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低調(diào)的中國自主處理器申威:媲美Intel

來源自:捷世智通    點擊數(shù):6919   發(fā)布時間:2015-10-04
轉(zhuǎn)載:中關(guān)村在線

       相對于從誕生之初就處于輿論風(fēng)口浪尖的龍芯,國內(nèi)另一款走全自主道路的芯片——申威,相比之下就低調(diào)得多。

  無論是傳統(tǒng)紙媒還是網(wǎng)絡(luò)媒體,申威的曝光率比起龍芯、海思、展訊等國產(chǎn)芯片都要低得多,而且相比于嘲諷天賦技能被點滿的龍芯,申威極少成為網(wǎng)媒和充滿虐氣的網(wǎng)民的攻擊對象。申威的軍方背景更是給它帶一縷神秘的色彩。下面,讓我們一起走進申威,解密申威的“芯”路歷程。

1、申威的誕生

  上世紀60-70年代末,中國在高性能計算機領(lǐng)域也曾有過自己的輝煌——哈軍工曾經(jīng)制造出具有分時操作系統(tǒng)和匯編語言、FORTRAN語言及標(biāo)準(zhǔn)程序庫的441B系列計算機。北京大學(xué)、北京有線電廠等單位聯(lián)合研制150計算機。清華大學(xué)、北京無線電三廠研制生產(chǎn)了130、131、132、135、140、152、153系列計算機近千臺。國防科大成功研制出151計算機,華東計算技術(shù)研究所成功研制1001中型集成電路計算機和HDS-9計算機,其中HDS-9計算機每秒運算達500萬次,更為難能可貴的是,這些計算機的軟件和硬件是中國人自己編譯和制造的。

  但在80年代因迷信“造不如買、買不如租”、“市場換技術(shù)”等理論,放棄了自主芯片的研發(fā)轉(zhuǎn)而大量外購國外芯片。從80年代的銀河1超算開始,到90年代的銀河2、銀河3,曙光系列超級計算機都沒有中國“芯”,在技術(shù)上始終受制于人。即使是在幾年前的天河2號上,也只有4096片飛騰1500作為計算節(jié)點前端處理器,而飛騰1500是在SUN的UltraSPARC T2基礎(chǔ)上做的改進版本。

  為解決在超算和國防、信息安全無“芯”可用的困境。總參謀部第五十六研究所(無錫江南計算技術(shù)研究所)于2003年開始著手設(shè)計中國人自己的高性能芯片。申威從此踏上了征途。

2、申威的娘家

  申威由總參謀部第五十六研究所(無錫江南計算技術(shù)研究所)設(shè)計,上海高性能集成電路設(shè)計中心是56所的馬甲。

  該研究所創(chuàng)建于1951年6月,坐落于無錫。主要研究方向有計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、并行/分布處理與智能計算機系統(tǒng)、計算機軟件、人工智能與智能控制、計算機與通信、計算機信息處理與應(yīng)用。八十年代以來,在計算機、通信及機電一體化等領(lǐng)域共榮獲國家、軍隊科學(xué)技術(shù)成果獎300多項,其中國家科學(xué)技術(shù)進步特等獎3項,軍隊科學(xué)技術(shù)進步一等獎35項。1987、2000年,中央軍委兩次為56所榮記集體一等功。1993年中央軍委授予56所“勇攀科技高峰先進研究所”榮譽稱號。

3、申威的指令集和技術(shù)淵源

  申威屬于Alpha陣營,指令集也是基于Alpha進行擴展。申威的技術(shù)來源是于DEC的Alpha 21164。DEC的技術(shù)實力很強,Alpha性能更是驚艷,AMD就曾經(jīng)購買了Alpha 21264的技術(shù)資料,挖走了部分DEC的技術(shù)人員后,開發(fā)出自己的K7微結(jié)構(gòu)。

