Zen架构！国产海光x86 CPU实测：虽有缩水 意义非凡

在上一篇文章中，小编为您详细介绍了关于《3:2焕新视界 全新十代蜂鸟Swift 3移动超能版评测》相关知识。本篇中小编将再为您讲解标题Zen架构！国产海光x86 CPU实测：虽有缩水 意义非凡。

　　本文来自快科技

　　这几年，国产CPU处理器突飞猛进，而且在不同架构上齐头并进，包括x86架构的兆芯、海光，MIPS架构的龙芯、君正，ARM架构的飞腾、鲲鹏，Alpha架构的申威，RISC-V架构的阿里玄铁等等。

　　其中，海光（Hygon）是一个非常特殊的存在，因为他居然拿到了AMD的官方授权（注意不是技术转让），而且是大获成功的最新Zen架构，在性能方面是最值得期待的，但到底能达到什么程度一直扑朔迷离。

　　最近，权威硬件评测网站AnandTech拿到了海光处理器，包括8核心的桌面版Dhyana、32核心的服务器版Dhyana Plus，进行了深入分析和测试。

　　一、AMD和海光的复杂合作

　　其实，海光能获得AMD x86架构授权是非常曲折的。虽然美国政府对此大开绿灯，但为了规避Intel专利限制和相关法律，绕了一个大圈子：

　　AMD、天津海光信息技术有限公司（天津海光）作为两家主体合作公司，通过合资的方式成立了两家新的公司，一个是成都海光微电子技术有限公司（海光微电子），另一个是成都海光集成电路设计有限公司（海光集成电路）。

　　海光微电子由AMD主要控股51%，拥有AMD授权IP（知识产权）并负责芯片生产，海光集成电路则由天津海光主要控股70%，负责芯片设计与销售。

　　而一颗海光处理器的诞生，可以分为11个步骤：

　　1、AMD将核心设计授权给海光微电子，并提供建议的SoC布局

　　2、海光微电子向海光集成电路提供芯片设计平面图

　　3、海光集成电路将修改建议反馈给海光微电子

　　4、AMD工程师审核修改建议，予以批准或否定

　　5、海光微电子将最终设计平面图返回给海光集成电路，并准备接订单

　　6、海光集成电路向海光微电子订购晶圆、硅片

　　7、海光微电子联系GlobalFoundries进行代工制造

　　8、GlobalFoundries按照设计达成预定频率/电压、良品率

　　9、海光微电子将完整硅片卖给海光集成电路

　　10、海光集成电路在中国国内完成硅片封装

　　11、海光集成电路在中国内地市场销售成品处理器

　　是不是绕晕了？没办法，想获得最先进技术，就是这么难。

　　特别注意的是，海光获得的只是AMD 14nm Zen架构的IP授权，而不是完整的技术转让，底层设计和技术、专利依然属于AMD，海光只能在高级层面根据自己的需要进行修改、定制。

　　打个比方，技术转让相当于买了块地皮，你就是房地产商，可以自己规划盖高楼，想怎么盖就怎么盖，ARM架构的华为麒麟等就是这种。

　　IP授权相当于买了个毛坯房，你只是业主，可以自己装修、安装家具，但不能改变楼房结构，墙壁里安装个窃听器你也没办法。

　　并且，AMD授权的也不是完完整整的Zen架构，而是阉割后的残血版，性能和锐龙、霄龙相比不在一个层次上，所以对后边的测试成绩要做好心理准备。

　　但无论如何，你付了钱买了房子，你就是主人，所以海光确确实实是一款国产处理器，而且能对如此复杂、先进的x86架构吸收并改进设计，并不是谁都能做到的。

　　采用海光处理器的曙光工作站

　　二、海光Zen架构的阉割与修改

　　海光并非直接把AMD Zen架构芯片拿过来打磨改个名，AMD也没这么大方，一方面允许自行修改设计，但另一方面也在架构规格上做了不少精简。

　　这方面没有任何官方资料，AMD、海光都异常低调、守口如瓶，但是通过各种分析检测，AnandTech还是发现了很多秘密。

　　1、基本架构不变

　　海光处理器在核心布局上和原版Zen完全相同，缓存容量、TLB容量、端口布局等都没变，比如一级指令缓存4路64KB，一级数据缓存8路32KB，二级缓存8路512KB，三级缓存16路8MB。

