走进八核心融合时代:国产x86处理器最新成果抢先看

说到在个人电脑中应用最广泛的x86处理器,可能大家首先想到的就是那两家美国公司的产品,似乎没有其他哪一个国家有能力敢在这个领域挑战,除了中国。事实上早在2014年我国的x86处理器就已发布,并在短短几年内获得了高速发展—从双核心、四核心到现在的SOC八核心设计;从只能进行简单的办公应用,到全高清影音播放,再到与HTC VIVE配合,为玩家提供流畅的VR体验,国产x86处理器发展所取得的成果绝对值得每一位国人关注。

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我们曾率先报道了国产x86处理器的发展情况,并通过后续一系列实际产品报道、评测可以看到,虽然与国外x86处理器还有一定差距,但当前的兆芯开先ZX-C四核心处理器已经具备流畅运行WORD、PowerPoint各类办公软件,播放全高清视频,运行《英雄联盟》这类主流网游的能力。那么时隔大半年后,国产x86处理器又有什么新的进展呢?在近期举办的北京国际互联网科技博览会暨世界网络安全大会上,上海兆芯集成电路有限公司为我们带来了新的惊喜。

首款国产全融合x86:8核心处理器亮相

在本次兆芯展台上,最抢眼的主角应该就是首次登台亮相、核心架构名为“五道口”的兆芯ZX-D处理器,这款处理器目前有四核心、八核心两个版本。虽然在之前基于“张江”核心架构的兆芯ZX-C处理器上,兆芯也推出了8核心设计的兆芯开胜ZX-C+处理器,但ZX-D处理器在架构上却进行了很大的改进。

在之前的ZX-C+8核心处理器上,它的结构是由两个ZX-C四核心处理器封装在一起,在外观上我们可以看到其PCB基板上有两颗小核心。而ZX-D处理器则原生采用了四核心或八核心设计,并将内存控制器、PCIe控制器全部融入到芯片内部,也就是采用了SoC(System-on-Chip)设计,其外观就是一个大大的核心。这样的设计可以为ZX-D处理器带来诸多好处。

首先兆芯对ZX-D处理器内核的流水线进行了重新设计,其中ZX-D处理器的整数流水线相比ZX-C大幅减少了分支预测失败的开销,同频性能更强,并保持工作频率不变而核心面积和功耗仅略微增加。此外CPU的L1及内存访问都实现了带宽翻倍,并在末级缓存引入了先进的替换算法,在相同缓存容量的情况下可大幅减少某些应用程序的缓存缺失率。同时,ZX-D处理器缓存的性能与容量均有了很大提升。

在兆芯x86处理器中,每四颗处理器核心共享一部分缓存。在ZX-C+8核心处理器中,每四颗核心共享2MB缓存,总计4MB缓存。然而问题也来了,多核心处理器在工作时需要确保各个核心所能“看”到的缓存内容一致,知道哪个数据被改写了,哪个任务该由哪颗核心来执行,避免冲突,实现效率最大化,因此就需要时刻同步,以保持缓存一致性。但ZX-C+处理器只是一颗单纯的运算核心,要让每个四核模块中的缓存保持一致性,就需要将这个协调工作交给外部的北桥芯片—两个四核心模块需要同步更新处理器内缓存的数据时,将由FSB前端总线传输到北桥作更新。虽然缓存的数据量并不巨大,但由于需要通过北桥进行处理,无疑会带来一定的延迟,核心之间的通信就会变得缓慢,这将在一定程度上影响处理器性能的发挥。

而在ZX-D 8核心处理器中,它不仅提升了缓存容量,每四颗核心共享4MB缓存,总计拥有8MB缓存。更重要的是,处理器与北桥的完全融合,使得其缓存数据的一致性直接在处理器内部就可以完成。这也就意味着处理器之间的交互不用再通过北桥,而是使用片内高速点对点直连网络互联,降低了延迟并提高了带宽,为将来更多核心的互联提供了基础(有点类似ZEN架构)。

其次内存控制器、PCIe控制器的融合也可以大大提升内存与显卡性能。在南北桥架构中,内存、显卡都必须通过北桥由FSB前端总线将数据传输给处理器。但问题是在ZX-C平台中,FSB前端总线频率只有1333MHz,总线带宽也就在10.6GB/s左右。而当今双通道DDR4 2133的内存带宽早已超过30GB/s,PCIe 3.0 x16显卡的带宽也达到16GB/s。所以前端总线使得ZX-C处理器已经无法很好地与最新硬件配合,发挥出各自的最大性能。因此在ZX-D处理器中,它在处理器内部整合了内存控制器(DDR4内存控制器,也使得兆芯ZX-D成为国产处理器中首个支持DDR4内存的产品)与PCIe控制器,处理器可通过内部的高带宽直连总线访问内存、显卡。其中内存访问带宽提升了1~2倍,有效地发挥出了DDR4内存的优势,对于处理器多核及多线程应用有显著的提升。

