“国产龙芯、飞腾和 Intel 芯片的差距究竟在哪里？”

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厦门私人调查【科技在线】

近年来，国内的ic设计制造商相继出现。 有龙芯、飞腾、申威等老字号设计公司，有兆芯、宏芯等新秀，也有商业上非常成功的海思、展信等arm阵营制造商。 但是，在性能方面，英特尔相对于各国产始终保持着较大的特点，国产芯片与英特尔的芯片差距在哪里呢？

如何评价各家的cpu性能？

作为客户，想尽量使cpu便宜是理所当然的，性能可能会很高。 那么，什么样的cpu性能高呢？ 从架构的角度来看，有每分钟执行几条指令的mips这一指标，执行指令的数量越多性能越好，但这其中在cpu指令集不同的情况下，比较mips没有什么意义。 例如，a1指令可以是一个加法，b1指令可以制作1024点的FT。 特别是指令集不同的情况下，如何评价各家的cpu性能？

评价cpu性能需要考虑应用的多样化。 例如，科学运算重视双精浮点性能，但如果不能提供数据，则运算能力再高也没用； 例如，pc的日常采用偏向整数性能； 例如，计算中心的多任务环境关注吞吐量。 ……这是单纯用某个指标测量cpu的性能不科学，需要综合考虑。

业界也推出了许多基准测试计划，包括比较cpu的spec、比较嵌入式APP的eembc等。 spec测试是一个比较权威的测试程序，与有点黑匣子的测试程序不同，spec测试各程序的得分和得分方法都是公开透明的，而且覆盖全网络的spec2000有12个指点程序

什么是spec测试？

spec利用计分中归一化的几何平均方法进行综合性能判断，将不同cpu的执行时间与参考对象进行比较，得到相对值。

sepc2000的参照对象是ultrasparc2事务所的主频率为300mhz的cpu。 如果执行测试程序1的时间是参照对象的十分之一，则测试为1000分，如果执行测试程序2的时间是参照对象的八分之一，则为800分……之后计算几何平均。 例如，如果sepc2000有12个定点测试，则将12个测试的成绩相乘，得出12次方。 今后，测试将重视性能平衡。 因为一个测试如果有短板的话，会被大幅拉伸

但是，spec也不完美，存在i/o带宽和运行时间容易受到编译器的影响等问题。

例如，龙芯上一代的微结构在spec2000上还存在问题，但在spec2006上问题较少，在gs464e上处理访问问题后，由于spec2000对i/o带宽的要求较低，所以没有这个问题。 关于编译器，sun通过编译器优化将spec运行时间提高了50%。 龙芯上一代产品用lcc编译器比采用gcc整数运行时提高了60%。 即使采用相同的gcc编译器，由于版本不同，或者优化程度不同，所以评价也不太准确。 ( gcc代码的一部分由intel提供，对x86进行了优化，arm市场份额大，优化也很好，mips、Alpha的优化很一般。 )。

spec测试和高考非常相似。 虽然存在很多缺陷，但具有广泛覆盖程序、公开透明性的优点，是一个比较公平、能够对cpu进行比较合理评价的测试程序。

不同指令集的cpu比较

笔者将x86、arm、mips、alpha指令集的cpu列于下表。

除了明确了编译器是gcc4.8以外，未知数via的白皮书中没有注明测试中的gcc版本，剩下的编译器笔者推测可能是swcc的i3550，i54460可能是gcc5.1。 只是笔者的推测，所以严格来说编译器选择空白色。 ( icc是英特尔的编译器，可以使用x86芯片； lcc是龙芯的编译器； swcc是申威的编译器。 英特尔和amd的芯片为参考)

(因为编译器不统一，所以表仅供参考)

从表中可以看出，在采用gcc编译器的情况下，兆核、申威、飞行sepc2000测试和intelhaswell仍然有很大差距，spec2000测试得分较高的gs464e也将自己的lcc编译器 另一方面，在主频方面，国内ic设计企业的高主频仅为2g，与intel、amd3g以上的主频差距明显。

因此，国产cpu和intel的差别不仅仅在于主频。 即使兆芯的zx-c达到3g以上的主频率，微结构上的差异也仅为i54660性能的40%左右。 因为这个微结构很重要，所以cpu的安全性、性能、功耗很大程度上取决于微结构，可以说amd的cpu在同主频上毫不逊色于intel，很大程度上取决于微结构上的差异。

客户购买cpu时，往往只关注主频率、核心数量、工艺等参数，而忽略细微结构。 另外，由于intel这几年从snb开始搅拌牙膏，微细结构更新带来的性能提升非常小，微细结构的重要性更被忽视了。

微细结构差异的原因

由于宏芯、兆芯、高品位、展会目前没有自主设计的精细结构，因此用龙芯、飞腾新两种产品与英特尔进行了比较。 用gs464e和ivy的差距来说，可以针对下表的参数，找出原因。

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以gs464e和ivy为对象，可以看到制约gs464e性能的大短板是定点发射队列和浮点发射队列，对于ivy的54个定点和浮点发射队列，gs464e只有16个定点发射队列、24个浮点发射队列。

龙芯也知道这一点，现在流媒体中的3a3000相比gs464e的瓶颈有所改善，定点发射队列从16个项目提高到32个项目，浮点发射队列从24个项目提高到32个项目，提高了缓存和主频。 很明显，龙芯宣布了tick-tock，但3a3000并不是简单地相对于3a2000提高主频，定点发射队列和浮点发射队列的提高必然会带来ipc的提高。

根据飞腾公布的spec2006模拟器测试，整数为9.6/g。

9.6/g是什么水平呢？ 笔者参考intel，关闭自动并行时，haswell采用gcc5.1的spec 2006的成绩为32分( @3.2g主频)。 也就是说，小米能接近haswell吗？

这真是太可怕了。 如果真的能做到的话，那就是科学技术的大跃进。 spec2006整数9.6/g的理由是什么？ 根源在于autoparallel的打开/关闭。

打开autoparallel时，由于原本运行在单线程上的程序并行运行在多个解决方案上，因此会产生sepc2006整数分钟的增益。 增益效果取决于编译器、cpu的核心数等因素。 典型代码中有相当一部分不支持自动并行。 因此，目前，autoparallel对spec的得分更有意义。 小米spec2006的整数高达9.6/g，很可能是测试中配方autoparallel的结果，有证据吗？

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从上表中小米和ivy的对应来看，小米和ivy还有不小的差距，另外和gs464e一样，存在定点发射队列和浮点发射队列相对于ivy较少的现状。 这是因为在资源有限的情况下，达到哈斯韦尔水平的概率非常低。

关于小米和gs464e，在假设两者的流水线效率相等的情况下，小米有可能是与gs464e水平相同的精细结构，并且比armcortexa57更好。 当然，如果流水线效率不好，小米可能也不会逊色于gs464e。 小米32m的l2缓存很可能是对服务器和高性能计算进行比较的结果。

现在飞行的地球和龙芯3a3000正在放电影，期待着地球和3a3000的电影回来后的表现。