　　测试显示，内存访问时间一级缓存4个周期、二级缓存12个周期、三级缓存37-40个周期，内存延迟284-307个周期。

　　一级缓存读取速度每核心约100GB/s，写入速度约51GB/s。八核心的DDR4内存读取速度38.5GB/s，写入速度35.8GB/s。

　　Zen架构内核简图

　　2、新的加密机制

　　出于安全考虑，海关在这方面做了大刀阔斧的改变。

　　Zen架构的霄龙中有AMD SEV虚拟化加密技术，涉及RSA、ECDSA、ECDH、SHA、AES等加密算法，海光则改成了我国自己发布的SM2、SM3、SM4，更有可控性。

　　SM2是椭圆曲线公钥密码算法，相比于RSA更先进、更节能、更安全，国家密码管理局2010年12月17日发布。

　　SM3是哈希算法，属于密码散列函数标准，用于数字签名及验证、消息认证码生成及验证、随机数生成等，原理、安全性和效率都类似SHA-256，国家密码管理局2010年12月17日发布。

　　SM4是分组密码算法，用于数据加密，分组和秘钥长度都是128位，类似AES-128，国家密码管理局2012年3月21日发布。

　　Linux内核也加入了相应的指令，以支持这些加密算法，不过有趣的是，他们不但在海光处理器上测试成功，AMD霄龙上也能运行。

　　3、指令集大缩水

　　这是AMD下手最狠的地方，大量指令要么把速度降了下来，要么直接砍了，对性能影响非常大。

　　测试发现，海光获得架构的整数性能基本没变，但是浮点性能损失很大，DIV、SQRT等浮点指令直接消失，大量的MMX/SSE简单指令则被降速：

　　这些都是基础指令，对于日常基本性能至关重要，速度变慢直接就把实际性能给拉了下来。

　　另外，桌面版Dhyana、服务器版Dhyana Plus的差别也很大，比如至关重要的随机数生成算法，就在服务器版上严重削弱。

　　RDRAND算法在海光这边其实更快了，服务器版上更是快得多，RDSEED算法在海光桌面上也加快了，但服务器上慢了足有10倍之多。

　　事实上，二者都可以在海光的BIOS里选择开启或关闭。

　　AVX、AVX2指令集也很奇怪，检测显示海光是支持的，但似乎已被禁用，相关测试根本无法运行，AESNI、SHA、CLMUL、FMA4、BMI、BMI2等指令无一例外。

　　缺少这些指令会影响到什么程度呢？比如AES编码，两颗32核心的海光竟然都跑不过入门级的4核心锐龙3 1200：

　　三、海光处理器就长这样

　　说了半天，是时候请出本尊了。

　　这是一个8核心海光桌面处理器的工程样品，表面印有HYGON中科海光的标识，“用芯计算未来”的口号，还能看到成都封装字样，但没有具体型号和规格。

　　C86应该是代表China x86。

　　不同于AM4独立封装的AMD锐龙，海光采用BGA整合封装，直接焊接在主板上，无法更换和升级，辅以简单的6相供电，不过奇怪的是，散热器安装孔距并非AMD AM4规格，而是Intel的。

