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历史性突破:龙芯发布完全自主指令集架构 LoongArch

发布时间:2021-04-15 13:51  来源:雷锋网 包永刚   背景: 无障碍阅读通道

  上月,拥有 MIPS 指令集的 Wave Computing 转投 RISC-V 阵营的消息引发关注。今天,MIPS 生态的重要维护者龙芯也放弃 MIPS 指令系统,发布了完全自主指令集架构 Loongson Architecture,简称龙芯架构或 LoongArch。

  龙芯委托国内第三方知名知识产权评估机构对龙芯基础架构进行深入细致的知识产权评估。从 2020 年二季度开始,双方投入上百人,将 LoongArch 与 ALPHA、ARM、MIPS、POWER、RISC-V、X86 等国际上主要指令系统有关资料和几万件专利进行深入对比分析。

  2021 年 1 月,针对被评估的基础架构版本该评估机构认为:

  • LoongArch 在指令系统设计、指令格式、指令编码、寻址模式等方面进行了自主设计。
  • LoongArch 指令系统手册在章节结构、指令说明结构和指令内容表达方面与上述国际上主要指令系统存在明显区别。
  • LoongArch 基础架构未发现对上述国际上主要指令系统中国专利的侵权风险。

  CPU 指令系统是计算机的软硬件界面,是 CPU 所执行的软件指令的二进制编码格式规范。一种指令系统承载了一个软件生态,如 x86 指令系统和 Windows 操作系统形成的 Wintel 生态以及 ARM 指令系统和 Android 操作系统形成的 AA 生态。

  无论是 x86 还是 ARM 指令系统,都需要获得“授权”才能研制与之相兼容的 CPU。采用授权指令系统可以研制产品,但不可能形成自主产业生态。

  用个形象的比喻来解释,中国人可以用英文写小说,但不可能基于英文形成民族文化。这也就是拥有指令集的公司很容易就能对获得授权的芯片设计公司卡脖子的原因,完全开源的 RISCV,也是来源于美国伯克利大学,因此 Loongson Architecture 对中国集成电路产业而言是一个历史性突破。

  龙芯架构包括基础架构部分和向量指令、虚拟化、二进制翻译等扩展部分,近 2000 条指令,不包含 MIPS 指令系统,具有完全自主、技术先进、兼容生态三方面特点。

  具体而言,龙芯架构从整个架构的顶层规划,到各部分的功能定义,再到细节上每条指令的编码、名称、含义,在架构上进行自主重新设计,具有充分的自主性。

  同时,龙芯架构摒弃了传统指令系统中部分不适应当前软硬件设计技术发展趋势的陈旧内容,吸纳了近年来指令系统设计领域诸多先进的技术发展成果。同原有兼容指令系统相比,不仅在硬件方面更易于高性能低功耗设计,而且在软件方面更易于编译优化和操作系统、虚拟机的开发。

  生态方面,龙芯架构充分考虑兼容生态需求,融合了各国际主流指令系统的主要功能特性,基于龙芯团队在二进制翻译方面十余年的技术积累创新,不仅能够确保现有龙芯电脑上应用二进制的无损迁移,而且能够实现多种国际主流指令系统的高效二进制翻译。

  本网了解到,龙芯 2020 年起新研的 CPU 均支持 LoongArch 架构。首款支持 LoongArch 架构的龙芯 3A5000 处理器芯片已成功流片,基于新架构的完整操作系统已经在 3A5000 计算机上稳定运行。同时,从其它主流指令系统到 LoongArch 的二进制翻译系统已经可以在 3A5000 计算机上演示运行基于其它主流指令系统的复杂应用程序。

  目前,龙芯中科已经在一定范围内发布 LoongArch 的基础架构指令系统手册。待完成包括境外专利分析在内的进一步知识产权评估后,龙芯中科将在更大范围内发布更完整的 LoongArch 指令系统手册。龙芯中科还将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。

  指令系统是软件生态的起点,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锁链。你看好 LoongArch 吗?

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