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本文介紹國產CPU龍芯3號最新一代產品4000系列。
12月24日，龍芯中科發布龍芯4000系列CPU芯片，分別為3A4000和3B4000。性能方面，3A4000/3B4000采用28nm FDSOI工藝，微架構為GS464V核心，通用處理性能提升一倍以上，這將成為我國自主CPU發展史上又一新的里程碑。
據悉，龍芯4000系列進一步完善對虛擬機的支持，效率達到95%以上。在相同主頻下，龍芯4000系列比3A3000的流水線效率提高50%，主頻提升至1.8GHz-2.0GHz。
龍芯中科總裁、中科院計算技術研究所總工程師、龍芯CPU首席科學家胡偉武博士介紹，龍芯4000系列是首次全面集成可信模塊、國內密碼算法、訪問控制等安全機制的CPU芯片。
也就是說，龍芯4000系列處理器除了性能大幅提升之外，還擁有片內安全機制和高效云化的特點。
據介紹，龍芯在2019年的芯片出貨量已超50萬顆。未來，龍芯中科將著重提升CPU主頻與核數，3A5000和3C5000兩款芯片將分別計劃在2020年上半年和下半年流片。
01
我國自主CPU發展的里程碑
龍芯中科是國產自主高性能通用處理器技術領先者和產品提供商，搭載龍芯中科CPU的計算機已進入政府采購目錄。
龍芯脫胎于中國科學院計算所，曾研發出我國首枚擁有自主知識產權的通用高性能微處理芯片。
CPU芯片長期被英特爾等國外巨頭所壟斷，龍芯先推出的龍芯1號、龍芯2號，打破了中國缺自主研發CPU芯片的歷史，是中國形成自主知識產權計算機產業道路上的一座里程碑。
從2001年至今，龍芯研發了龍芯1號、龍芯2號、龍芯3號三個系列處理器和龍芯橋片系列。
龍芯1號系列為32位低功耗、低成本處理器，主要面向低端嵌入式和專用應用領域；龍芯2號系列為64位低功耗單核或雙核列處理器，主要面向工控和終端等領域；龍芯3號系列為64位多核系列處理器, 主要面向桌面和服務器等領域。
今天發布的龍芯3A4000是龍芯3號系列處理器的最新產品，距上一代龍芯3A3000發布已相隔兩年。
2017年時，龍芯年營收達1.5億元，利潤2000多萬元，2018年營收和利潤均比2017年翻番，利潤達到歷史最高水平，交的稅款已超過國家給龍芯各類補助的總和。
胡偉武表示，今年上半年龍芯收入已超過去年全年，利潤是去年全年的1.3倍左右，預計到2021年，龍芯交給國家的稅將超過之前所有的研發投入。
02
采用GS464v架構，實現三大特點
龍芯3A4000是龍芯第三代高性能處理器核，采用新一代處理器架構GS464V，擁有雙DDR4-2400/2133內存通道，雙HT3.0系統總線，效率提升一倍。
性能方面，其主頻為1.8GHz，睿頻2.0GHz，采用37.5mm*37.5mm封裝工藝，典型功耗為30-40W。
據胡偉武介紹，龍芯3A4000主要有三方面特點：
1、相同工藝性能成倍提高
龍芯3A4000采用28nm工藝，進一步通過設計優化提升處理器性能，反映傳統桌面性能的SPEC INT2000的單核base分值，從930分提高到了2090分。
此外，它的科學計算性能與3A3000相比，提升了4倍以上，支持128/256位向量。而3B4000支持四路直連，與3B3000雙路服務器相比，四路服務器性能亦提升了4倍。
與此同時，龍芯3A4000的虛擬機效率大幅度提高，從原先的88%提升至98%。胡偉武稱，其單核性能已高于用14nm實現的Arm處理器。
2、片內安全機制
龍芯3A4000支持AES、MD5、SHA等加解密算法，片內集成安全可信模塊，支持國密算法。
此外，它支持操作系統內核棧防護機制，支持IO防護、安全執行環境等訪問控制，其高性能密碼算法服務能力支持商密及以上算法。
3、自主研發
龍芯3A4000的所有模塊源代碼和各類全定制模塊均為自主研發，除了廠家提供的標準單元庫和內存編譯器（Memory Compiler）外，沒有任何第三方IP。
除此之外，龍芯3A4000在功耗管理和封裝方面也有了進一步提升。
一方面，它第五個核（GS132E）監控主核運行，并進行動態功耗管理。例如，搭載龍芯3A4000的筆記本電腦工作時長比3A3000相比，提高了一倍以上；
另一方面，龍芯3A4000的封裝尺寸比3A3000更小，支持普通BGA、LGA和CBGA多種封裝形式，同時其桌面主板可支持四層布線。