  DEC是技術(shù)實力比人強,但商業(yè)模式不如人而失敗的典型例子,Alpha也被幾經(jīng)轉(zhuǎn)手,先被康柏收購,后被惠普雪藏。目前Alpha已經(jīng)被束之高閣,指令集和微結(jié)構(gòu)都已經(jīng)不再更新,技術(shù)專利大多已過期或快過期了。申威是目前Alpha陣營中僅存的碩果,擁有自主擴展指令和發(fā)展路線的自主權(quán)。

4、自主可控體系構(gòu)建

  申威和龍芯作為國內(nèi)碩果僅存的兩個走自主可控路線的IC設(shè)計單位,和龍芯一樣在積極構(gòu)建自己的軟硬件體系以保障從軟件和硬件兩個方面實現(xiàn)安全可控。申威開發(fā)了自己的神威睿智編譯器,研發(fā)了基于Linux的神威睿思操作系統(tǒng)。加上超算領(lǐng)域不像PC領(lǐng)域那樣存在軟件生態(tài)的掣肘,申威構(gòu)建自主技術(shù)體系的道路可謂一片坦途——于2012年9月投入使用的神威藍光超算使用了8704片申威1600,搭載神威睿思操作系統(tǒng),實現(xiàn)了軟件和硬件全部國產(chǎn)化。

5、申威歷程

  56所(江南所)以Alpha指令集為基礎(chǔ),擴展出自己的指令集,并在2006年設(shè)計出具有自主微結(jié)構(gòu)的申威1,申威1是一款130nm制程工藝的單核心CPU,主頻900MHz,集成5700萬晶體管。2008年完成的申威2,是一款130nm制程工藝的雙核CPU,主頻1.4GHz。

  如果說申威1和申威2更像是56所磨礪技藝的作品,是對Alpha21164技術(shù)的消化吸收,那么2010年研發(fā)的申威1600則是56將國外技術(shù)融會貫通后,推陳出新的產(chǎn)品。申威1600是一款65nm制程工藝的16核CPU,主頻1.1G,雙精浮點140G。申威1600被用于神威藍光超算。

  也許是因Alpha當(dāng)年強悍的性能,本人對源自Alpha的申威抱有很高的期望。但根據(jù)國家高性能集成電路設(shè)計中心公布的論文顯示,申威1600的SPEC2000測試分數(shù)只能說是差強人意,唯有性能功耗比和LINPACK測試聊以自慰。平心而論,雖然申威1600處理器的單核性能有限,但16核的可擴展性很好,實現(xiàn)了比較理想的多核性能加速比。


      2012年,56所研制出申威1610和申威410,申威1610為40nm制程的16核CPU,集成10億晶體管,主頻1.6G,最大功耗50W,雙精浮點運算200G。申威410為40nm制程的4核CPU,集成2.7億晶體管,主頻1.6G。前者用于服務(wù)器,后者用于PC,支持中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)。這兩款產(chǎn)品同樣遭遇了龍芯在PC市場遇到的軟件生態(tài)貧乏和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟弱小導(dǎo)致產(chǎn)品缺乏市場競爭力的困境,加上申威410單核性能太弱,搭載申威410的安全可信PC基本不具備在民用PC市場的競爭力。

  2014年底,申威5成功流片。根據(jù)一篇由坐落于無錫的數(shù)字工程與先進技術(shù)國家重點實驗室和坐落于北京的國家并行計算機工程技術(shù)研究中心聯(lián)合發(fā)布的論文,申威5很有可能是一款集成了4個管理核心和256個運算核心的高性能眾核CPU,雙精浮點運算超過1T,核內(nèi) linpack效率93%,并有很高的性能功耗比。

6、神威藍光超算

  神威藍光超算總投資6億元,于2012年9月投入使用。神威藍光超級計算機使用了8704片申威1600,搭載神威睿思操作系統(tǒng),實現(xiàn)了軟件和硬件全部國產(chǎn)化。神威藍光超算峰值計算性能1PFlops(一千萬億次每秒),持續(xù)性能為0.796PFlops,性能功耗比超過741MFlops/W(百萬次浮點運算/秒?瓦),LINPACK效率為74%。

