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龍芯歷代處理器大揭秘 革命尚未成功 同志仍需努力

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通用處理器是資訊產業的基礎部件, 是電子設備的核心器件。 通用處理器是關係到國家命運的戰略產業之一,

其發展直接關係到國家技術創新能力, 關係到國家安全, 是國家的核心利益所在。

龍芯中科由中國科學院和北京市政府共同牽頭設立, 旨在將中科院計算所研製多年的龍芯處理器產業化。 據龍芯中科技術負責人介紹目前龍芯多個產品已達到世界先進水準。

龍芯3A2000/3A3000

該通用處理性能是第一代產品的3-5倍, 跨越了國際主流的第一個門檻。 其中, SPEC CPU2006定點11分, 浮點10分, 超過Intel淩動系列、威盛、高端ARM系列。 訪存頻寬10-13GBps, 達到Inter E5 水準。

最重要的一點該產品為自主可控的標杆產品。 除廠家提供的基本單元庫外, 沒有使用任何協力廠商IP。 其中片內所有功能模組(CPU、MC等)及相關巨集單元(PLL、DDR3 PHY等)均自主設計。 3A2000/3A3000可以滿足絕大多數行業應用需求。

表1 龍芯三系列處理器的技術指標對標

龍芯2K1000

2017年第一季度流片成功, 性能是上一代產品龍芯2H的3-5倍。 採用雙核, 128位向量, SOC的通路更加通暢。 單核通用處理性能與主流處理器相當:Cortex A53。 介面豐富:PCIE*6、SATA、USB*4、GMAC*2、NAND、SDIO、GPU、DC*2、HDA/I2S等。 使用境內40nm LL低功耗工藝, 1GHz時典型功耗3-5W。 這款晶片是龍芯具有開放市場競爭力的第一款通用CPU產品主要應用在終端和工控領域。

表2 龍芯2K1000性能指標的對比

龍芯抗輻照系列處理器

針對我國航太工程上抗輻照處理器主要依靠進口SPARC V8體系的實際情況,

龍芯研製了系列化的抗輻照處理器, 並成功在北斗導航衛星工程上應用。 其中, 低端產品:使用0.18um/0.13um體矽加固(代表:LS1E、LS1F以及LS1J等);中端產品:使用0.13um SOI, 性能提高3-5倍(代表:LS1E300、LS1F300等);高端產品:使用28nm FDSOI, 性能再提高10-20倍(代表:LS1E1000等);高端使用者定制化產品:按照用戶的需求定義, 定制具有自主智慧財產權的個性化產品。

表3 龍芯抗輻照處理器的系列化產品的技術指標

1J1F1F3001E1E3001E1000處理器核GS132GS132GS132EGS232GS232EGS232E片上緩存---8K+8K16K+16K32K+32K+1M輔助處理器---浮點浮點+向量浮點+向量核數111112工藝EF130180130SOI180130SOI28SOI頻率10331001002001000記憶體介面-SRAMSRAM/SDRAMSDRAMSDRAMDDR2/3片上存儲32K Flash 8K RAM8K RAM64K RAM---RapidIO√SpaceWire√√√1553√√PCI√√√√UART√√√√√√I2C√√√√SPI√√√√遙測遙控√√

表4 龍芯抗輻照產品與國產其他抗輻照CPU對比

龍芯1E 龍芯1F 772所BM3803 502所SOC2008 指令系統 MIPS32 MIPS32 SPARC V8 SPARC V8 CPU核 GS232 GS132 SPARC V8 SPARC V8 記憶體控制器 SDRAM, SRAM SDRAM, SRAM SDRAM, SRAM, PROM SDRAM Flash支援 √ √ × × 片上糾錯/檢錯 EDAC EDAC EDAC EDAC PCI介面 √ √ √ × 1553B介面 × √ × √ CAN匯流排 × √ × × 串口 2 8 2 2 看門狗 √ √ √ √ 中斷控制器 √ √ √ √ I2C √ √ × × SPI √ √ × × GPIO 28 64 N/A 32 遙控遙測介面 × √ × × 作業系統支援 VxWorks6.8 VxWorks6.8 VxWorks VxWorks 龍芯1E 龍芯1F 772所BM3803 502所SOC2008 主頻 100MHz 33MHz 70MHz 100MHz 定點峰值性能 200MIPS 33MIPS 70MIPS 100MIPS 峰值浮點性能 100MFLOPS 無浮點部件 N/A 30MFLOPS 發射數 雙發射 單發射 單發射 單發射 總劑量 300Krad(si) 300Krad(si) 100Krad(si) 200Krad(si) 單粒子閂鎖 75Mev/cm2/mg 75Mev/cm2/mg 75Mev/cm2/mg 99.8Mev/cm2/mg 單粒子翻轉率 1×10-10次/位/天 1×10-10次/位/天 3×10-5次/器件/天 1.2×10-7次/器件/天 工藝 180nm 180nm 180nm 130nm 功耗 3W 2W N/A 1W IO電壓 3.3V 3.3V 3.3V 3.3V 核心電壓 1.8V 1.8V 1.8V 1.2V 工作溫度 -55℃-+125℃ -55℃-+125℃ -55℃-+125℃ -55℃-+125℃ 封裝 CBGA276 CBGA276 CPGA391 PGA257/CCGA256/BGA256 尺寸 27mm×27mm 27mm×27mm N/A N/A 品質等級 GJB B級、宇航級 GJB B級, 宇航級 GJB B級,CAST C CAST C 龍芯1E 龍芯1F 772所BM3803 502所SOC2008 自主設計 CPU核,週邊控制器全自主設計(含後端設計) CPU核,週邊控制器全自主設計(含後端設計) 開源CPU核心 開源CPU核心,後端設計外協 流片生產 國內工藝線生產 國內工藝線生產 國內工藝線生產 國內工藝線生產 封裝 航太772所 航太772所 航太772所 N/A 成熟度 自主CPU核心 自主CPU核心 開源CPU核心 開源CPU核心 應用 二代導航衛星; 實踐十號返回式科學實驗衛星 二代導航衛星; 實踐十號返回式科學實驗衛星 衛星型號任務 控制電腦,星敏感器

