龍架構(gòu)：一種開放自主指令集架構(gòu)的實(shí)踐

徐志偉

（中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所 北京 100190）

我國的 CPU 研發(fā)應(yīng)采用兼容指令集還是自主研發(fā)指令集是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界長期爭論的一個(gè)話題，由于研制指令集及其軟件生態(tài)的難度和工作量受很多因素影響而難以精確量化，不同背景的人對(duì)它們的認(rèn)知差異很大，結(jié)果往往是誰都說服不了對(duì)方.龍芯團(tuán)隊(duì)的這篇論文分享了龍架構(gòu)指令集的設(shè)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)這個(gè)話題給出了有參考價(jià)值的觀點(diǎn)和數(shù)據(jù).

1.該文提出，可以通過技術(shù)手段達(dá)到既自主又兼容，解決自主研發(fā)指令集的最大障礙.傳統(tǒng)的軟件二進(jìn)制翻譯技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同指令集平臺(tái)之間的軟件兼容運(yùn)行，但存在性能損失過大的問題.龍架構(gòu)通過指令集擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了比開源QEMU翻譯器高幾倍到幾十倍的性能效率.對(duì)語義差異相對(duì)較小的MIPS指令集，翻譯運(yùn)行性能和MIPS原生性能相當(dāng).該文作者認(rèn)為，再經(jīng)過一兩年的軟硬件磨合迭代，能夠消除單一指令系統(tǒng)的壁壘, 使得不同指令集的系統(tǒng)及應(yīng)用軟件能夠融合到統(tǒng)一的龍架構(gòu)平臺(tái)上, 不加區(qū)別地運(yùn)行.如果這個(gè)目標(biāo)能夠順利達(dá)成，那么指令集就成了可軟件定義的一個(gè)新的虛擬化層次，大量軟件將不必針對(duì)不同指令集進(jìn)行重復(fù)開發(fā)，在節(jié)約社會(huì)資源的同時(shí)帶來更多的技術(shù)創(chuàng)新空間.正如在云計(jì)算中，人們通過軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)了逼近物理機(jī)的虛擬機(jī)性能，帶來了新的計(jì)算范式和更高的運(yùn)營效率.

2.該文給出了建設(shè)一個(gè)新生態(tài)的可行路徑和量化的工作量參考.龍芯3A5000的軟件生態(tài)構(gòu)建實(shí)踐表明, 在深入掌握“3+3+3”的主要編譯系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上, 充分利用開源軟件, 在較短的時(shí)間內(nèi)構(gòu)建一個(gè)新指令集的生態(tài)是可行的.該文介紹了龍架構(gòu)的4個(gè)建設(shè)階段以及移植一個(gè)完整Linux發(fā)行版的架構(gòu)相關(guān)支持代碼量等數(shù)據(jù)，它們都是寶貴的一手經(jīng)驗(yàn)，能夠?yàn)橥刑峁﹨⒖?

3.該文介紹了龍架構(gòu)指令集諸多具體設(shè)計(jì)選擇.數(shù)據(jù)表明，在相同的微架構(gòu)和編譯器版本下，龍架構(gòu)能用比MIPS少的指令數(shù)完成同樣的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)更高的性能.SPEC CPU2006基準(zhǔn)程序集龍架構(gòu)平均性能比MIPS高7%，部分應(yīng)用的性能甚至比MIPS版本高30%以上.拋棄一些過時(shí)的指令集特征，引入現(xiàn)代操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序需要的一些支持，能夠有效地提升軟件的性能.

指令集的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)性、基礎(chǔ)性的工作，龍芯團(tuán)隊(duì)能獨(dú)立研制龍架構(gòu)并在短短3年的時(shí)間內(nèi)達(dá)到商用應(yīng)用的成熟程度，離不開過去20年在芯片設(shè)計(jì)和軟件生態(tài)建設(shè)方面的長期積累.恰當(dāng)?shù)貦?quán)衡指令集各項(xiàng)設(shè)計(jì)選擇需要深入理解指令集與軟硬件實(shí)現(xiàn)的相互作用，而建設(shè)軟件生態(tài)更需要掌握一大批包括“3+3+3”的主要編譯系統(tǒng)在內(nèi)的基礎(chǔ)軟件技術(shù).

一個(gè)優(yōu)秀指令集的形成往往需要經(jīng)歷長時(shí)間的研究和實(shí)踐迭代過程.龍架構(gòu)走出了很好的第一步，但也還有很大的成長空間.如何更好地適應(yīng)當(dāng)代工作負(fù)載、如何科學(xué)地權(quán)衡新指令和新特性的引入、如何進(jìn)一步加速軟件生態(tài)的繁榮等等，都需要龍芯團(tuán)隊(duì)和國內(nèi)外同仁的繼續(xù)努力.可喜的是，龍芯團(tuán)隊(duì)選擇以開放的態(tài)度發(fā)展龍架構(gòu).據(jù)了解，開源社區(qū)的大量軟件都已經(jīng)添加了對(duì)龍架構(gòu)的支持，包括UEFI固件、Linux內(nèi)核、GCC/GLIBC/Binutils/GDB、LLVM、GoLang、.NET、QEMU 和 Chromimum/Firefox等關(guān)鍵基礎(chǔ)軟件.該文作者也宣布了龍架構(gòu)指令集本身也將對(duì)外開放.我相信，在這種開放協(xié)作的模式下，龍架構(gòu)將成為很好的學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)實(shí)踐的平臺(tái).

評(píng)述專家：

徐志偉,《計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展》主編，研究員.主要研究方向?yàn)楦咝阅苡?jì)算架構(gòu)和分布式系統(tǒng).

亮點(diǎn)論文：

胡偉武，汪文祥，吳瑞陽，王煥東，曾露，徐成華，高翔，張福新.龍芯指令系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2023，60（1）：2?16.DOI:10.7544/issn1000-1239.202220196