神威藍光超算有以下特點:

一是全部使用申威1600芯片,搭載神威睿思操作系統(tǒng),實現(xiàn)軟件和硬件全部國產(chǎn)化;

二是穩(wěn)定性較好,測試Linpack 全過程9個多小時無故障;

三是液冷系統(tǒng)高效可靠,冷卻劑在冷板內(nèi)部的封閉水循環(huán)帶走主板熱量,環(huán)保且無噪音;

四是高密度封裝,一個機倉可裝入1024個CPU;

五是整機功耗低,性能功耗比高。神威藍光超算性能功耗比超過741MFlops/W,整機功耗1W;天河1號超算性能功耗比431.7 MFlops/ W,整機功耗4W。

六是整機效率高。神威藍光超算LINPACK在不同規(guī)模下的效率:單處理器核80.28%,單CPU 75.20%,單機艙75.07%,整機74.37%。神威藍光超算整機效率與曾經(jīng)是美國最快的計算機美洲虎超級計算機效率相當(dāng)。

  據(jù)統(tǒng)計,“國家超級計算濟南中心”有注冊用戶超過100個,移植優(yōu)化60多道重點應(yīng)用課題,其中能夠達到上萬核并行規(guī)模的應(yīng)用課題達16個,有應(yīng)用成果的課題超過15個,系統(tǒng)利用率已超過60%。目前主要面向氣象氣候、海洋環(huán)境、生物醫(yī)藥、信息安全、航空航天、材料物理、金融分析、工業(yè)設(shè)計、石油物探等應(yīng)用領(lǐng)域。

新一代神威超算

  無錫市人民政府于2013年就成立了以市長為組長,副市長為副組長的國家超級計算無錫中心建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組,積極籌備新一代神威超算建設(shè)。2015年4月,官方成立了無錫恒鼎超級計算中心有限公司作為國家超級計算(無錫)中心的建設(shè)和運營主體,56所成立了項目指揮組及總師組負責(zé)解決超算建設(shè)過程中的技術(shù)問題。

  目前,新一代神威超算主機系統(tǒng)軟件正在調(diào)試中,整機系統(tǒng)設(shè)計計劃于2015年年底公布。新超算總投資18億元,計劃在 2017-2018年建成,運算能力將達到100PFlops,計算性能有望沖擊世界第一。


神威MPP機

  神威MPP機是國家并行計算機工程技術(shù)研究中心研制的面向千萬億級以上規(guī)模的高性能計算機,能通過虛擬化技術(shù)、網(wǎng)格計算技術(shù)和云存儲技術(shù)在服務(wù)層虛擬出多種計算和存儲服務(wù)形態(tài)。

  神威MPP機硬件系統(tǒng)由高速運算系統(tǒng)、互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、海量存儲系統(tǒng)、維護監(jiān)控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)組裝設(shè)計等部分組成。軟件系統(tǒng)主要包括“神威睿思”操作系統(tǒng)、“神威睿智”編譯器、基礎(chǔ)庫等。


      系統(tǒng)投入使用以來,已經(jīng)成功移植了包括氣候氣象、海洋科學(xué)、新藥研制、生物信息、航空航天、工業(yè)設(shè)計、金融分析等重點應(yīng)用領(lǐng)域的近二十道萬核以上并行規(guī)模的實際應(yīng)用課題,取得若干重大應(yīng)用成果。

  6神威Cluster是在匯集神威MPP機的技術(shù)優(yōu)點基礎(chǔ)上,專門為科學(xué)和工程計算領(lǐng)域設(shè)計開發(fā)的高性能計算平臺。在氣候氣象、海洋環(huán)境、數(shù)值風(fēng)洞、碰撞仿真、蛋白質(zhì)折疊、基因研究、新藥研發(fā)、分子動力學(xué)模擬、量子化學(xué)計算、材料科學(xué)、芯片設(shè)計、動漫設(shè)計、工業(yè)設(shè)計等方面用途廣泛。神威Cluster系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)如下圖:


7、安全可信PC

  神威安全可信PC是搭載申威410,針對有較高安全需求的黨政軍單位,元器件實現(xiàn)100%國產(chǎn)化。內(nèi)嵌的國產(chǎn)外圍套片,集成了符合國家標(biāo)準(zhǔn)的可信密碼模塊,實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)嵌式可信引導(dǎo)和軟件系統(tǒng)的可信度量,保證系統(tǒng)的安全可信。

  因申威410單核性能太弱,軟件生態(tài)極度貧乏,僅限于滿足特殊部門使用。如果說龍芯還是在從安全市場往民用市場方向發(fā)展的話,申威從頭到尾壓根就沒考慮過民用市場,完全是自己關(guān)起門來自己玩。


  實事求是的說,搭載申威410的安全可信PC不僅價格貴,整機性能弱,而且軟件生態(tài)貧乏,基本不具備在民用PC市場的競爭力。在申威5走眾核路線后,從2012年至今,申威沒有新的桌面芯片產(chǎn)品,很有可能已經(jīng)放棄桌面芯片開發(fā)。

8、神威云


  神威云是國家并行計算機工程技術(shù)研究中心研發(fā)的云產(chǎn)品,能夠提供豐富的云產(chǎn)品套件、開放的API接口、全面的資源管理平臺和運維監(jiān)視平臺,具有強大的虛擬資源池管理能力。神威云平臺采用商用服務(wù)器、高速網(wǎng)絡(luò)、高性能存儲設(shè)備,結(jié)合神威云平臺系列軟件搭建。具有功能強大、性能穩(wěn)定、安全可靠、簡單好用的特點。

9、小結(jié)

  雖然申威和龍芯一樣是走獨立自主路線,但申威的道路要比龍芯平坦得多:首先,國家對龍芯的投入非常有限,而且龍芯自2010年市場化運營后完全自主經(jīng)營,自負盈虧。申威是軍方項目,不僅不用面對IC設(shè)計公司最頭痛的技術(shù)人才流失問題,還能在人力物力財力可以得到軍方充足保障。

  其次,申威專注于超算領(lǐng)域,不存在龍芯在PC市場遇到的軟件生態(tài)貧乏和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟弱小導(dǎo)致產(chǎn)品缺乏市場競爭力的困境。申威有自己的指令集、微結(jié)構(gòu)、CPU、編譯器、操作系統(tǒng)就足以在超算領(lǐng)域立足。而龍芯則被軟件生態(tài)貧乏和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟弱小掣肘。但申威專注于超算領(lǐng)域也帶來一個缺憾,就是在和人民群眾最息息相關(guān)的民用PC市場,我們可能永遠看不到申威的產(chǎn)品了。

  最后,申威是軍方項目,而神威超算更是國家級工程,申威的軟件和硬件產(chǎn)品完全可以在體制內(nèi)完成內(nèi)部循環(huán)。而龍芯的很多產(chǎn)品必須到商業(yè)市場上去拼殺。               

  申威自2003年誕生以來,基于Alpha自主擴展了指令集,共設(shè)計了申威1、申威2、申威1600、申威1610、申威5五款芯片,自主研發(fā)了神威睿智編譯器和神威睿思操作系統(tǒng),推出了搭載申威芯片的PC、服務(wù)器、高性能計算機、超算、防火墻、機架式存儲服務(wù)器、大規(guī)模集群存儲系統(tǒng)、瘦客戶端、QDR HCA卡、神威云等產(chǎn)品,為國家信息安全和超算建設(shè)竭盡所能,圓滿完成了國家交付的任務(wù)。

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