中國(guó)的ARM構(gòu)架處理器：打敗Intel頂級(jí)芯片

　　在剛剛結(jié)束的Hotchips 2015會(huì)議上，一家成立不久的中國(guó)企業(yè)公布了一顆代號(hào)”火星”的ARM指令集64核心處理器。令人震驚的是，這顆由中國(guó)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的CPU擁有媲美Intel公司最頂級(jí)服務(wù)器芯片的性能，毫無(wú)疑問(wèn)是目前ARM陣營(yíng)最強(qiáng)大的處理器。

　　Phytium，中文名飛騰，是一家成立于2012年的年輕CPU研發(fā)企業(yè)。然而光是從公司名稱(chēng)和所在地——廣州，我們就可以知道這家企業(yè)的真實(shí)身份。飛騰公司是中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)高性能處理器研究團(tuán)隊(duì)建立的企業(yè)，而國(guó)防科大在IT界最為人熟知的作品就是天河2A超級(jí)計(jì)算機(jī)——連續(xù)五屆奪得世界超算排行榜性能冠軍。天河2A的部分芯片采用了國(guó)防科大自主開(kāi)發(fā)的Sparc指令集CPU，飛騰1500。顯然，飛騰公司的名稱(chēng)就是取自這款產(chǎn)品。公司選址在廣州也是為了靠近廣州超級(jí)計(jì)算中心，也就是天河2A的所在地。

　　與中科院計(jì)算所知名的龍芯處理器團(tuán)隊(duì)不同，國(guó)防科大的CPU研發(fā)機(jī)構(gòu)在公眾眼中沒(méi)什么名氣。事實(shí)上，早在十年前業(yè)內(nèi)就有傳聞指國(guó)防科大正在逆向山寨Intel的IA64體系處理器安騰。后來(lái)安騰CPU在市場(chǎng)上舉步維艱，NUDT(國(guó)防科大英文縮寫(xiě))也停止了對(duì)其模仿的工作，轉(zhuǎn)而開(kāi)發(fā)采用Sparc指令集的高性能芯片。經(jīng)過(guò)數(shù)年的努力，NUDT先后研制出飛騰1000、飛騰1500兩款服務(wù)器處理器，開(kāi)始逐漸為業(yè)界所知。

　　天河系列超算開(kāi)始在全球超算領(lǐng)域嶄露頭角后，國(guó)防科大將眼光放到了更遠(yuǎn)的未來(lái)。天河2A和之前的一系列國(guó)產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)均采用Intel、NVIDIA、AMD等美國(guó)企業(yè)生產(chǎn)的處理器，其計(jì)算能力、軟件編寫(xiě)嚴(yán)重依賴(lài)這些外國(guó)公司。若想自己掌控超級(jí)計(jì)算機(jī)的研發(fā)節(jié)奏，研制自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能處理器是必經(jīng)之路。此時(shí)，學(xué)校的CPU團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)幾代產(chǎn)品的研發(fā)已經(jīng)頗具實(shí)力，他們便擔(dān)負(fù)起了設(shè)計(jì)有著世界一流水平的CPU的重任。

　　如今，NUDT的努力結(jié)出了碩果。Hotchips 2015大會(huì)上，飛騰公司介紹了他們的”火星”，一顆兼容ARMv8指令集，四發(fā)射亂序執(zhí)行，擁有多達(dá)64個(gè)核心，主頻達(dá)到2GHZ的服務(wù)器CPU。

　　在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試集Spec 2006中，”火星”的多核整數(shù)分?jǐn)?shù)高達(dá)672，浮點(diǎn)分?jǐn)?shù)585。相比之下，Intel目前最強(qiáng)的處理器Xeon E7-8890v3和Xeon E5-2699v3的整數(shù)、浮點(diǎn)成績(jī)分別是680和460，"火星”的性能足以與它們媲美。

　　“火星”的核心代號(hào)為”小米”，這個(gè)名字足夠令許多人浮想聯(lián)翩了。不過(guò)取這個(gè)名字很可能只是巧合，因?yàn)轱w騰公司與制造智能設(shè)備的小米公司并沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)?！毙∶住焙诵氖堑湫偷默F(xiàn)代高性能處理器微架構(gòu)設(shè)計(jì)，四發(fā)射、兩個(gè)浮點(diǎn)單元，不長(zhǎng)的流水線和三級(jí)緩存方案。它顯然并不是為密集浮點(diǎn)運(yùn)算設(shè)計(jì)的產(chǎn)物，單周期雙精度浮點(diǎn)輸出只有4Flop。

