒”出一个SOC的阶段，拥有自主设计CPU核的单位屈指可数。而龙芯本次将两款CPU核向高校和学术界开源，可以使学术界以龙芯的CPU核为基础开发产品，并以龙芯的CPU核为模板学习怎样设计CPU核。

龙芯开源的CPU核为GS132和GS232。GS132为单发射32位结构，采用三级静态流水结构，性能于ARM Cortex-M0/M3/M4相当。主要用于石油、电力、钻探、智能水表和智能电表。GS232为双发射32位结构，采用五级动态流水线结构，性能于ARM9和ARM11相当，在龙芯1A、1B、1C、1E中使用，主要用于各种嵌入式产品，在智能家电、人造卫星、工控等领域都有使用，像HS3700画质芯片就购买了GS232的授权，该芯片被用于海信的智能电视。

Sun曾经将T1、T2开源

1985年，Sun成功研究出了Sparc精简指令集CPU，再辅助以基于Unix开发的服务器系统，使Sun在工作站和服务器领域崭露头角，并逐渐可以对抗惠普和DEC这样的传统中式小型计算机。1992年Sun推出了市场上第一台多处理器台式机SPARCstation 10 system，1993年Sun进入财富500强，至2001年Sun在全球拥有五万雇员，市值超过两千亿美元。

Sun以硬件起家，但成也萧何，败也萧何，对硬件的重视，使Sun忽略了软件的重要性，特别是没能对Wintel联盟拥有足够的警惕性。在90年代末，因互联网的兴起，加上Sun的工作站相对于DEC的小型机和IBM的大型机具有价格优势，这导致虽然Sun的中小企业市场份额不断被Wintel蚕食，但由于其工作站可以侵占DEC和HP小型机的市场，其盈利模式得以延续。但在互联网泡沫破裂后，加上Wintel联盟的倾轧，Sun服务器和工作站业务则难以为继，仅2002年上半年就营业额同比跌至3称，并从2001年的盈利9亿美元，跌至亏损5亿美元，随后Sun一蹶不振，在2009年被甲骨文以74亿美元收购。在被收购前，也许是为了放手一搏，或又是为了其他什么原因，Sun将UltraSparc T1、T2开源。

T1和T2到底如何呢？根据网友“迪迦奥特曼”介绍，Sun开源了全套的RTL代码……拿着Sun开源的那套东西，做一些自定义修改，可以跑FPGA。学术圈里面已经有几个拿着OpenSPARC T1成功流片的项目，所以流片是肯定可行的…..不过T1、T2单核性能非常差，T1相当于上世纪80年代末期的水平，而T2相当于90年代早期的水平。所以千万不要指望T1和T2能有什么商业竞争力。OpenSPARC T1/T2现在最大的价值是帮助学术圈中的研究者们快速搭建一个原型系统，并且能感受一下2002~2005年时的工业级代码长什么样子。知乎网友“迪迦奥特曼”还表示，T2的源码存在BUG，至于是故意埋进去的，还是开源的时候没有处理好导致的无心之失，他就不知道了。

另外，据说国防科大在充分借鉴T1和T2的源代码后，先后开发出了飞腾1000和飞腾1500，两款芯片分别被用于天河1号和天河2号。

IBM的OpenPOWER

Power诞生于1990年，并斩获过多项世界第一——全球第一个双核CPU，全球第一款刀片服务器CPU，第一个战胜国际象棋冠军加里·卡斯帕罗夫的电脑深蓝所采用的CPU，第一个量产主频超过5G的CPU，第一个高超线程的CPU，以及第一个5000针的CPU，以及第一个封测成本比硅片成本还高的CPU，第一个单芯片量产价格突破10万美元的CPU......其应用范围曾经涵盖过小型、中型、大型主机，从高端到低端的工作站都可以看见Power的身影。

此外，Power还曾占据服务器市场三分之二的市场份额。而IBM也凭借Power巩固了自己科技巨人的地位，不仅在CPU研发上有着乱序执行的基础框架、寄存器重命名等一些列先驱性贡献，在科研上曾经一度成果斐然——在2001年，IBM获得美国专利和商标局授权专利数量高达3411项，比HP、Intel、Sun、Microsoft、Compaq、Dell、Apple、EMC、Oracle、EDS、Accenture和AOL在内的12家最大的美国IT业公司加在一起还要多。

但就在IBM和Power芯片光芒四射的同时，Intel却利用与微软结成联盟，并充分借力戴尔、康柏等整机厂，以Wintel联盟的方式在市场上大杀四方，加上IBM太过于任性，更倾向于服务土豪用户，没能细分和精耕市场，对市场和研发的综合掌握能力都不及Wintel，使Power空有一身高性能却难以抵挡Wintel联盟的侵蚀——从PC到工作站、服务器Power、Sparc等架构CPU的市场份额逐步被X86架构CPU蚕食。

