国产龙芯、飞腾和 Intel 芯片的差距究竟在哪里？

若有梦

近年来，国内IC设计厂商层出不穷。有龙芯、飞腾、申威等老牌设计单位，也有兆芯、宏芯这些新秀，还有在商业上非常成功的海思、展讯等ARM阵营厂商。但在性能上Intel对各路国产始终保持着巨大的优势，那么国产芯片和Intel的芯片差距在哪里呢？
                                       

如何评价各家的CPU性能？
作为消费者来说，自然是希望CPU能尽可能的便宜，而性能经可能高。那么，什么样的CPU性能高呢？从体系结构的角度来看，有个指标叫MIPS，即每分钟执行多少条指令，执行指令数量越多，性能就越好，但这存在一个问题，当CPU指令集不同的时候，比较MIPS就意义不大了——比如A一条指令只算一个加法，B一条指令能做一个1024点的FFT。特别是在不同指令集的情况下，如何评价各家的CPU性能呢？
评价CPU性能必须考虑应用的多样性，比如科学运算重视双精浮点性能，但是如果数据供不上，运算能力再强也没用；比如PC日常使用更偏重于整数性能；再比如计算中心多任务环境关注的是吞吐率......因此单纯用某一个指标来衡量CPU性能是不科学的，必须综合考量。
业界也推出了很多基准测试程序，比如针对CPU的SPEC，针对嵌入式应用的EEMBC等。SPEC测试是比较权威的测试程序，和一些黑箱测试程序不同，SPEC测试的各项程序跑分和计分方式全部公开透明，而且覆盖范围广——SPEC2000有12个定点程序，14个浮点程序，而且有比较强的代表性，比如gzip、vpr、gcc、mef、eon等。
什么是SPEC测试？
SPEC在计分上采用归一化的几何平均方法来进行综合性能评估——将不同CPU的执行时间与参照对象相比较后得到一个相对值。
SEPC2000的参照对象是Ultra SPARC 2工作站的主频为300Mhz的CPU。如果运行测试程序1的时间是参照对象的十分之一的话，测试就是1000分，测试程序2的耗时是参照对象的八分之一的话，则为800分.....最后再算几何平均——比如SEPC2000有12个定点测试，就将12个测试成绩相乘再开12次方，这样以来，测试更加重视性能均衡，因为如果某一项测试存在短板的话，将会大幅拉低测试最后得分，最极端的情况是某项测试为0分，哪怕其他测试分数再高，总分也是0分。
不过SPEC也非尽善尽美，存在不考察I/O带宽和跑分容易受编译器影响等问题。
例来说，龙芯上一代微结构曾因存在访存问题而导致其在SPEC2000下跑分尚可，但在SPEC2006的跑较低，而GS464E解决访存问题后，则不存在这个问题，原因就在于SPEC2000对I/O带宽的要求较低。编译器方面，SUN曾经通过编译器优化提升SPEC跑分50%，龙芯上一代产品用LCC编译器，比使用GCC整数跑分提升了60%。即使同样使用GCC编译器，也会因为不同版本，或优化程度差异导致很难有最准确的评价（GCC部分代码由Intel提供，对X86优化最好，ARM市场份额大，优化也不错，MIPS、ALPHA的优化就比较一般了）。
SPEC测试非常类似于高考，虽然有各种瑕疵，但却有覆盖程序广，公开透明的特点，相对来说比较公平，是可以给CPU做一个相对合理评价的测试程序。

不同指令集CPU比较
笔者将X86、ARM、MIPS、ALPHA指令集的CPU做了一个表格如下。
编译器除龙芯确定是GCC4.8外，其余都是未知数——VIA的白皮书并没有标明测试中的GCC版本，其余编译器笔者做一个推测：申威可能是SWCC；I3 550、I5 4460可能是GCC5.1。因为仅仅是笔者猜测，严谨起见，编译器选择空白。（ICC是Intel的编译器，X86芯片都可以用；LCC是龙芯的编译器；SWCC是申威的编译器。Intel和AMD的芯片是作参照）

