真不給力？中國芯跟Intel差距到底在哪

近年來，國內(nèi)IC設(shè)計廠商層出不窮。有龍芯、飛騰、申威等老牌設(shè)計單位，也有兆芯、宏芯這些新秀，還有在商業(yè)上非常成功的海思、展訊等ARM陣營廠商。但在性能上Intel對各路國產(chǎn)始終保持著巨大的優(yōu)勢，那么國產(chǎn)芯片和Intel的芯片差距在哪里呢?

如何評價各家的CPU性能?

作為消費(fèi)者來說，自然是希望CPU能盡可能的便宜，而性能經(jīng)可能高。那么，什么樣的CPU性能高呢?從體系結(jié)構(gòu)的角度來看，有個指標(biāo)叫MIPS，即每分鐘執(zhí)行多少條指令，執(zhí)行指令數(shù)量越多，性能就越好，但這存在一個問題，當(dāng)CPU指令集不同的時候，比較MIPS就意義不大了——比如A一條指令只算一個加法，B一條指令能做一個1024點(diǎn)的FFT。特別是在不同指令集的情況下，如何評價各家的CPU性能呢?

評價CPU性能必須考慮應(yīng)用的多樣性，比如科學(xué)運(yùn)算重視雙精浮點(diǎn)性能，但是如果數(shù)據(jù)供不上，運(yùn)算能力再強(qiáng)也沒用;比如PC日常使用更偏重于整數(shù)性能;再比如計算中心多任務(wù)環(huán)境關(guān)注的是吞吐率......因此單純用某一個指標(biāo)來衡量CPU性能是不科學(xué)的，必須綜合考量。

業(yè)界也推出了很多基準(zhǔn)測試程序，比如針對CPU的SPEC，針對嵌入式應(yīng)用的EEMBC等。SPEC測試是比較權(quán)威的測試程序，和一些黑箱測試程序不同，SPEC測試的各項(xiàng)程序跑分和計分方式全部公開透明，而且覆蓋范圍廣——SPEC2000有12個定點(diǎn)程序，14個浮點(diǎn)程序，而且有比較強(qiáng)的代表性，比如gzip、vpr、gcc、mef、eon等。

什么是SPEC測試?

SPEC在計分上采用歸一化的幾何平均方法來進(jìn)行綜合性能評估——將不同CPU的執(zhí)行時間與參照對象相比較后得到一個相對值。

SEPC2000的參照對象是Ultra SPARC 2工作站的主頻為300Mhz的CPU。如果運(yùn)行測試程序1的時間是參照對象的十分之一的話，測試就是1000分，測試程序2的耗時是參照對象的八分之一的話，則為800分.....最后再算幾何平均——比如SEPC2000有12個定點(diǎn)測試，就將12個測試成績相乘再開12次方，這樣以來，測試更加重視性能均衡，因?yàn)槿绻骋豁?xiàng)測試存在短板的話，將會大幅拉低測試最后得分，最極端的情況是某項(xiàng)測試為0分，哪怕其他測試分?jǐn)?shù)再高，總分也是0分。

不過SPEC也非盡善盡美，存在不考察I/O帶寬和跑分容易受編譯器影響等問題。

例來說，龍芯上一代微結(jié)構(gòu)曾因存在訪存問題而導(dǎo)致其在SPEC2000下跑分尚可，但在SPEC2006的跑較低，而GS464E解決訪存問題后，則不存在這個問題，原因就在于SPEC2000對I/O帶寬的要求較低。編譯器方面，SUN曾經(jīng)通過編譯器優(yōu)化提升SPEC跑分50%，龍芯上一代產(chǎn)品用LCC編譯器，比使用GCC整數(shù)跑分提升了60%。即使同樣使用GCC編譯器，也會因?yàn)椴煌姹?，或?yōu)化程度差異導(dǎo)致很難有最準(zhǔn)確的評價(GCC部分代碼由Intel提供，對X86優(yōu)化最好，ARM市場份額大，優(yōu)化也不錯，MIPS、ALPHA的優(yōu)化就比較一般了)。

SPEC測試非常類似于高考，雖然有各種瑕疵，但卻有覆蓋程序廣，公開透明的特點(diǎn)，相對來說比較公平，是可以給CPU做一個相對合理評價的測試程序。

不同指令集CPU比較

筆者將X86、ARM、MIPS、ALPHA指令集的CPU做了一個表格如下。

編譯器除龍芯確定是GCC4.8外，其余都是未知數(shù)——VIA的白皮書并沒有標(biāo)明測試中的GCC版本，其余編譯器筆者做一個推測：申威可能是SWCC;I3 550、I5 4460可能是GCC5.1。因?yàn)閮H僅是筆者猜測，嚴(yán)謹(jǐn)起見，編譯器選擇空白。(ICC是Intel的編譯器，X86芯片都可以用;LCC是龍芯的編譯器;SWCC是申威的編譯器。Intel和AMD的芯片是作參照)

(因編譯器不統(tǒng)一，表格僅供參考)