值得一提的是，龍芯4000系列用于片間互連及連接橋片的HT控制器帶寬提高了一倍以上，內存控制器從DDR3升級至DDR4，SPEC CPU2006定點和浮點單核分值提高到20分。
但胡偉武也指出，龍芯4000系列處理器依然存在兩大問題。
一是DDR4內存頻率不夠高。DDR4規定的速率范圍是1600至3200，而龍芯4000系列最高DDR4工作速率為2400/2133，與規定范圍還存在一定差距。
二是功耗偏大。其非向量模式的典型功耗為30至40W，主要在于工藝不夠先進，設計優化比較極致，建議科學計算環境下使用256位浮點向量時，適當降低電壓和頻率。
03
未來重點突破主頻與核數
胡偉武談到，龍芯的下一步將會把研發重點放在提高主頻與核數上。
一方面，龍芯3A5000將提高主頻至2.5GHz，采用12nm工藝，單核性能將提高至30分左右，計劃于2020年上半年流片。
同時，其內存控制器延遲/寬帶進一步優化，LLC增加一倍，實現操作系統級二進制兼容。
另一方面，龍芯3C5000將增加核數，同樣采用12nm工藝，支持4至16路服務器，計劃將于2020年下半年流片。
在胡偉武看來，目前國內CPU企業發展核心技術主要有兩個途徑，一是市場換技術，如汽車產業；二是市場帶技術，如航天產業，而龍芯中科走的則是第二條路。
龍芯中科通過體制內市場引導，帶動技術進步后，再進一步參與體制外的市場競爭。同時，龍芯CPU自主編寫CPU源代碼，在應用中不斷演進，并注重自主CPU的自主生態建設，以逐步提高產品性能和完善生態。
雖然，龍芯發展至今已經為我國半導體產業的崛起提供了不可或缺的力量。但胡偉武認為，我國自主CPU與國外先進水平相比，在通用處理能力、單核性能和設計能力三大方面還存在較大差距。
“龍芯需要練好內功，通過設計優化提高單核通用處理性能。”胡偉武說到，3A4000和3B4000已基本填補單核通用處理性能的缺陷，性能提高2至3倍（約20-30分），達到AMD的水平。
而目前，市場主流CPU使用GCC編譯的單核分值為20至40分。
04
龍芯操作系統支持軟件生態建設
胡偉武談到，龍芯的操作系統目前具有兩種商業和技術模式。
面向專門企業，龍芯提供桌面和Windows服務器系統；面向設備企業，龍芯則基于基礎版開源OS維護，支持OS、整機和應用企業。
實際上，龍芯已面向三大不同的平臺開發相應的操作系統：
1、面向通用信息化系統的Loongnix。該系統基于通用Linux平臺進行完善和優化，為統一操作系統UOS龍芯版提供支撐。
2、面向高可靠實時終端的LoongOS。該系統基于Linux/RT-Linux構建了簡潔高效的OS。
3、面向實時嵌入式應用的LoongWorks。該系統針對歷史應用，基于VxWorks內核，完善圖形和網絡等API。
另一角度看，龍芯操作系統針對不同的硬件和應用，亦分別提出了兩種不同的二進制兼容。
除此之外，胡偉武也提到，龍芯將進一步統一系統架構，構建標準規范體系，實現操作系統跨主板整機兼容和CPU代際兼容。
從龍芯3A4000開始，龍芯也將參考設計全面支持統一系統架構，開發支持ACPI主板、固件、內核及OS的參考設計，以及基于ACPI/EC筆記本標準的解決方案。
05
結語：我國自主CPU研發的里程碑
龍芯中科經過近二十年的發展，已經成為我國國產自主高性能通用處理器的技術領先者，不僅打破了我國缺乏自主研發CPU芯片的歷史，同時也是我國形成自主知識產權計算機產業道路上的一座里程碑。
近二十年來，龍芯的自主CPU和OS已經趨于成熟。胡偉武稱，龍芯CPU通用處理性能已達到AMD水平，OS成熟度也已接近Windows XP。
然而，龍芯尚未豐富的應用和產業不配套，無疑是擺在自主CPU和OS未來發展道路上的一個阻礙。未來，龍芯如何完善基礎軟件環境和配套芯片，推動CPU和OS生態的進一步成熟發展，這十分值得我們期待。
— 完 —
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T之家7月24日消息 據統信和龍芯中科官方消息，近日，第三方測試機構對搭載統信 UOS 和龍芯 3A4000 的電腦進行 Unixbench 測試，測試基于龍芯 3A4000 處理器（4 核心，主頻 1.8GHz）、編譯器 GCC 7.3.1 和統信桌面操作系統 UOS（內核版本 4.19.73+），測試工具為 Unixbench5.1.3。