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此外,ZX-D处理器还在内部集成了新一代图形核心。虽然其具体规格还未披露,但从架构上我们就不难看出,相比ZX-C集成在北桥中的图形核心,在CPU内部集成图形核心首先可以降低处理器与图形核心之间的通信延迟,提升渲染效率。更重要的是,相对于ZX-C平台被限制在10.6GB/s以内的内存带宽,图形核心可以有效利用DDR4内存提供的高带宽优势,等同于大幅提升了显存带宽,集显核心性能将得到提升。

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兆芯开先、开胜ZX-D处理器在架构上更类似于当前的英特尔酷睿处理器,PCIe控制器、DDR4内存控制器全部集成在处理器中,直接与处理器通讯,仅需一个提供存储功能与PCIe通道的IOE扩展芯片与它搭配。

经过以上一系列改进,目前根据兆芯的官方数据来看,在保持和开先ZX-C系列处理器工作频率不变的前提下,兆芯ZX-D系列处理器比开先ZX-C系列处理器在整数单任务运算性能上有20%左右的提升,在整数多任务运算性能上的提升更是接近50%。最后兆芯开胜ZX-D 8核心处理器的SPEC2006多任务整数运算成绩达到111分。其8核心产品整体性能达到Skylake核心的英特尔Core i3桌面版处理器,其8核心产品具体成绩如下:

兆芯开胜ZX-D 8核心处理器测试成绩

SPEC2006单任务 多任务

整数性能20.2 111

浮点性能24.8 73.1

好,话不多说,接下来还是请大家通过从上一页刊出的实际产品图片,让我们看看国产x86处理器在近期又取得了哪些进展。

国产x86处理器最新成果展

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最新的兆芯开先ZX-D 四核心处理器,从处理器结构上可以很清晰地看到,它就是采用了一个大核心设计策略,CPU背面有大量触点,将原北桥部分的内存控制器、PCIe控制器、集成图形核心全部整合在处理器内部。目前这款处理器采用台积电28nm工艺生产,工作频率在2.0GHz左右。

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展会现场展出了首台基于兆芯开胜ZX-D 8核心处理器的台式机系统,搭配GeForce GTX 1070显卡与DDR4 2133内存。处理器采用BGA封装焊接在主板上,由于8核心处理器产品的TDP热设计功耗也就只有65W,因此仅需要一个小小风扇就能确保处理器稳定运行。同时虽然兆芯ZX-D系列处理器集成了北桥部分,但同当前其他x86处理器一样,它仍需要搭配一颗IOE扩展芯片,来为系统提供存储与额外的PCIe通道。这款芯片的具体型号为ZX-200,它可以提供SATA 6Gbps接口、M.2接口,以及大量PCIe x1、PCI插槽。而最让人鼓舞的是,该主板甚至还紧追潮流提供了USB 3.1 Type-A与Type-C接口。

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那么这套系统能为用户带来怎样的体验呢?从现场的测试来看,这台基于兆芯开胜ZX-D 8核心处理器的PC可以完美支持HTC VIVE VR系统,并流畅运行《水果忍者VR》、《VR经典射箭》等游戏。同时在现场,兆芯也公布了ZX-D处理器四核心、八核心处理器的SPEC 2006测试成绩。总体而言,兆芯开胜ZX-D 8核心处理器的整体性能与英特尔Skylake Core i3桌面版相当。

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由联想最新推出,基于兆芯开先ZX-C C4600处理器的昭阳CF03-T笔记本电脑,跟之前的产品相比加入了WIFI/蓝牙模块,模具设计更加大气,能更好地进行移动办公应用。

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采用x86国产处理器的最大目的就是提升安全性,这是由上海众新科技开发,基于兆芯开先ZX-C C4600、C4610处理器的机架式服务器,它搭载了国产TCM1.2安全可信芯片,支持可信启动和文件加解密功能。这款服务器可以对连接终端的应用程序和外设进行权限管控;对终端的进程、IO使用状况进行实时跟踪,并通过日志分析找出rootkit等潜在风险。其主要应用领域在军政类安全部门,可有效防止个人电脑泄密。

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兆芯也展出了之前的开胜ZX-C+系列8核心处理器,就是将两个ZX-C四核心处理器封装在一起,外观上就是由两个小核心组成,没有集成内存、PCIe控制器,显然最新的ZX-D处理器在架构设计上要先进得多。

此外,除了以上兆芯展出的最新产品外,那么国产x86处理器还有哪些进展?为何大家会如此重视x86处理器的发展?现在存在哪些问题呢?为此在展会现场我们还对上海兆芯集成电路有限公司副总裁傅城博士进行了专访。

国产x86处理器领军人物专访

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上海兆芯集成电路有限公司副总裁傅城博士(图中穿浅蓝衣服者)接受了本刊专访。 上海兆芯集成电路有限公司副总裁傅城博士(图中穿浅蓝衣服者)接受了本刊专访。

MC:兆芯x86处理器现阶段取得了哪些成果?

