揭秘龙芯3号开发历程：龙芯15周年

　　近日，龙芯中科宣布3A3000四核处理器芯片完成流片并通过系统测试。根据现有的测试结果，龙芯3A3000达到了预定的设计性能目标。其中，综合计算性能方面，在1.5GHz主频下，GCC编译的SPEC CPU 2006定点和浮点单核分值分别超过11分和10分；访存性能方面，Steam分值超过13GBps。 龙芯3A3000的流片成功，标志着我国自主研发的高性能微处理器芯片，可以超越目前引进的同类芯片性能。龙芯CPU首席科学家胡伟武撰文披露了龙芯3号开发的历程。

　　龙芯3A3000芯片

　　2016年是红军长征胜利80周年，2016年研制成功的龙芯3A3000处理器即以CZ80命名，每颗芯片的硅片上都刻有CZ80字样。

　　1936年10月，红一、二、四方面军经过艰苦卓绝的努力，三大主力会师，开创了中国革命的新局面。它雄辩地表明，只要坚持理想，实事求是，中国共产党完全有能力摧坚于正锐、挽澜于极危，从重大挫折中走出来。

　　2016年10月，以长征胜利80周年命名为CZ80的龙芯3A3000处理器研制成功。它雄辩地表明，只要坚持自主研发，进行持续改进，自主研发的CPU性能完全可以超过引进技术的CPU，满足自主信息化需求。

　　2016年10月7日，我怀着虔诚的心情走进毛主席纪念堂，向毛主席汇报龙芯3A3000的研制成功。步出毛主席纪念堂，我感慨万千。当十年前我开始龙芯3号研制时，完全没有想到龙芯3号系列CPU发展道路之曲折，奋斗之艰辛，付出之巨大。

　　2006年9月13日，以长征胜利70周年命名为CZ70的龙芯2E通过科技部组织的验收，时任科技部部长徐冠华亲自参加了龙芯2E的验收会。龙芯2E的研制是“十五”末国家863计划紧急安排的一个任务。当时“汉芯”造假事件被曝光，加上“十五”863计划早期支持的龙芯2C没有达到合同要求的SPEC CPU2000分值300分的目标，自主处理器研发受到普遍质疑。2005年4月，科技部高新司领导把我叫到办公室，问我到2005年年底前能不能完成863计划“十五”初制定的主频1GHz、SPEC CPU2000分值达到500分的目标。我说剩下不到一年时间，肯定来不及。他说根据有关规定，项目时间到期后三个月内（即2006年3月底前）提出验收申请就算按时完成。我硬着头皮接了该任务，因为我知道如果“十五”的任务完不成，那“十一五”国家是不是还支持自主CPU研发就成问题。经过艰苦的努力，龙芯2E在2005年11月底交付流片（把设计好的技术文件交给芯片生产厂家进行生产），2006年3月18日流片成功，达到了技术指标。虽然达到这些指标有些勉强（SPEC CPU2000分值达到500分是计算所的编译组做了很多编译优化实现的，但SPEC CPU的测试是允许进行编译优化的），但毕竟完成了指标。龙芯2E的意义从徐冠华部长参加完验收会后接受新闻联播记者采访时说的一句话可以看出：龙芯2E的成功表明，我国在“十五”期间安排的自主CPU研发是成功的。这也为“十一五”期间国家继续支持自主CPU研发打下了基础。

　　2005年深秋，利用龙芯2E流片后等待芯片回来的时间我带着部分龙芯课题组的骨干在香山别墅讨论龙芯3号的结构方案。香山别墅和香山饭店一样在香山公园内，但比香山饭店便宜而且清静。香山别墅三天讨论的成果是基本明确了龙芯3号系列CPU的可伸缩互连结构以及基于目录的Cache一致性协议。龙芯3号的互连结构中，每个结点四个处理器核通过交叉开关进行全相连，结点间（不论片上还是片间）通过可伸缩的mesh网络相连；多核的Cache一致性采用基于目录的一致性协议，目录设置在片上共享的最后一级Cache（LLC）上。上述结构有别于当时主流的环状多核互连以及基于侦听的Cache一致性协议。现在看来，该结构是成功的，目前商用主流处理器随着核数的增加也越来越多采用可伸缩的互连结构以及基于目录的Cache一致性协议。

　　在香山别墅的讨论中还明确了龙芯3号片内集成内存控制器以及HyperTransport（简称HT）接口。HT是AMD主推的系统总线接口。当时计算所高性能中心与AMD合作紧密，希望我们使用HT接口。此外HT接口比较开放，只要每年交5000美元就可以用于商业应用，但AMD开放的HT接口不支持多片互连的Cache一致性协议，我们自己进行了扩充。曾经有一段时间，我后悔选择了HT总线，觉得HT总线不如PCIE总线普及，一是HT总线没有现成的PHY（片内高速接口模块）可以买到，每次工艺升级都需要定制HT的PHY，而PCIE的PHY有很多；二是PCIE接口的外围器件很多，而HT接口的桥片只有AMD有。但现在觉得选用HT是对的。HT是系统总线，协议简单高效，相当于Intel的QPI系统总线，而PCIE是IO总线，通过HT总线可以方便地把多片龙芯3号直连起来形成多路服务器。虽然每次工艺升级都要定制HT PHY，但可以使龙芯CPU不依赖别人的IP，自主性强。龙芯3号所有CPU中，没有一款CPU需要到厂家merge第三方IP。尤其是龙芯3A2000和3A3000，除了厂家提供的标准单元库、单/双端口RAM以及低速IO单元，每一行代码（包括CPU核、内存控制器、HT控制器、互连网络等）以及每一个定制模块（包括多端口寄存器堆、锁相环、HT PHY、DDR2/3 PHY等）都自主设计。至于外围桥片，龙芯已经开始研制并提供外围桥片，桥片上支持足够多的PCIE接口。以后不论AMD是否继续发展HT接口，龙芯都能自成体系往前走了。