實際測試表明，基于龍芯 3A4000 和統信UOS操作系統的 Unixbench 四線程分值達到 2700 分以上，一定程度上展現了基于龍芯和統信 UOS 的自研計算平臺的優異性能。
IT之家了解到，UnixBench 是一個類 Unix（Unix，BSD，Linux）系統下的性能測試工具，被廣泛用于測試 Linux 系統主機的性能。但性能測試集較為簡單，不是專業的 CPU 測試工具，且測試結果和整機配置、操作系統、編譯器等有關。
測試 CPU 性能的權威工具是 SPEC CPU。龍芯 3A4000 電腦的 SPEC CPU2006 測試數據同樣經過第三方測試機構認證并出具報告，單核 SPEC 性能分值達到 20 分以上。
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《統信 UOS 桌面操作系統 V20 專業版（1020）正式發布：海量更新內容！》
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逸瓏迷你筆記本是中國首款采用國產 CPU 的筆記本電腦，具有劃時代的意義，同時也是完全支持自由軟件的筆記本電腦，運行 Linux 操作系統等開源軟件，對于開源愛好者來說，龍芯筆記本是一個非常好的學習和開發平臺，可以在上面開發各種開源軟件。" 自由軟件之父 "（Richard Matthew Stallman）理查德 · 馬修 · 斯托曼、Debian Linux 創始人等知名自由軟件人士都是龍芯筆記本的用戶。
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圖 1 龍芯筆記本用戶使用情況
圖 2 龍芯筆記本安裝 Debian 系統
圖 3 龍芯筆記本移植 openwrt 系統
圖 4 龍芯筆記本控制 3D 打印機
目前 8089A、8089D、8101 等型號的龍芯迷你筆記本都已經斷貨，現龍芯俱樂部特推出最后一款最后一批珍藏版 8089B 龍芯 2F 迷你筆記本，網址 www.loongsonclub.com, 同時隨機贈送帶有龍芯筆記本照片的相框作為紀念。8089B 龍芯 2F 迷你筆記本配置為龍芯 2F 處理器、1G 內存、160G 硬盤。面向龍芯愛好者、Linux 學習和開發者，社區特供價格 379 元，是市面上最便宜的 Linux 學習開發電腦，同時作為中國第一款采用國產龍芯 CPU 的筆記本電腦，也具有非常高的紀念收藏價值。
圖 5 最后一款龍芯 2F 迷你筆記本
作為龍芯筆記本團購的后續活動，龍芯俱樂部準備面向個人愛好者推出最新的龍芯 3B 桌面電腦。
龍芯 6 核 3B 芯片是一個配置為 6 核的處理器，采用 32nm 工藝制造，最高工作頻 1.2GHZ（低電壓）/1.5GHZ（高電壓）。主機使用標準 mini itx 規格主板，板載 AMD RS780E 南橋芯片，配置 1 個千兆網絡接口，另外具有 PCI、PCIe、SATA、USB 等多種外設接口，并且可配備 hd6770 獨立顯卡以及 ssd 硬盤，具有良好的可擴展性。龍芯 3B 電腦支持 chrome 和 firefox 兩款主流的瀏覽器，可以滿足日常網頁瀏覽使用。該龍芯系統支持 flash 播放，chrome 瀏覽器內置 flash 插件 , 通過 chrome 瀏覽器瀏覽優酷網站，可以流暢播放網站上的視頻短片，在辦文軟件方面，系統中也支持 WPS 和中標普華 office 兩套辦公套件，使用 WPS 打開 200 頁左右的文檔，在 5 秒之內打開，可以達到普通中等商用桌面電腦的性能。通過使用發現，WPS 界面風格和功能已經與微軟 office2003 和 office2007 基本達到了完全一致，原來 windows 微軟 office 的用戶可以無差別的使用 WPS 辦公套件，這也大大提升了用戶使用的方便程度；另外，通過各種格式的文件測試，對于微軟 office2003 和 office2007 格式的文檔表格幻燈片等格式，WPS 都可以完全兼容編輯。雖然與目前最高端的 x86 機器相比 , 龍芯 3B 電腦在功能的豐富性上還存在差距，但是就目前擁有的軟件功能和性能，已經完全滿足日常辦公和個人網頁瀏覽等需求。作為目前最新款的國產計算機，無論是硬件性能還是軟件配備上，我們看到了國產化的進步。
據悉，龍芯 3 B 電腦主要在黨政軍辦公領域進行規模化推廣，龍芯俱樂部準備面向個人愛好者推出最新的龍芯 3B 桌面電腦團購活動。
圖 6 龍芯 3B 電腦