從表中可以看出，使用GCC編譯器的情況下，兆芯、申威、飛騰SEPC2000測試和Intel haswell依舊有相當(dāng)差距，spec2000測試分值最高的GS464E也僅僅是使用自家的LCC編譯器的情況下，整數(shù)和Nehalem差50分，浮點(diǎn)和haswell差70分。而在主頻方面，國內(nèi)IC設(shè)計公司最高主頻僅為2G，和Intel、AMD 3G以上主頻差距明顯。

因此，國產(chǎn)CPU和Intel的差距，不僅僅是主頻上的。哪怕兆芯的ZX-C能到達(dá)3G以上主頻，但因?yàn)槲⒔Y(jié)構(gòu)上的差距，依舊只有I5 4660性能的40%左右，因此微結(jié)構(gòu)非常重要，可以說CPU的安全性、性能、功耗很大程度上取決于微結(jié)構(gòu)，AMD的CPU在同主頻下性能遜色于Intel，很大程度上也是因?yàn)槲⒔Y(jié)構(gòu)上的差距。

而在消費(fèi)者購買CPU時，往往只關(guān)注主頻、核心數(shù)、制程等參數(shù)，對微結(jié)構(gòu)往往會忽略，加上Intel這些年從SNB開始擠牙膏，使得微結(jié)構(gòu)更新對性能的提升非常小，導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)的重要性更加被忽視。

微結(jié)構(gòu)差距的原因

因?yàn)楹晷?、兆芯、海思、展訊目前并沒有自主設(shè)計的微結(jié)構(gòu)，就以龍芯、飛騰最新的兩款產(chǎn)品和Intel做比較。以GS464E和IVY的差距而言，通過對比下表參數(shù)，就能發(fā)現(xiàn)原因。

(數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)收集，僅供娛樂)

如果將GS464E和IVY做對比就能發(fā)現(xiàn)，制約GS464E性能的最大的短板在定點(diǎn)發(fā)射隊列和浮點(diǎn)發(fā)射隊列上，相對于IVY的54項(xiàng)定點(diǎn)和浮點(diǎn)發(fā)射隊列，GS464E只有16項(xiàng)定點(diǎn)發(fā)射隊列，24項(xiàng)浮點(diǎn)發(fā)射隊列。

龍芯對此也是心知肚明，將正在流片的3A3000，針對GS464E的瓶頸做了改進(jìn)，將定點(diǎn)發(fā)射隊列從16項(xiàng)提升到32項(xiàng)，將浮點(diǎn)發(fā)射隊列從24項(xiàng)提升到32項(xiàng)，并提升了緩存和主頻。很顯然，雖然龍芯宣稱TICK-TOCK，但3A3000相對于3A2000并非單純的提升主頻，定點(diǎn)發(fā)射隊列和浮點(diǎn)發(fā)射隊列的提升必然帶來IPC的提升。

根據(jù)飛騰公布的Spec 2006的模擬器測試，整數(shù)為9.6/G。

9.6/G到底是什么水平呢?筆者以Intel作參照，關(guān)auto parallel的情況下，haswell 使用GCC5.1 的SPEC 2006的成績?yōu)?2分(@3.2G主頻)。也就是說，“小米”能接近haswell?

這實(shí)在是太“驚悚”了，如果真能做到，就是科技大躍進(jìn)了。那SPEC2006整數(shù)9.6/G的原因何在?根源在于開/關(guān)auto parallel。

開auto parallel會導(dǎo)致SEPC2006整數(shù)分?jǐn)?shù)增益，因?yàn)槠鋵⒃締尉€程執(zhí)行的程序并行化給多個處理器執(zhí)行，增益效果取決于編譯器、CPU的核心數(shù)量等因素。而相當(dāng)部分常用的代碼并不支持auto parallel。因此，目前auto parallel對SPEC跑分更有意義。而“小米”SPEC2006整數(shù)高達(dá)9.6/G，很有可能就是因?yàn)樵跍y試中開auto parallel的結(jié)果，那么證據(jù)呢?

(數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)收集，僅供娛樂)

從上表中“小米”和IVY的對比中看，“小米”和IVY還是有不小的差距的，并且和GS464E一樣存在定點(diǎn)發(fā)射隊列和浮點(diǎn)發(fā)射隊列相對IVY偏少的現(xiàn)狀，因此在資源有限的情況下，做出達(dá)到haswell水平的概率非常小。

對比“小米”和GS464E，假定兩者流水線效率相當(dāng)?shù)那闆r下，筆者認(rèn)為“小米”可能是和GS464E一個等級的微結(jié)構(gòu)，并強(qiáng)于ARM Cortex A57。當(dāng)然，如果流水線效率不佳，“小米”也可能會遜色于GS464E。而“小米”32M的L2緩存，很有可能是因?yàn)獒槍Ψ?wù)器，甚至高性能計算的產(chǎn)物。

目前，飛騰的“地球”和龍芯3A3000正在流片，期待“地球”和3A3000流片歸來后的表現(xiàn)。