龙芯3号处理器面临的挑战

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很荣幸在计算机事业五十周年的时候有机会做这个报告，我的报告题目是《龙芯3号多核处理器设计及其挑战》。

如果让我说多核处理器的发展趋势，就是一句话：处理器结构正处在转折期，主频至上的时代已经结束，摩尔定律关于主频部分已经终结，但是晶体管资源还在增加，性能功耗比继性能价格比后成为重要的设计指标。

摩尔定律不是性能定律，它的真正含义是关于晶体管数目和晶体管开关速度的定律。Intel是摩尔定律的倡导者，根据Intel自己的资料，从486到奔四性能提高了75倍，有13倍来自工艺的改进，6倍是来自结构的改进。每代微处理器最大的片内时钟频率是上代产品的两倍，其中部分来源于器件按比例缩小，另外一部分来源于流水级中逻辑门数目的减少。晶体管反转速度按比例缩小导致性能同步增长的趋势在130纳米时已经终止了；至于连线延迟，随着工艺的提高线变短了，但也变细了，全局的连线延迟还会不断增长；同时结构上不可能无限制细分流水线，一般认为不可能小于10~12F04；晶体管还会增加，但性能增加只是景观管数目增长的平方根；由于晶体管特性，工作电压不会随着工艺进步而降低，加上频率提高，导致功耗密度随集成度增加而增加。

现在的CPU比较强调均衡的性能，比如SPEC CPU2000对浮点、I/O、大内存有很高的要求。未来需要以低能耗处理大量的服务，比如以网络媒体为代表的流的处理，基于Web的大量请求快速处理。传统高主频的复杂设计遇到越来越严重的障碍，需要探索新的结构技术来在简化结构设计的前提下充分利用摩尔定律提供片内晶体管，以进一步提高处理器的功能和性能。多核结构是符合发展趋势的。

接下来介绍一下龙芯系列处理器。从2002年，龙芯1号诞生开始，之后从制造龙芯2号开始，进入了三级跳式的跨越，龙芯2B性能是龙芯1号3倍，龙芯2C性能是龙芯2B的3倍。之后又开始制造龙芯3号。它们的定位是龙芯1号面向IP和嵌入式应用，龙芯2号面向高端的应用，龙芯3号面向多内容的服务器应用。

龙芯2E的量产现在已经基本完成，现在已经向市场批量供应。龙芯2E结构特征，在单处理器结构方面已经到达国际先进水平。关于功耗进行过测试，主频在750MHz的龙芯2号，包括CPU、北桥和内存条加一起，功耗只有7.5W；在SPEC测试中，龙芯2E也表现出了优秀的性能；我们部分应用，包括一些处理平台、低成本电脑、笔记本等。我现在用的就是一台用龙芯做的笔记本。

对于龙芯3号多核处理器，我们阶段目标是：到2008年希望做8~16核；到2010年做32~64核。龙芯3号结构特征是多平台并行虚拟机结构、可伸缩大CMP结构。现在的CPU面临功耗需求、应用变化等很多转折点。抓住这些转折点，新产品完全可以利用后发优势取得突破。主频的游戏已经结束了，并行结构方面有很多机会。我们设计的方法很正确，可以集成10个核以上，而国外厂商更多运用静态电路，不可能为了追求极端的性能牺牲功耗，把10个100W核集成在一起，这就是我们的优势。

龙芯3号面临的挑战主要有可伸缩的结构设计；物理设计的难度；对产品进行验证的难度等。但我相信“十一五”期间，我们在技术上不会比那些国际大企业差。