与此同时，由于软件厂商若要兼容多种架构CPU的成本越来越高，造成软件厂商开始逐步放弃兼容一些架构的CPU——Power、Mips、Sparc、Alhpa等架构CPU先后被软件厂商抛弃，而原本性能最弱的X86芯片则依靠Wintel联盟和软件生态的优势笑到了最后。即便是曾经占据三分之二市场份额的服务器领域，低端服务器已然被Intel的X86芯片侵占，Power唯有在对可靠性、稳定性要求非常高，在决策上也非常保守的使用场景下，比如银行所采用的高端服务器市场寻找存在感。

正是昔日曾经辉煌的Power有着日渐被边缘化的趋势，如果IBM依然完全独占Power，其他IT公司根本不会基于Power构建基础软硬件。因此，IBM选择了联合Google、NVIDIA、TYAN、Mellanox成立了OpenPOWER联盟和OpenPOWER基金会试图力挽狂澜，旨在通过开放合作的模式，将IBM的Power硬件资产与软件堆栈，以及第三方联盟伙伴的软件堆栈深度结合，在芯片设计、系统设计与开源软件三个层面推动Power生态环境的发展与壮大。

不过，相对于Sun开源T1、T2后，大家都可以免费下载源码不同，要获得Power的源码，要付出不菲的代价，以2014年IBM向中国大陆中晟宏芯授权Power8源代码为例，为了拿到Power的全套代码和工具，据小道消息称，中方为此支付了2亿美元左右的费用。

学术界将受益于龙芯CPU开源

一直以来，我国计算机领域的教育更多的还是教学生如何“用”计算机而不是“造”计算机，这直接导致国内IT人才结构失衡，应用开发型人才充足，但底层基础系统研发人才却极度匮乏，使中国庞大的IT产业建立在国外软硬件系统平台之上。

龙芯将CPU核向高校和学术界开源，则给予在校大学生一个很好的学习实践平台——龙芯中科资助大学老师基于龙芯平台设计实验课程，使学生可以在真实的（而不是简化的）CPU上运行真实的（而不是简化的）操作系统，在龙芯实验平台上启动操作系统并进行性能分析。在流水线设计方面，让学生把GS132的三级静态流水线改造成五级静态流水线。在TLB和Cache设计方面，让学生在五级GS132处理器核上按MIPS32规范实现TLB及Cache，运行通用操作系统，进行有/无Cache的性能分析。在双发射结构设计方面，把GS132处理器核改造成双发射CPU，进行单发射和双发射性能比较。在动态流水线设计方面，在GS232基础上改写部分模块（如乘法器、保留站等）进行静态单发射、静态双发射、动态双发射的性能分析。

此外，龙芯还研发了CPU实验平台、操作系统实验平台、并行处理实验平台等数款龙芯教学平台，通过为高校提供完整的线上、线下实验环境，助力教学改革和计算机专业学生的系统能力培养，实现“设计真实处理器，运行真实操作系统”。

总之，正如网友“迪迦奥特曼”对OpenSPARC的评价：OpenSPARC T1/T2现在最大的价值是帮助学术圈中的研究者们快速搭建一个原型系统，并且能感受一下2002~2005年时的工业级代码长什么样子。龙芯将两款CPU核开源的影响和作用也大致与OpenSPARC类似。

助推软件生态建设

目前，在龙芯3A3000已经成功流片的情况下，就党政军办公市场而言，龙芯最大的问题已经不是CPU的性能不够用，而是缺乏软件生态的支持，而软件生态建设单凭龙芯自己是很难做起来的，必须依靠众人拾柴火焰高的模式，发动合作伙伴、开源社区、以及创客群体共同建立。这时候适当的将两款CPU核向高校和学术界开源，有助于让广大在学生学习如何围绕龙芯进行开发，在莘莘学子毕业后，自然能掌握围绕龙芯进行开发的相关技能，这有助于龙芯软件生态建设。

不过，将CPU核开源并不意味着一定就能把生态建立起来，以往也有一些IT公司将自己的CPU开源，比如SUN就曾经将自己的CPU开源，国防科大还下载了源代码，并以此为基础开发了飞腾1000和飞腾1500，这两款CPU还被用于天河1号和天河2号。不过即便如此，也无法挽救SPARC逐渐被边缘化的命运，其生态至今也没能建立起来。

在去年年底，ARM将Cortex-M0处理器开源，并以优惠的授权费帮助初创厂商加快芯片开发进程。另外，还有risc-v这样的开源产品，而且有越来越火的趋势——linux、gcc、llvm甚至bsd类操作系统都开始支持risc-v......正由于开源的CPU核并非只有龙芯，单纯希望依靠将CPU核开源就能建起软件生态的想法显然是不切合实际的，要对生态建设起到积极作用，一方面需要长时间的持续投入，另一方面也需要企业、高校联合协同，密切配合。

结语

龙芯之所以将两款CPU核开源，一方面是为了配合国家计算机专业课程的教育改革，另一方面也是为了培养一批能给龙芯做基础软硬件开发的新鲜血液，并借此丰富龙芯的软件生态和产业链。不过，最后究竟能取得怎样的效果，还有待时间的检验。


来源：雷锋网