技術引進再創(chuàng)新，國產(chǎn)X86 CPU和Intel還有多少差距？

本文作者：鐵流

2017-09-22 15:21

導語：就裸CPU性能而言，ZXD大約是Intel主流四核CPU的30%—40%。

雷鋒網(wǎng)按：今年6月，核高基總師魏少軍接受科技日報采訪時表示，"國產(chǎn)兆芯x86通用處理器的成功自主研發(fā)和量產(chǎn)，令國產(chǎn)桌面處理器在性能方面完成了一次跨越式的提升，從“十二五”初期的不足國際整體水準的7％提升到了目前的50％，綜合性能體驗達到80％。"

實際上，國產(chǎn)X86芯片的性能和英特爾對比究竟怎么樣？在技術引進吸收創(chuàng)新的過程中又取得了怎樣的進步呢？

幾個月前，上海兆芯最新的產(chǎn)品ZXD在2017年北京國際互聯(lián)網(wǎng)科技博覽會暨世界網(wǎng)絡安全大會上亮相。ZXD雖然相對于Intel和AMD的CPU還有不小差距，但相對應兆芯第一款CPU ZXA而言，確實有著很大的進步——自上海兆芯自2013年成立以來，從第一款產(chǎn)品ZXA，到如今最新的產(chǎn)品ZXD，上海兆芯用了數(shù)年時間實現(xiàn)以VIA的技術為基礎，將產(chǎn)品的裸CPU性能提升了80%以上。

ZXC相當于ZXA性能有多少提升？

ZX-A 是兆芯的第一款CPU，技術源自VIA，擁有2個核心，主頻1.6G，采用臺積電40nm制造工藝。就其性能來說，根據(jù)相關單位的SPEC2006測試，主頻1.6G的ZXC在采用Ubuntu 14.04操作系統(tǒng)，ICC編譯器的情況下，成績?yōu)椋?/p>

SPECint2006 ：      11.3
SPECint_rate2006： 20.5
SPECfp2006 ：       12.4
SPECfp_rate2006：   18.7

STREAM測試的單線程成績?yōu)椋?/p>

Copy   5502.8MB/s；
Scale   5042.9MB/s；
Add    5321.6MB/s
Triad   5252.7MB/s

STREAM測試的多線程成績?yōu)椋?/p>

Copy   5191.1MB/s；
Scale   5104MB/s；
Add    5383.8MB/s
Triad   5461.9MB/s

這里介紹下，SPEC2006是在行業(yè)內(nèi)相對比較權威的測試軟件，通過26個程序對CPU進行測試，然后計算結果，分數(shù)越高性能越好。不過SPEC2006測試也并非無懈可擊——可以通過不說明編譯器等條件作弊，是否打開auto parallelization也有有成績差異，還有base分值和peak分值會有一定的差別等等。

即便如此，相當于一些黑箱測試而言，SPEC依舊是相對比較公正的測試，能夠比較客觀的反映CPU的實際性能，畢竟絕對客觀的測試是不存在的，就如同高考，即便存在這樣或那樣的問題，但目前來看，依舊是最具可操作性，相對公平合理的考評方式（北京、上海除外）。

ZX-C是對VIA技術的引進消化吸收，相對于ZXA的2個CPU核，ZXC改為4個CPU核，而且CPU核之間核心通過 L2 Cache 交互，相比較ZXA而言，ZXC的多核性能有所提升。針對從VIA引進的內(nèi)核存在資源冗余和不均衡的問題做了重新設計，并采用了臺積電28nm制造工藝，降低了功耗，提高了穩(wěn)定性，減少了量產(chǎn)成本，將CPU的主頻從ZXA的1.6G，提升到ZXC的2G。

另外，兆芯還重新設計 FSB 接口，F(xiàn)SB 頻率從 1066MHz 提高到 1333MHz。對訪存單元進行了重新設計，設計了全新的 L1/L2 訪存控制單元，優(yōu)化訪存性能等工作。

而這些修改最直接的體體現(xiàn)就是在性能上，根據(jù)相關單位的SPEC2006測試，主頻2.16G（睿頻）的ZXC在采用Ubuntu 14.04操作系統(tǒng)，ICC編譯器的情況下，成績?yōu)椋?/p>

Specint 2006：      17
Specint rate2006：   50
Specfp 2006：       18.2
Specfp rate2006：   36.3

ZXC相對于ZXA，在單線程定點成績上提升了約54%，多線程提升了約147%；就浮點性能而言，ZXC相對于ZXA單線程性能提升了約50%，多線程性能提升了約50%。

