龍芯/飛騰/申威國(guó)產(chǎn)CPU性能如何，與Intel差距？

一直一來(lái)，缺芯少魂一直是中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的心病，中國(guó)的CPU市場(chǎng)也一直被Intel、ARM等國(guó)外廠商壟斷，龍芯、申威、飛騰等國(guó)產(chǎn)CPU在社會(huì)上也往往遭到別有用心之徒諸如“打磨芯片”、“騙經(jīng)費(fèi)”、“政績(jī)工程”等輿論抨擊。不久前，采用申威26010的神威太湖之光在TOP500刷榜，飛騰也公布了采用ARM指令集的飛騰1500A和飛騰2000，龍芯的3A3000也順利完成流片，那么這些國(guó)產(chǎn)CPU的性能到底如何呢?

如何評(píng)價(jià)CPU

如何評(píng)價(jià)CPU的性能呢?從體系結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，有個(gè)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(gè)問(wèn)題，當(dāng)CPU指令集不同的時(shí)候，比較MIPS就意義不大了——比如A一條指令只算一個(gè)加法，B一條指令能做一個(gè)1024點(diǎn)的FFT。特別是在不同指令集的情況下，如何評(píng)價(jià)CPU的性能呢?

評(píng)價(jià)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?gòu)?qiáng)也沒(méi)用;比如PC日常使用更偏重于定點(diǎn)性能;再比如計(jì)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(gè)指標(biāo)來(lái)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(cè)試程序，比如針對(duì)CPU的SPEC，針對(duì)嵌入式應(yīng)用的EEMBC等。SPEC測(cè)試是比較權(quán)威的測(cè)試程序。和一些黑箱測(cè)試程序調(diào)整計(jì)分方式和計(jì)分權(quán)重后測(cè)試結(jié)果就發(fā)生變化不同，SPEC測(cè)試到底跑了什么程序，以及各項(xiàng)程序跑分和計(jì)分方式全部公開(kāi)透明，而且覆蓋范圍廣——SPEC2000有12個(gè)定點(diǎn)程序，14個(gè)浮點(diǎn)程序，而且有比較強(qiáng)的代表性，比如gzip、vpr、gcc、mef、eon等。而SPEC2006則把定點(diǎn)程序擴(kuò)展到14個(gè)定點(diǎn)程序和16個(gè)浮點(diǎn)程序。

在計(jì)分方法上，SPEC在計(jì)分上采用歸一化的幾何平均方法來(lái)進(jìn)行綜合性能評(píng)估——將不同CPU的執(zhí)行時(shí)間與參照對(duì)象相比較后得到一個(gè)相對(duì)值。SEPC2000的參照對(duì)象是Ultra SPARC 2工作站的主頻為300Mhz的CPU。如果運(yùn)行測(cè)試程序1的時(shí)間是參照對(duì)象的十分之一的話，測(cè)試就是1000分，測(cè)試程序2的耗時(shí)是參照對(duì)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(gè)定點(diǎn)測(cè)試，就將12個(gè)測(cè)試成績(jī)相乘再開(kāi)12次方，SPEC2006相對(duì)于SPEC2000而言僅僅是擴(kuò)展了幾項(xiàng)測(cè)試程序，使測(cè)試更加科學(xué)合理。這里，我們以三星獵戶座7420和華為麒麟950為例計(jì)算SPEC測(cè)試成績(jī)。

以上為兩款芯片的跑分成績(jī)，由于兩款SOC均是購(gòu)買ARM的IP授權(quán)做集成的產(chǎn)物，獵戶座7420的成績(jī)其實(shí)是ARM Crotex A57的成績(jī)，華為麒麟950則是ARM Crotex A72的成績(jī)，將12個(gè)子項(xiàng)相乘再開(kāi)12次方后，得到ARM Crotex A57在2.1G主頻時(shí)定點(diǎn)測(cè)試成績(jī)?yōu)?376分，換算一下就是655/G，ARM Crotex A72的定點(diǎn)成績(jī)則為749/G。

不過(guò)SPEC也非盡善盡美，測(cè)試存在容易受編譯器影響的問(wèn)題。舉例來(lái)說(shuō)，SUN曾經(jīng)通過(guò)編譯器優(yōu)化提升SPEC跑分50%，龍芯的某一代產(chǎn)品也曾用自主研發(fā)的LCC編譯器，比使用GCC定點(diǎn)跑分提升了60%。另外，即便同樣是GCC編譯器，不同版本的GCC編譯器下，測(cè)試成績(jī)也會(huì)有很大差異。筆者認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的根源并非SPEC測(cè)試的缺陷，反而用事實(shí)說(shuō)明了，最后的用戶體驗(yàn)是軟件+硬件的結(jié)果，充分說(shuō)明了軟硬件磨合的重要性。

可能有的讀者對(duì)不明白什么是編譯器，在此說(shuō)明一下，程序員在編程的時(shí)候?qū)懙氖蔷幊陶Z(yǔ)言，但是計(jì)算機(jī)運(yùn)行的時(shí)候是機(jī)器語(yǔ)言，編譯器就是將程序員的編程語(yǔ)言翻譯成機(jī)器語(yǔ)言的工具。

龍芯、飛騰、申威和Intel的比較

現(xiàn)在，我們先就龍芯和飛騰的桌面芯片與Intel的CPU做比較。由于桌面芯片更加注重單線程性能——單核性能是基礎(chǔ)，很多程序都依賴單進(jìn)程的處理速度，如果單核性能上不去，核心數(shù)再多也沒(méi)用，這也是AMD 六核、八核芯片打不贏Intel 四核芯片的原因。另外，對(duì)于桌面芯片來(lái)說(shuō)，日常使用中更加倚重定點(diǎn)性能。因此，在這里我們以單線程實(shí)際測(cè)試的定點(diǎn)成績(jī)做比較。

