真不給力？國產龍芯跟Intel差距到底在哪

近年來，國內IC設計廠商層出不窮。

有龍芯、飛騰、申威等老牌設計單位，也有兆芯、宏芯這些新秀，還有在商業上非常成功的海思、展訊等ARM陣營廠商。

但在性能上Intel對各路國產始終保持著巨大的優勢，那麼國產晶片和Intel的晶片差距在哪裡呢？

如何評價各家的CPU性能？

作為消費者來說，自然是希望CPU能儘可能的便宜，而性能經可能高。

那麼，什麼樣的CPU性能高呢？從體系結構的角度來看，有個指標叫MIPS，即每分鐘執行多少條指令，執行指令數量越多，性能就越好，但這存在一個問題，當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性能必須考慮應用的多樣性，比如科學運算重視雙精浮點性能，但是如果數據供不上，運算能力再強也沒用；比如PC日常使用更偏重於整數性能；再比如計算中心多任務環境關注的是吞吐率......因此單純用某一個指標來衡量CPU性能是不科學的，必須綜合考量。

業界也推出了很多基準測試程序，比如針對CPU的SPEC，針對嵌入式應用的EEMBC等。

SPEC測試是比較權威的測試程序，和一些黑箱測試程序不同，SPEC測試的各項程序跑分和計分方式全部公開透明，而且覆蓋範圍廣——SPEC2000有12個定點程序，14個浮點程序，而且有比較強的代表性，比如gzip、vpr、gcc、mef、eon等。

什麼是SPEC測試？

SPEC在計分上採用歸一化的幾何平均方法來進行綜合性能評估——將不同CPU的執行時間與參照對象相比較後得到一個相對值。

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.....最後再算幾何平均——比如SEPC2000有12個定點測試，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，因為如果某一項測試存在短板的話，將會大幅拉低測試最後得分，最極端的情況是某項測試為0分，哪怕其他測試分數再高，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，龍芯上一代微結構曾因存在訪存問題而導致其在SPEC2000下跑分尚可，但在SPEC2006的跑較低，而GS464E解決訪存問題後，則不存在這個問題，原因就在於SPEC2000對I/O帶寬的要求較低。

編譯器方面，SUN曾經通過編譯器優化提升SPEC跑分50%，龍芯上一代產品用LCC編譯器，比使用GCC整數跑分提升了60%。

即使同樣使用GCC編譯器，也會因為不同版本，或優化程度差異導致很難有最準確的評價（GCC部分代碼由Intel提供，對X86優化最好，ARM市場份額大，優化也不錯，MIPS、ALPHA的優化就比較一般了）。

SPEC測試非常類似於高考，雖然有各種瑕疵，但卻有覆蓋程序廣，公開透明的特點，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，其餘都是未知數——VIA的白皮書並沒有標明測試中的GCC版本，其餘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。

因為僅僅是筆者猜測，嚴謹起見，編譯器選擇空白。

（ICC是Intel的編譯器，X86晶片都可以用；LCC是龍芯的編譯器；SWCC是申威的編譯器。

Intel和AMD的晶片是作參照）

（因編譯器不統一，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，整數和Nehalem差50分，浮點和haswell差70分。

而在主頻方面，國內IC設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CPU和Intel的差距，不僅僅是主頻上的。

哪怕兆芯的ZX-C能到達3G以上主頻，但因為微結構上的差距，依舊只有I5 4660性能的40%左右，因此微結構非常重要，可以說CPU的安全性、性能、功耗很大程度上取決於微結構，AMD的CPU在同主頻下性能遜色於Intel，很大程度上也是因為微結構上的差距。

而在消費者購買CPU時，往往只關注主頻、核心數、製程等參數，對微結構往往會忽略，加上Intel這些年從SNB開始擠牙膏，使得微結構更新對性能的提升非常小，導致微結構的重要性更加被忽視。

微結構差距的原因

因為宏芯、兆芯、海思、展訊目前並沒有自主設計的微結構，就以龍芯、飛騰最新的兩款產品和Intel做比較。

以GS464E和IVY的差距而言，通過對比下表參數，就能發現原因。

（數據網絡收集，僅供娛樂）

如果將GS464E和IVY做對比就能發現，制約GS464E性能的最大的短板在定點發射隊列和浮點發射隊列上，相對於IVY的54項定點和浮點發射隊列，GS464E只有16項定點發射隊列，24項浮點發射隊列。

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，將定點發射隊列從16項提升到32項，將浮點發射隊列從24項提升到32項，並提升了緩存和主頻。

很顯然，雖然龍芯宣稱TICK-TOCK，但3A3000相對於3A2000並非單純的提升主頻，定點發射隊列和浮點發射隊列的提升必然帶來IPC的提升。

根據飛騰公布的Spec 2006的模擬器測試，整數為9.6/G。

9.6/G到底是什麼水平呢？筆者以Intel作參照，關auto parallel的情況下，haswell 使用GCC5.1 的SPEC 2006的成績為32分（@3.2G主頻）。

也就是說，「小米」能接近haswell？

這實在是太「驚悚」了，如果真能做到，就是科技大躍進了。

那SPEC2006整數9.6/G的原因何在？根源在於開/關auto parallel。

開auto parallel會導致SEPC2006整數分數增益，因為其將原本單線程執行的程序並行化給多個處理器執行，增益效果取決於編譯器、CPU的核心數量等因素。

而相當部分常用的代碼並不支持auto parallel。

因此，目前auto parallel對SPEC跑分更有意義。

而「小米」SPEC2006整數高達9.6/G，很有可能就是因為在測試中開auto parallel的結果，那麼證據呢？

（數據網絡收集，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，並且和GS464E一樣存在定點發射隊列和浮點發射隊列相對IVY偏少的現狀，因此在資源有限的情況下，做出達到haswell水平的機率非常小。

對比「小米」和GS464E，假定兩者流水線效率相當的情況下，筆者認為「小米」可能是和GS464E一個等級的微結構，並強於ARM Cortex A57。

當然，如果流水線效率不佳，「小米」也可能會遜色於GS464E。

而「小米」32M的L2緩存，很有可能是因為針對伺服器，甚至高性能計算的產物。

目前，飛騰的「地球」和龍芯3A3000正在流片，期待「地球」和3A3000流片歸來後的表現。

文章出處：雷鋒網