　　整体板型为mciroATX，供电接口有24针主供电、8针辅助供电和D形大4针辅助供电。还有两块电池，一块显然是保存BIOS，另一块未知。

　　两条内存插槽位于处理器上方，典型的服务器布局以方便散热，另有四个SATA 6Gbps磁盘接口、两条PCIe 3.0 x16和一条PCIe 3.0 x4扩展插槽。

　　海光其实也是SoC，为了扩展输入输出搭配了一颗Lattice Semiconductor FPGA，提供SATA接口、四组LED指示灯和各种定制接口、插针、按钮。

　　集成GPU当然没有，使用的是服务器上常见的IPMI控制器和ASPEED AST2500芯片，提供简单的2D图形输出。

　　放上去一颗锐龙处理器，尺寸是完全一样的。

　　这是32核心的海光服务器版本，外形尺寸和线程撕裂者、霄龙几乎一模一样，也有保护支架，同时表面可以看到7185的型号标识，其他类似桌面版。

　　服务器整机来自曙光，面向计算和存储市场，双路共计64核心，每路支持4块U.2硬盘、16块SATA硬盘，内存支持八通道，但本次测试因为一些限制跑的是四通道。

　　CPU-Z软件还不支持海光，服务器版直接无法运行，桌面版也只能检测出极少量信息，比如八个核心、3.2GHz主频，但奇怪的是，指令集里显示有AVX、AVX2、FMA3，但实际测试却无法用上，至少目前还没找到能利用的方法。（其实应该用AIDA64检测的，去年已支持海光。）

　　四、终于要跑分了

　　测试中，8核桌面海光搭配Windows 10专业版，双路32核服务器海光搭配Windows 10企业版，但由于AVX、AVX2指令集不正常，很多测试无法跑，项目有限。

　　8核海光的性能大致类似6核锐龙5 1600X、8核锐龙7 1800X，但在特定测试中甚至可能还不如双核速龙200GE，比如最后一项GeekBench 4单线程加密性能。

　　双路32核海光的表现一团糟，很多时候还不如锐龙7 1800X，当然更没法和锐龙9 3950X甚至是撕裂者相比，唯一较好的就是更突出整数性能的Corona，可见浮点指令集削减造成的严重影响。

　　五、难得机遇 意义非凡

　　可能看完跑分，大家会感到非常失望，坦白地说乍一看确实也有点出乎意料，但其实也是合情合理的。

　　x86 CPU架构作为Intel、AMD两家美国巨头的核心资产，是绝对不会轻易外泄的，尤其是Zen这样非常成功的最新架构，按照一般逻辑我们能拿到手的可能性应该是零，以往想都不敢想，但是在各种因素的促成下，它确确实实到了我们手中。

　　AMD对海光的架构底层开放程度到底是什么层次，我们不得而知，但确确实实整套搬了过来，尽管规格上有些缩水但并没有本质性的削减，而且允许海光自行修改、设计（尤其是敏感的安全加密），已经足够我们的科研人员研究很久很久了。

　　可以说，这是一次空前难得的历史机遇，可以让我们一窥最新、最先进的集成电路设计，获得极为宝贵的经验，这次的合作模式也值得思考和借鉴。

　　可能在未来很长时间里，都不会再有这样的机会了，至少AMD已经明确表态，后续的Zen 2/3/4等等无意继续授权给海光。

　　整体来看，无论是桌面上还是服务器上，海光处理器的性能确实很平淡，毕竟指令集等关键特性做了大幅度的削减，对于这么先进架构的研究、优化也需要时间。

　　但是海光处理器的意义，绝不是达到多高的性能，而是有了一个全新的开端和突破。对于一些特殊、敏感的行业和领域，目前需要的也不是绝对高性能，而是首先解决有无的问题，解决能用的问题。

　　而且我们还有兆芯，来自威盛的x86技术，虽然架构技术相对Intel、AMD差了很多，但是在我们手里的自由度更大，满足一些特定需求是毫无问题的，甚至已经开始向零售市场渗透。

　　路，总是要一步一步走的，只要坚持走下去，就有希望，就有未来，更何况，我们的路还不止一条。

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