在編譯器為GCC5.2的情況下，Intel I5 4460在3.2G主頻下SPEC2006的定點(diǎn)成績(jī)?yōu)?2分;在編譯器為GCC4.4.7的情況下，龍芯3A3000在1.5G主頻下的定點(diǎn)成績(jī)?yōu)?1分;在編譯器為GCC4.8的情況下，飛騰1500A在1.8G主頻的定點(diǎn)成績(jī)?yōu)?0分。誠(chéng)然Intel在編譯器上占有一定優(yōu)勢(shì)，這里為了方便比較就忽略編譯器帶來(lái)的差異了，就定點(diǎn)性能而已，龍芯3A3000和飛騰1500A的單線程性能大約為Intel I5 4460的三分之一。

差距在哪里呢?主要是在主頻上，其次在微結(jié)構(gòu)。龍芯3A3000的主頻只有1.5G，飛騰1500A的主頻只有1.8G，而Intel I5 4460的主頻達(dá)3.2G，而且如果需要的話，還能睿頻到3.4G，很顯然，在主頻上龍芯3A3000只有Intel I5 4460的一半不到，而飛騰1500A也只有Intel I5 4460的一半多一點(diǎn)。

微結(jié)構(gòu)也就是常說(shuō)的CPU核，在主頻相同的情況下，兩款CPU的性能差異取決于微結(jié)構(gòu)的差異，像龍芯GS464E、Intel的Haswell、ARM的Crotex A72都是微結(jié)構(gòu)。龍芯3A3000在1G主頻時(shí)，SPEC2006測(cè)試定點(diǎn)成績(jī)?yōu)?.3，飛騰1500A主頻為1G時(shí)，SPEC2006測(cè)試定點(diǎn)成績(jī)?yōu)?.5，而I5 4460在1G主頻時(shí)的定點(diǎn)成績(jī)?yōu)?0。可以說(shuō)，龍芯的GS464E大約有Intel的Haswell性能的73%，而飛騰的FTC660大約是Intel的Haswell性能的55%。

那么如何提升主頻和微結(jié)構(gòu)呢?提升微結(jié)構(gòu)需要在指令分支預(yù)測(cè)，寄存器重命名，多指令通路，亂序發(fā)射，功能部件，訪存性能等方面做文章，目的是使整個(gè)的指令流水的效率盡可能高，因?yàn)槿绻幸粋€(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)不好或不匹配的話，整個(gè)系統(tǒng)效率就發(fā)揮不出來(lái)，這是CPU的核心技術(shù)。提升主頻很大程度上要依賴后端設(shè)計(jì)能力，也就是要指物理層電路的具體優(yōu)化，包括單元布局、時(shí)序優(yōu)化等放方面下苦功。

接下來(lái)就國(guó)產(chǎn)服務(wù)器CPU與Intel的服務(wù)器CPU做比較，以國(guó)產(chǎn)服務(wù)器CPU中多線程性能最強(qiáng)的飛騰2000為例。在編譯器為GCC4.8的情況下，飛騰2000在2G主頻的單線程SPEC2006測(cè)試成績(jī)?yōu)槎c(diǎn)12.4，浮點(diǎn)11.3，換算一下飛騰2000的CPU核FTC661的定點(diǎn)成績(jī)?yōu)?.2/G，和Intel Haswell 10/G的成績(jī)依舊有不小的差距，由于飛騰2000為64核芯片，在單線程性能相對(duì)有限的情況下，依靠核心數(shù)量的優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)T2000的多線程SPEC2006測(cè)試成績(jī)?yōu)槎c(diǎn)570，浮點(diǎn)482，全芯片性能與Intel Xeon E5-2695v3相當(dāng)，這是非常了不起的成績(jī)。

由于科學(xué)計(jì)算倚重雙精浮點(diǎn)性能，超算芯片的比較中就以雙精浮點(diǎn)性能為指標(biāo)進(jìn)行，申威26010的雙精浮點(diǎn)性能為3T，和Intel目前最好的超算芯片KNL相當(dāng)，更難人可貴的是這是在制造工藝與Intel相差2代的情況下取得的成績(jī)，這充分體現(xiàn)出申威26010在設(shè)計(jì)思想上的先進(jìn)性。

結(jié)語(yǔ)

在桌面芯片上，龍芯和飛騰目前最好的桌面四核芯片的單線程定點(diǎn)測(cè)試成績(jī)大約為Intel I5 4460的三分之一，雖然和Intel的差距依舊比較大，但目前龍芯和飛騰還沒(méi)有大型游戲等對(duì)CPU性能要求較高的軟件應(yīng)用，現(xiàn)在的性能對(duì)于絕大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)都是夠用的，特別是對(duì)黨政軍辦公電腦和一體機(jī)，龍芯3A3000和飛騰1500A的性能已經(jīng)屬于性能過(guò)剩了，只要軟件跟得上，在黨政軍領(lǐng)域能替換Intel的CPU。

在服務(wù)器CPU上，飛騰2000雖然在單線程性能上和Intel有一定差距，但其全芯片性能頗為不俗，能與Intel Xeon E5-2695v3相當(dāng)，已經(jīng)是全球全芯片性能最強(qiáng)的ARM服務(wù)器CPU，如果ARM等國(guó)外廠商能完善其服務(wù)器CPU的軟件生態(tài)，飛騰則有可能借著ARM的生態(tài)一飛沖天。

在超算芯片上，申威26010完全可以和Intel最好的加速器KNL硬碰硬的較量。