（因编译器不统一，表格仅供参考）
从表中可以看出，使用GCC编译器的情况下，兆芯、申威、飞腾SEPC2000测试和Intel haswell依旧有相当差距，spec2000测试分值最高的GS464E也仅仅是使用自家的LCC编译器的情况下，整数和Nehalem差50分，浮点和haswell差70分。而在主频方面，国内IC设计公司最高主频仅为2G，和Intel、AMD 3G以上主频差距明显。
因此，国产CPU和Intel的差距，不仅仅是主频上的。哪怕兆芯的ZX-C能到达3G以上主频，但因为微结构上的差距，依旧只有I5 4660性能的40%左右，因此微结构非常重要，可以说CPU的安全性、性能、功耗很大程度上取决于微结构，AMD的CPU在同主频下性能逊色于Intel，很大程度上也是因为微结构上的差距。
而在消费者购买CPU时，往往只关注主频、核心数、制程等参数，对微结构往往会忽略，加上Intel这些年从SNB开始挤牙膏，使得微结构更新对性能的提升非常小，导致微结构的重要性更加被忽视。
微结构差距的原因
因为宏芯、兆芯、海思、展讯目前并没有自主设计的微结构，就以龙芯、飞腾最新的两款产品和Intel做比较。以GS464E和IVY的差距而言，通过对比下表参数，就能发现原因。

（数据网络收集，仅供娱乐）
如果将GS464E和IVY做对比就能发现，制约GS464E性能的最大的短板在定点发射队列和浮点发射队列上，相对于IVY的54项定点和浮点发射队列，GS464E只有16项定点发射队列，24项浮点发射队列。
龙芯对此也是心知肚明，将正在流片的3A3000，针对GS464E的瓶颈做了改进，将定点发射队列从16项提升到32项，将浮点发射队列从24项提升到32项，并提升了缓存和主频。很显然，虽然龙芯宣称TICK-TOCK，但3A3000相对于3A2000并非单纯的提升主频，定点发射队列和浮点发射队列的提升必然带来IPC的提升。
根据飞腾公布的Spec 2006的模拟器测试，整数为9.6/G。
9.6/G到底是什么水平呢？笔者以Intel作参照，关auto parallel的情况下，haswell 使用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？
这实在是太“惊悚”了，如果真能做到，就是科技大跃进了。那SPEC2006整数9.6/G的原因何在？根源在于开/关auto parallel。
开auto parallel会导致SEPC2006整数分数增益，因为其将原本单线程执行的程序并行化给多个处理器执行，增益效果取决于编译器、CPU的核心数量等因素。而相当部分常用的代码并不支持auto parallel。因此，目前auto parallel对SPEC跑分更有意义。而“小米”SPEC2006整数高达9.6/G，很有可能就是因为在测试中开auto parallel的结果，那么证据呢？

（数据网络收集，仅供娱乐）
从上表中“小米”和IVY的对比中看，“小米”和IVY还是有不小的差距的，并且和GS464E一样存在定点发射队列和浮点发射队列相对IVY偏少的现状，因此在资源有限的情况下，做出达到haswell水平的概率非常小。
对比“小米”和GS464E，假定两者流水线效率相当的情况下，笔者认为“小米”可能是和GS464E一个等级的微结构，并强于ARM  Cortex A57。当然，如果流水线效率不佳，“小米”也可能会逊色于GS464E。而“小米”32M的L2缓存，很有可能是因为针对服务器，甚至高性能计算的产物。
目前，飞腾的“地球”和龙芯3A3000正在流片，期待“地球”和3A3000流片归来后的表现。
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书生

龙芯我记得老师说过。。。能智能屏蔽游戏，学校机房首选之一

然后我就没再关注过了。

雪歧

一没信仰二没性能