工艺不变性能翻倍，这颗刚发布的国产芯片怎么做到的？

发表于 5年以前 | 总阅读数：649 次

龙芯28nm CPU超越16nm ARM CPU

芯片的性能主要在芯片的设计和芯片的制造，就设计这一块，主要靠IC设计公司，就制造这一块，则主要仰仗台积电这类晶圆厂。诚然，部分设计工作和制造结合的很紧密，如果磨合的好的话可以威力倍增，比如英特尔用45nm工艺就可以把CPU主频做到2.5G以上，而国内ARM阵营IC设计公司把CPU做到2.5G以上则需要台积电7/10/12/16nm工艺配合。

因此，如果一家公司采用落后工艺，CPU性能反而超越了采用先进工艺的CPU，那么，这足以说明这家采用落后工艺的CPU公司，其具备比较强的CPU设计能力。就这一点来说，龙芯与国内ARM阵营的友商就形成了这种对比。

以某ARM CPU来说，其IPC在过去5年里提升相对有限，堪称英特尔挤牙膏：

2014—2015年的某款CPU（28nm）单核性能为11左右（@2G），换算一下5.5/G；

之后的一款多核服务器CPU（28nm）的单核性能为12.4（@2G），换算一下6.2/G；

之后把工艺换成了16nm，出了一款多核服务器CPU，单核性能为13（@2.4G），换算一下5.4/G；

最近出了一款四核桌面芯片，2.6G主频下定点16.5，换算一下是6.3/G。如果主频满血到3.0Ghz，那么定点应该在19分左右。

另一家ARM CPU，其采用16nm工艺的时候，一款是买A57做SoC设计，还有一款是买A72做SoC设计。即便是A72那一款，单核定点成绩也在17至18左右。

相比之下，采用28nm工艺的龙芯3A4000，单核定点18+（@1.8G），2G主频下可以达到20+。

之所以在主频落后的情况下，龙芯还能在性能上反超，根源就是龙芯在微结构设计水平上具有较强的能力。CPU的性能，不能只看工艺和主频，微结构设计水平也非常关键，当年英特尔P4处理器主频高达3G，但性能就是不行，并荣获“高频低能”的“美誉”。这两款ARM CPU性能略逊色于龙芯3A4000，主要就是其微结构逊色于龙芯设计的GS464V，因而导致其主频更高，但芯片性能略逊一筹。

龙芯延用28nm根源是囊中羞涩和发展规划

不知为何，一些媒体因为龙芯采用28nm工艺就鄙夷龙芯技术不行，然而，这种观点是值得商榷的，上28nm工艺还是7nm工艺，技术方面的因素偏少，钱方面的因素偏多，一些公司财大气粗，或者获得国家资源倾斜较多，自然有钱用台积电先进工艺。而龙芯在体量上无法与大公司相比，在获得国家扶持方面也非常有限，在十二五之后，核高基等顶层设计重点扶持技术引进的X86和ARM CPU，技术引进企业获得了鼎力扶持。

由于国家断奶，龙芯只能在市场上摸爬滚打，依靠自己赚取的利润和投资人的注资过日子。直到2015年，终于实现自收自支，自负盈亏。在有国家队背景的几家CPU公司中，拿不到政策资金补助，反而只能去拿横琴利禾博股权投资基金、鼎晖投资、中海投资、北工投资等单位的风投，国内唯独龙芯一家。

正是因为在资金上不宽裕，因而每一笔钱必须省着花，自然要精打细算，选择最具性价比的工艺。

另外，选择28nm工艺与龙芯的发展规划也有很大关系，按照龙芯的规划，是一代提升工艺，一代提升CPU核，龙芯3A2000、3A4000都是提升CPU核，3A3000和3A5000是提升制造工艺，选择28nm这样比较成熟的工艺，有助于降低CPU核升级中不确定因素带来的风险，一旦发现问题，改进设计缺陷后重新流片的成本也低。在GS464V经过3A4000验证后，就可以直接升级工艺流片，这样就能降低3A5000研制的风险，提升3A5000的研发进度。某种程度上，3A4000其实是3A5000的垫脚石，为3A5000的研制做验证。

展望龙芯3A5000

在龙芯3A4000的CPU核经过实践验证后，龙芯3A5000流片也水到渠成。此前，采用12/16nm的龙芯3A5000的测试片已经完成流片，这足以说明采用先进工艺流片对龙芯而言没有什么技术障碍，完全只是钱的问题，在当年开始研发3A4000的时候，龙芯财力有限，而且12/16nm工艺流片成本很贵。随着12/16nm工艺流片费用下降，以及龙芯这几年营收的增长，龙芯也有能力采用12/16nm工艺流片。参考龙芯3A2000到龙芯3A3000工艺升级的进度，龙芯3A5000的进度也会比较快。根据现场发布的PPT，龙芯3A5000将在2020年中流片，最迟年底前就会有成品。

必须说明的是，3A4000的工艺是28nm，潜力很大，换12/16nm工艺提升主频就能把单核性能提升到25分——龙芯3A5000对内核小改后，换12/16nm工艺，性能有望达到25至27分，龙芯PPT里30分的规划偏乐观。

另外，PPT上还有一个点值得关注，那就是龙芯7A2000桥片，龙芯7A1000桥片只是解决有无问题，一些接口都显得比较有历史的厚重感，而7A2000桥片则进行了升级，并搭配龙芯3A/B5000于2020年下半年问世。

从龙芯的发展历程看，可以很清晰的看出一条CPU迭代演进和IPC提升的轨迹。龙芯选择一代提升微结构，一代提升工艺，2012年以前的龙芯3A1000和龙芯3B1500，其IPC为3/G左右（定点），2015年的3A2000是微结构升级，IPC为6.5/G，2016—2017年3A3000是小改微结构后升级工艺，IPC为7+/G，2019年的3A4000是微结构升级，IPC则达到了10+/G。

这种一步一个脚印的发展轨迹，是国内那些宣称自主研发的ARM CPU所不具备的。那些技术引进的ARM CPU，第一款产品往往是横空出世，之后IPC多年提升有限，这种现象与其宣称是完全自主研发、自主可控是存在一定出入的。一些ARM CPU采用先进工艺后，在性能上反而被龙芯用老旧工艺反超，足以说明自主研发虽然道路更加坎坷，但发展后劲更足。