雖然在Ubuntu 14.04操作系統(tǒng)，ICC編譯器的情況下，Specint 2006：17；Specfp 2006：18.2 的成績相對應Intel有較大的差距，但相對于ZXA而言，ZXC的進步著實不小。

技術引進再創(chuàng)新，國產(chǎn)X86 CPU和Intel還有多少差距？

ZXD性能再提升且彌補了ZXC的最大短板

之前介紹了，ZXC相對于ZXA，在單線程定點成績上提升了約54%，多線程提升了約147%；就浮點性能而言，ZXC相對于ZXA單線程性能提升了約50%，多線程性能提升了約50%。

但ZXC也有自己的短板，那就是前端總線——對于圖像、音頻、視頻、游戲、FPGA綜合以及科學應用等應用，通常是對于大工作集的少部分數(shù)據(jù)進行操作，前端總線就成為一個主要的性能瓶頸。

ZXC延續(xù)了VIA原本的前端總線（VIA V4 bus）的設計——前端總線（front-side bus，F(xiàn)SB）是早期Intel芯片的計算機通信的接口，和AMD公司的EV6類似，其連接CPU和北橋芯片，內(nèi)存控制器通常集成在北橋中——ZXC沒有將內(nèi)存控制器集成到處理器上，而是在橋片里。這樣一來，導致STREAM測試的成績就不太好看了。

根據(jù)STREAM 5.10測試的成績，單線程的成績?yōu)椋?/p>

Copy： 7685.0 MB/s
Scale： 7446.4 MB/s
Add： 8129.5 MB/s
Triad： 7981.7 MB/s

4 線程測試成績?yōu)椋?/p>

Copy： 7426.3 MB/s
Scale： 7504.0 MB/s
Add： 7656.8MB/s
Triad： 7787.7 MB/s

從中可以看出，ZXC的STREAM 測試成績是比較一般的，而且相對于ZXA而言提升也比較有限。

ZXD的最明顯改進之處就在于更換了更好的DDR4內(nèi)存控制器，是國內(nèi)首款集成了DDR4內(nèi)存控制器的國產(chǎn)桌面CPU，而且ZXD還把內(nèi)存控制器集成到芯片里——相對于ZXC的DDR3內(nèi)存控制器，ZXD采用了DDR4內(nèi)存控制器，并把內(nèi)存控制器集成到芯片里，而非像ZXC那樣把內(nèi)存控制器集成在橋片里，而這個改變一定程度上提升了CPU的綜合性能。

此外，ZXD很有可能將FSB總線換了類似于Intel的dmi這樣的接口。兩者因素相加，使ZXC存在的短板不復存在。最典型的證明就是STREAM測試成績大幅提升。根據(jù)相關單位的測試，STREAM 5.10測試單線程成績?yōu)椋?/p>

Copy： 10942.4 MB/s
Scale： 10371.4 MB/s
Add： 10603.1 MB/s
Triad： 9850.1MB/s

多線程成績?yōu)椋?/p>

Copy： 12666.1 MB/s
Scale： 13060.3 MB/s
Add： 11270.2MB/s
Triad： 11302.6MB/s

從測試成績可以看出，ZXD的SRTEAM測試成績相對于ZXC有了顯著提升，彌補了過去的短板。并且通過更新了ddr4內(nèi)存控制器，在商業(yè)上還能有效應對各家內(nèi)存大廠的DDR3內(nèi)存條停產(chǎn)的問題。

除了內(nèi)存控制器上的改進之外，ZXD增加 X86 指令緩沖器，提供了更精確的循環(huán)緩沖功能，并通過整體流水線前后端各級優(yōu)化，大幅減少流水線級數(shù)，有效降低了分支預測失敗的性能損失......經(jīng)過一系列的改進，直接體現(xiàn)在ZXD相對于ZXC的性能提升，根據(jù)相關單位的數(shù)據(jù)，在采用Ubuntu 14.04操作系統(tǒng)，內(nèi)存為 32GB DDR4內(nèi)存，硬盤為Intel 530 系列120GB 的SSD硬盤，編譯器為ICC，ZXD睿頻到2.2G的情況下，SPEC2006測試成績?yōu)椋?/p>

Specint 2006：      20.4
Specint rate2006： 63.3
Specfp 2006：       23
Specfp rate2006：   47.6

ZXD這個成績雖然相對于Intel和AMD依舊有不小的差距，就裸CPU性能而言，ZXD大約是Intel主流四核CPU的30%—40%。而且必須說明的是，兆芯對CPU架構的修改還是相對有限的，目前所做的修改并非脫胎換骨的大換血，比如沒有實現(xiàn)類似于AMD從“打樁機”到Zen的提升和飛躍。

技術引進再創(chuàng)新，國產(chǎn)X86 CPU和Intel還有多少差距？