LoongArch編譯器

Ⅰ 突破封鎖！國產晶元終於有了自己的指令集

在半導體晶元領域， 指令系統是一切軟硬體生態的起點 。

以大家最熟悉的ARM和X86為例，它們就分別隸屬於RISC精簡指令集和CISC復雜指令集。

隨著物聯網、5G、AI新興領域的興起，RISC-V和MIPS兩大精簡指令集架構也頻繁出現在我們的視野內。

所謂晶元，其實都是由半導體堆出來的硬體電路，晶體管越多往往代表性能和功能越強。但無論是超級計算機還是智能手環， 它們搭載的處理器都只能識別二進制數據 。

想讓這些晶元正常運行，處理復雜的應用場景，首先就要教會它們學會類似九九乘法表的「演算法口訣」和「數學公式」， 而這些演算法口御橋早訣/公式其實就是所謂的「指令集」 。

換句話說， 指令集的功能和效率（演算法口訣/公式的類型），在很大程度上就決定了各類晶元的成就和算力的上限 。

雖然海思麒麟、龍芯、兆芯、海光、紫光、澎湃等國產晶元都在各自領域取得了不俗的成績，但無論是它們，還是其他採用X86、ARM、MIPS、RISC-V、Alpha和Power，選擇封閉、授權還是開源的國產晶元項目，其底層的指令集根基都掌握在別人手裡。

因此， 只有從指令系統的根源上實現自主，才能打破軟體生態發展受制於人的枷鎖 。

好消息是，日前龍芯中科就正式發布了自主指令系統架構「Loongson Architecture」，簡稱為「龍芯架構」或者「LoongArch」。它包括基礎架構部分，以及向量擴展LSX、高級向量擴展LASX、虛擬化LVZ、二進制翻譯LBT等擴展部分，總共接近2000條指令。同時不包含龍芯此前使用的MIPS指令系統， 並具有完全自主、技術先進、兼容生態三個方面的特點 。

目前，採用LoongArch的龍芯3A5000處理器晶元已經流片成功，完整操作系統也已穩定運行，它能對多種國際主流指令系統的高效二進制翻譯鏈，並成功演示了運行基於其它主流指令系統的復雜應用程序。

LoongArch對MIPS指令的翻譯效率是100%性能，對ARM指令翻譯的效率是90%性能，對x86的翻譯效率是80%性能。

此外，龍芯中科還在聯合產業鏈夥伴在適當的時間建立開放指令系統聯盟，在聯盟成員內免費共享LoongArch及有關龍芯IP核。

所謂IP核，我們可以理解為ARM旗下的Cortex-A78和Cortex-A55等，後置都是基於ARMv8指令集打造的核心IP架構，並授權給了高通、三星、聯發科等晶元商開發SoC移動平台。

目前，ARM剛剛發布了ARMv9指令集，如果不出意外將在下半年發布的Cortex-A79和Cortex-X2架構就將採用這套指令集。

近10年來32位手機處理器都是基於ARMv7指令集打造，在A75之前的處理器則是基於ARMv8-A設計，隨後都是ARMv8.2-A一統江湖

ARM指令集可以細分為Cortex-A（ARMv-A）、Cortex-R（ARMv-R）和Cortex-M（ARMv-M），分別適用於不同類型的晶元

比如車載晶元使用的就是Cortex-R（ARMv-R）核心IP

總之， 設計出一個純國產的自主指令集只是萬里長征的第一步 ，關鍵是後續要做出懂這個指令集的CPU（已經有了龍芯3A5000），再往後還需要鎮雀讓和人類交互的「翻譯家」——編譯器懂這個指令集。也就是需要不斷完善軟硬體生態，讓我們熟悉的系統、辦公、 娛樂 和 游戲 程序都能運行在這套指令集打造的晶元之上。如果做不到這一步，國產指令集和相關晶元也只是空中樓閣而已、

作為國人，我們真心希望LoongArch這種國產指令集可以取得成功，今後無論手機、電腦、車載還是其消沖他半導體晶元都能以使用國產指令集為榮，並走向世界。

擴展小知識

那麼，指令集又是如何影響晶元執行效率的？

我們以RISC和CISC，讓它們分別執行「清潔地面」的命令為例，看看其背後的指令邏輯差異。

邏輯上，「清潔地面」的大概思路是先拿起掃帚，掃地；拿起簸箕，用掃帚把垃圾掃進簸箕；放下掃帚和簸箕，潤濕墩布；再用墩布擦地，直至清潔地面完成。

對CISC復雜指令集而言，很容易理解「清潔地面」這套邏輯，下達「清潔地面」命令後，就能按照規則和順序，一步步自動完成。

對於RISC精簡指令集而言，它一下子可理解不了如此復雜的邏輯，必須將復雜的邏輯順序拆分，然後按照一項項簡單的命令去完成復雜的操作。

比如，想讓RISC精簡指令集完成「清潔地面」命令，就必須依次下達「拿起掃帚」、「掃地」、「拿起簸箕」、「把垃圾掃進簸箕」、「放下掃帚和簸箕」、「潤濕墩布」、「墩地」……

看起來CISC復雜指令集方便又強大？沒錯，如果要同時清潔無數房間地面，你只要對著不同的房屋說「清潔地面」、「清潔地面」、「清潔地面」……即可。

而對RISC精簡指令集，你需要對著每個房間都重復一整套復雜的命令，如果下達指令的人嘴巴不夠快（帶寬不夠大），那清潔地面的效率自然受到影響，難以和CISC復雜指令集抗衡。

但是， 現實生活中，並非所有房間的地面都需要一整套的清潔流程，比如你只需要墩地一個步驟。

對RISC精簡指令集而言，你只需對著需要清潔的房間說「墩地」、「墩地」、「墩地」即可。而由於CISC復雜指令集沒有單獨的「墩地」動作，操作起來就要麻煩許多，完成相同的墩地操作會消耗更多資源，翻譯過來就是發熱更高更費電。

這就是RISC和CISC的本質區別。 說不上誰好誰壞，只能說它們所擅長的領域各不相同。

以ARM架構為代表的RISC精簡指令集，最適合針對常用的命令進行優化，賦予它更簡潔和高效的執行環境，對不常用的功能則通過各種精簡指令組合起來完成。

RISC是將復雜度交給了編譯器，犧牲了程序大小和指令帶寬，從而換取了簡單和低功耗的硬體實現。

對以X86架構為代表的CISC復雜指令集，則適合更加復雜的應用環境。

CISC是以增加處理器本身復雜度作為代價，以犧牲功耗為代價去換取更高的性能。不過，X86架構則可通過對新型指令集的支持（如SSE4.1、AVX-512等），在一定程度上提高指定任務的執行效率和降低功耗。

現在晶元領域是RISC攻，CISC守的格局。以蘋果M1為代表的ARM架構RISC指令集晶元正在染指傳統的X86 PC市場，而且大概率會取得成功。雖然以英特爾為代表的X86陣營曾多次試圖反擊Android生態（如早期的Atom晶元），但最終卻都以失敗告終。ARM最新發布的ARMv9指令集，就給了ARM晶元入侵X86 PC大本營更多彈葯，也許用不了多久Windows ARM版PC也將成為一個更加重要的PC品類。