表5 龍芯抗輻照產品與國外抗輻照CPU對比

BM3803MRGH(國產) ATMEL AT697F(國外) 龍芯1E/龍芯1F 架構 SPARC V8 SPARC V8 MIPS 工藝 0.18µm CMOS體矽工藝 0.18µm CMOS體矽工藝 主頻 70MHz 90MHz 100MHz 抗輻射指標 總劑量:100 KRad(Si) 單粒子栓鎖: 75 MeV. cm2/mg 總劑量:300 KRad(Si) 單粒子栓鎖: 95 MeV. cm2/mg 總劑量:100 KRad(Si) 單粒子栓鎖: >75 MeV. cm2/mg 片上外設 中斷控制器,UART,計時器,PCI匯流排,看門狗 中斷控制器,UART,計時器,PCI匯流排,看門狗 中斷控制器,UART,計時器,PCI匯流排,看門狗,SPI匯流排,I2C匯流排,GPIO 工作電壓 介面電壓:3.3V±10% 內核電壓:1.8 V±10% 介面電壓:3.3V±0.30V 內核電壓:1.8 V±0.15V 介面電壓:3.3V±10% 內核電壓:1.8 V±10% 封裝形式 CPGA391 MCGA-349、MQFP-256 CBGA276 片上存儲 32K指令Cache、 16K資料Cache 32K指令Cache、 16K資料Cache 8K指令Cache、 8K資料Cache 外部存儲 支援8/16/32位PROM、SRAM、SDRAM和IO映射空間訪問 支援PROM、SRAM、SDRAM訪問 支持PROM、SRAM、SDRAM訪問,支援NORFLASH、NANDFLASH 調試方式 帶有跟蹤緩衝器的硬體調試單元 DSU跟蹤調試、IEEE 1149.1標準JTAG介面、四個硬體觀察點 IEEE 1149.1標準JTAG/EJTAG介面

此外,隨著多年積累,龍芯CPU已形成了完全自主可控的GS132、GS232和GS464三大系列處理器核。

GS132為單發射32位元結構,採用靜態流水線。其1.0版本(簡稱為GS132)為三級靜態流水結構,在龍芯1D、1F中使用。其2.0版本(簡稱為GS132E)為五級靜態流水結構。

GS232為雙發射32/64位元結構,採用動態流水線。其1.0版本(簡稱為GS232)為五級動態流水線結構,只有32位元版本,在龍芯1A、1B、1C、1E中使用。其2.0版本(簡稱為GS232E)為動態流水線結構,有32位元和64位版本(64位版本也稱為GS264),在龍芯2K1000中使用。

GS464為四發射64位元結構,採用動態流水線。其1.0版本(簡稱GS464)為9級流水線結構,在龍芯3A、3B、2J、2H中使用。其2.0版本(簡稱GS464E)為12級動態流水線結構,在龍芯2J1500、龍芯3A1500、龍芯3A2000、龍芯3B2000、龍芯3A3000、龍芯3B3000等CPU中使用。其3.0版本(簡稱GS464V)為12級動態流水結構,含256位元向量部件,在龍芯3A4000、龍芯3B4000、龍芯3C5000等CPU中使用。

據龍芯技術負責人介紹,龍芯始終秉承使用一代、研製一代、預研一代、前瞻一代的研發思路,制定具有前瞻性的研發計畫,助力我國在通用處理器方向實現自主可控。

表6龍芯CPU研發計畫

表7龍芯抗輻照/抗核CPU研發計畫

截止目前龍芯CPU 產品已應用於特種行業、工業控制、行業終端、筆記本、桌上型電腦、伺服器、數位電視、數控機床、電力鐵路、多種嵌入式設備等領域,下游合作夥伴幾百家。通過與裝備管理部門、總體單位和產業部門的合作,摸索自主可控資訊體系的建設途徑。龍芯中科將始終致力於自主研發龍芯CPU 產品,肩負起“保障國家安全、支撐產業發展”的使命。