傅城:首先国产x86处理器在不断的壮大,性能不断增强。目前兆芯的国产通用处理器有开先ZX-C四核、开先ZX-C+四核和开胜ZX-C+八核产品,均可应用到计算机、服务器、嵌入式和工控设备的设计生产之中。三款国产通用处理器均实现了规模量产,兆芯ZX-D系列处理器目前也呼之欲出。同时兆芯处理器也得到了行业的认同,开先ZX-C系列处理器荣获了多个行业奖项,包括“第18届中国国际工业博览会金奖”、“第十一届(2016年度)中国半导体创新产品和技术”以及“2017年度大中华IC设计成就奖”。

当然更为重要的是,应用兆芯国产x86通用处理器的整机已在党政军办公,信息化等国家重点系统工程中得到实际应用,并获得了“性能良好,质量可靠,能够满足实际工作需要”的积极反馈。除桌面办公领域之外,兆芯x86通用处理器在服务器、嵌入式整机、存储系统等领域也可以满足用户需求。随着推广的进行,应用兆芯x86通用处理器的各类设备将逐步进入到金融、电力、税务等应用领域,根据需求进行全面国产化替代。

MC:为什么兆芯会选择x86架构来作为处理器的发展重点呢?

傅城:x86架构芯片在全球互联网和信息技术产业中都格外关键,事实上,我们几乎每一个人现在的生活、工作都无法脱离x86架构芯片。x86架构在桌面办公领域的份额高达95%以上,并且具有生态系统成熟,操作系统、办公软件迁移成本低廉,软硬件兼容性出色等优势。面对全球范围内已被广泛接受的局势,发展自主可控的x86高端通用芯片,在核心芯片和关键领域早日实现国产自主可控产品的替代,显然是投入产出比较高的一种渠道。

MC:目前在国产通用处理器的发展上,还存在哪些需要解决的问题?

傅城:我国通用处理器产业的发展上,形成了几个不同的阵营,每个阵营都取得了一定的成果,但也都面临着基本相似的问题。第一,完全自主IP(Intellectual Property知识产权的缩写)的问题,目前国内处理器的核心技术IP能实现100%完全自主的公司并不多。需要说明的是,兆芯国产通用处理器和芯片组的相关IP,100%是由兆芯自主设计研发。

第二,是产业标准的问题,国产CPU设计公司在进行CPU设计研发工作时,必须要遵循的普遍是国际上的协议和标准。

第三,国产通用处理器的生态规模还比较有限,同时应用推广的规模也比较有限。

第四,研发投入仍然不足,魏少军教授曾指出,核高基专项每年的研发投入不及英特尔每年研发投入的8%,这个差距可想而知。(注:“核高基”是对核心电子器件、高端通用芯片以及基础软件产品的简称,是2006年国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》中与载人航天、探月工程并列的16个重大科技专项之一。)

从解决问题的角度出发,针对第一个问题,企业需要实事求是,坚持自主创新。针对产业标准的问题,可以考虑利用市场吸引国际标准化组织本土化这一渠道加以改善,同时也需要产业内的龙头企业和政府的积极参与和支持。生态规模和应用推广有限,研发投入不足的问题,除了需要企业更加开放合作,也需要寄希望政府和相关组织的引导和支持。

MC点评

完全融合式的8核心设计,对内存控制器、PCIe控制器、图形核心的整合,再加上对DDR4内存的支持,可以看到兆芯开先、开胜ZX-D处理器在基础架构设计上已经与酷睿、锐龙等国外处理器站在了同一起跑线上,终于彻底摆脱了古老的FSB总线、北桥,性能上的提升也将必然而至。不可否认,由于各方面原因,国产x86处理器的核心性能与酷睿、锐龙相比肯定还存在一定的差距。性能达到Skylake核心Core i3桌面版的评估虽不是让人太激动,但“饭要一口一口地吃,路要一步一步地走”。CPU作为计算机硬件技术中的“皇冠”,国产x86处理器在发展过程中肯定会存在各种各样的问题、难点,但无论作为个人还是媒体,我们都应以积极的态度推动问题的解决,而无需带着偏颇的情感横加指责,这毕竟是我们自己的产品。

这不仅仅是爱不爱国的问题,更是中国作为大国必须发展自己的x86处理器来完成很多日常涉密任务,毕竟我们不可能将大量政府人员、军人的日常工作也交给太湖之光这样的超级计算机;毕竟在日常工作中,长时间使用国外处理器来完成各种涉密任务也存在很大的风险。同时又有哪种国外处理器可以支持SM3和SM4高速国密算法指令,可以快速完成各类文件的加解密呢?另一方面大量《微型计算机》读者对兆芯的密切关注、咨询,也显示出消费级市场实际上对国产x86处理器也是非常期待的。好消息是,下一代采用16nm工艺的ZX-E处理器正在按计划高速推进,兆芯处理器一直坚守的2.0GHz频率也将有望获得大幅提升,国产x86处理器最终走入消费级市场的步伐也将越来越近。因此为国产x86处理器营造一个健康、正常的发展环境,力争早日在x86处理器领域实现三足鼎立应该成为中国计算机硬件产业努力的一个方向。

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