　　但是"小米"核心的訪存結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很激進(jìn)，192個(gè)寄存器、單核心512K L2、2M L3的設(shè)計(jì)非常像Intel的Haswell微架構(gòu)。”火星”采用二維mesh多核互聯(lián)結(jié)構(gòu)，每8顆”小米”核心組成一個(gè)陣列，每個(gè)陣列有一個(gè)雙通道DDR3-1600內(nèi)存控制器;8個(gè)陣列組成”火星”芯片，總共64個(gè)核心、32M二級(jí)緩存、128M三級(jí)緩存和16通道內(nèi)存，205G/s理論內(nèi)存帶寬。芯片上還有32個(gè)PCIe 3.0通道。

　　“火星”的理論浮點(diǎn)計(jì)算能力是512G DP Flops，采用28nm制造工藝，主頻2GHZ，核心運(yùn)行電壓不足1v。雖然整個(gè)芯片面積達(dá)到了嚇人的640平方毫米，但是滿載功耗只有120w，甚至比使用22nm先進(jìn)工藝，性能相當(dāng)?shù)腦eon E5-2699v3、E7-8890v3都低一截。ARM陣營(yíng)性能功耗比較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)過(guò)去僅僅體現(xiàn)在移動(dòng)設(shè)備使用的低功耗芯片上，而飛騰公司證明了即使在高性能服務(wù)器處理器領(lǐng)域，兼容ARM指令集的處理器也能取得對(duì)同時(shí)代Intel頂級(jí)產(chǎn)品的功耗優(yōu)勢(shì)。

　　“火星”的量產(chǎn)版本預(yù)計(jì)會(huì)在2016年推出，預(yù)計(jì)會(huì)首先用在國(guó)防科大下一代超級(jí)計(jì)算機(jī)(可能命名為天河3)上。不久前，國(guó)防科大展示了一款用來(lái)取代Intel Xeon Phi浮點(diǎn)運(yùn)算芯片的計(jì)算卡Matrix 2000，預(yù)計(jì)下一代天河會(huì)使用”火星”和Matrix 2000的組合來(lái)搭建。

　　除了”火星”，飛騰公司還展望了他們針對(duì)主流市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的”地球”處理器?！钡厍颉憋@然是”火星”的簡(jiǎn)化版，核心數(shù)量可能減至4-16個(gè)，面向桌面PC、低功耗服務(wù)器等市場(chǎng)。從”火星”單核心Spec測(cè)試集成績(jī)來(lái)看，8核心的”地球”就可以提供與Intel Core i7 四核處理器接近的多線程性能，而功耗可能還有優(yōu)勢(shì)。而兼容ARMv8指令集意味著無(wú)論是”火星”還是”地球”都可以輕易運(yùn)行安卓、Linux系統(tǒng)和市面上無(wú)數(shù)的應(yīng)用，甚至可能兼容微軟的Windows 10。性能差距不復(fù)存在后，ARM陣營(yíng)進(jìn)軍桌面PC和服務(wù)器市場(chǎng)挑戰(zhàn)x86的地位也就有了足夠的底氣。飛騰公司不僅僅做到了世界一流水平，更為重要的是他們?yōu)檎麄€(gè)ARM陣營(yíng)建立了信心：

　　從此之后，再也無(wú)人能質(zhì)疑ARM指令集是否能開(kāi)發(fā)出高性能產(chǎn)品了，x86體系在PC、服務(wù)器市場(chǎng)稱(chēng)雄二十年后，終于遇到了強(qiáng)大的對(duì)手。

　　而值得國(guó)人驕傲的是，這一歷史性時(shí)刻是一家之前默默無(wú)聞的中國(guó)企業(yè)創(chuàng)造的。自從2006年Intel發(fā)布酷睿2處理器以來(lái)，十年時(shí)間里除了老牌巨頭IBM，未曾有任何企業(yè)挑戰(zhàn)Intel性能冠軍的寶座。

　　如今，第一個(gè)向老大哥扔出巨斧的不是AMD，不是NVIDIA，也不是一眾歐美企業(yè)，而是幾年前還背著”山寨”惡名的中國(guó)團(tuán)隊(duì)。即使是業(yè)界最老資格的前輩，此刻也應(yīng)向年輕的飛騰致以敬意。

　　毫無(wú)疑問(wèn)，”火星”的發(fā)布會(huì)大大刺激ARM陣營(yíng)的發(fā)展，直接影響未來(lái)數(shù)年的CPU產(chǎn)業(yè)格局。照此趨勢(shì)發(fā)展下去，我們很快就會(huì)在桌面、高性能服務(wù)器領(lǐng)域看到ARM與x86的直接對(duì)抗。當(dāng)Intel的神話不再閃耀，IT產(chǎn)業(yè)又會(huì)迎來(lái)一個(gè)高度競(jìng)爭(zhēng)的全新時(shí)代。