宇航級 GJB B級,CAST C CAST C 龍芯1E 龍芯1F 772所BM3803 502所SOC2008 自主設計 CPU核,週邊控制器全自主設計(含後端設計) CPU核,週邊控制器全自主設計(含後端設計) 開源CPU核心 開源CPU核心,後端設計外協 流片生產 國內工藝線生產 國內工藝線生產 國內工藝線生產 國內工藝線生產 封裝 航太772所 航太772所 航太772所 N/A 成熟度 自主CPU核心 自主CPU核心 開源CPU核心 開源CPU核心 應用 二代導航衛星; 實踐十號返回式科學實驗衛星 二代導航衛星; 實踐十號返回式科學實驗衛星 衛星型號任務 控制電腦,星敏感器

表5 龍芯抗輻照產品與國外抗輻照CPU對比

BM3803MRGH(國產) ATMEL AT697F(國外) 龍芯1E/龍芯1F 架構 SPARC V8 SPARC V8 MIPS 工藝 0.18µm CMOS體矽工藝 0.18µm CMOS體矽工藝 主頻 70MHz 90MHz 100MHz 抗輻射指標 總劑量:100 KRad(Si) 單粒子栓鎖: 75 MeV. cm2/mg 總劑量:300 KRad(Si) 單粒子栓鎖: 95 MeV. cm2/mg 總劑量:100 KRad(Si) 單粒子栓鎖: >75 MeV. cm2/mg 片上外設 中斷控制器,UART,計時器,PCI匯流排,看門狗 中斷控制器,UART,計時器,PCI匯流排,看門狗 中斷控制器,UART,計時器,PCI匯流排,看門狗,SPI匯流排,I2C匯流排,GPIO 工作電壓 介面電壓:3.3V±10% 內核電壓:1.8 V±10% 介面電壓:3.3V±0.30V 內核電壓:1.8 V±0.15V 介面電壓:3.3V±10% 內核電壓:1.8 V±10% 封裝形式 CPGA391 MCGA-349、MQFP-256 CBGA276 片上存儲 32K指令Cache、 16K資料Cache 32K指令Cache、 16K資料Cache 8K指令Cache、 8K資料Cache 外部存儲 支援8/16/32位PROM、SRAM、SDRAM和IO映射空間訪問 支援PROM、SRAM、SDRAM訪問 支持PROM、SRAM、SDRAM訪問,支援NORFLASH、NANDFLASH 調試方式 帶有跟蹤緩衝器的硬體調試單元 DSU跟蹤調試、IEEE 1149.1標準JTAG介面、四個硬體觀察點 IEEE 1149.1標準JTAG/EJTAG介面

此外,隨著多年積累,龍芯CPU已形成了完全自主可控的GS132、GS232和GS464三大系列處理器核。

GS132為單發射32位元結構,採用靜態流水線。其1.0版本(簡稱為GS132)為三級靜態流水結構,在龍芯1D、1F中使用。其2.0版本(簡稱為GS132E)為五級靜態流水結構。

GS232為雙發射32/64位元結構,採用動態流水線。其1.0版本(簡稱為GS232)為五級動態流水線結構,只有32位元版本,在龍芯1A、1B、1C、1E中使用。其2.0版本(簡稱為GS232E)為動態流水線結構,有32位元和64位版本(64位版本也稱為GS264),在龍芯2K1000中使用。

GS464為四發射64位元結構,採用動態流水線。其1.0版本(簡稱GS464)為9級流水線結構,在龍芯3A、3B、2J、2H中使用。其2.0版本(簡稱GS464E)為12級動態流水線結構,在龍芯2J1500、龍芯3A1500、龍芯3A2000、龍芯3B2000、龍芯3A3000、龍芯3B3000等CPU中使用。其3.0版本(簡稱GS464V)為12級動態流水結構,含256位元向量部件,在龍芯3A4000、龍芯3B4000、龍芯3C5000等CPU中使用。

據龍芯技術負責人介紹,龍芯始終秉承使用一代、研製一代、預研一代、前瞻一代的研發思路,制定具有前瞻性的研發計畫,助力我國在通用處理器方向實現自主可控。

表6龍芯CPU研發計畫

表7龍芯抗輻照/抗核CPU研發計畫

截止目前龍芯CPU 產品已應用於特種行業、工業控制、行業終端、筆記本、桌上型電腦、伺服器、數位電視、數控機床、電力鐵路、多種嵌入式設備等領域,下游合作夥伴幾百家。通過與裝備管理部門、總體單位和產業部門的合作,摸索自主可控資訊體系的建設途徑。龍芯中科將始終致力於自主研發龍芯CPU 產品,肩負起“保障國家安全、支撐產業發展”的使命。

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