几张图看懂龙芯、飞腾和英特尔芯片的差距

近年来，国内IC设计厂商层出不穷。有龙芯、飞腾、申威等老牌设计单位，也有兆芯、宏芯这些新秀，还有在商业上非常成功的海思、展讯等ARM阵营厂商。但在性能上Intel对各路国产始终保持着巨大的优势，那么国产芯片和Intel的芯片差距在哪里呢？

如何评价各家的CPU性能？

作为消费者来说，自然是希望CPU能尽可能的便宜，而性能经可能高。那么，什么样的CPU性能高呢？从体系结构的角度来看，有个指标叫MIPS，即每分钟执行多少条指令，执行指令数量越多，性能就越好，但这存在一个问题，当CPU指令集不同的时候，比较MIPS就意义不大了--比如A一条指令只算一个加法，B一条指令能做一个1024点的FFT。特别是在不同指令集的情况下，如何评价各家的CPU性能呢？

评价CPU性能必须考虑应用的多样性，比如科学运算重视双精浮点性能，但是如果数据供不上，运算能力再强也没用；比如PC日常使用更偏重于整数性能；再比如计算中心多任务环境关注的是吞吐率......因此单纯用某一个指标来衡量CPU性能是不科学的，必须综合考量。

业界也推出了很多基准测试程序，比如针对CPU的SPEC，针对嵌入式应用的EEMBC等。SPEC测试是比较权威的测试程序，和一些黑箱测试程序不同，SPEC测试的各项程序跑分和计分方式全部公开透明，而且覆盖范围广--SPEC2000有12个定点程序，14个浮点程序，而且有比较强的代表性，比如gzip、vpr、gcc、mef、eon等。

什么是SPEC测试？

SPEC在计分上采用归一化的几何平均方法来进行综合性能评估--将不同CPU的执行时间与参照对象相比较后得到一个相对值。

SEPC2000的参照对象是Ultra SPARC 2工作站的主频为300Mhz的CPU。如果运行测试程序1的时间是参照对象的十分之一的话，测试就是1000分，测试程序2的耗时是参照对象的八分之一的话，则为800分.....最后再算几何平均--比如SEPC2000有12个定点测试，就将12个测试成绩相乘再开12次方，这样以来，测试更加重视性能均衡，因为如果某一项测试存在短板的话，将会大幅拉低测试最后得分，最极端的情况是某项测试为0分，哪怕其他测试分数再高，总分也是0分。

不过SPEC也非尽善尽美，存在不考察I/O带宽和跑分容易受编译器影响等问题。

例来说，龙芯上一代微结构曾因存在访存问题而导致其在SPEC2000下跑分尚可，但在SPEC2006的跑较低，而GS464E解决访存问题后，则不存在这个问题，原因就在于SPEC2000对I/O带宽的要求较低。编译器方面，SUN曾经通过编译器优化提升SPEC跑分50%，龙芯上一代产品用LCC编译器，比使用GCC整数跑分提升了60%。即使同样使用GCC编译器，也会因为不同版本，或优化程度差异导致很难有最准确的评价（GCC部分代码由Intel提供，对X86优化最好，ARM市场份额大，优化也不错，MIPS、ALPHA的优化就比较一般了）。

SPEC测试非常类似于高考，虽然有各种瑕疵，但却有覆盖程序广，公开透明的特点，相对来说比较公平，是可以给CPU做一个相对合理评价的测试程序。

不同指令集CPU比较

笔者将X86、ARM、MIPS、ALPHA指令集的CPU做了一个表格如下。

编译器除龙芯确定是GCC4.8外，其余都是未知数--VIA的白皮书并没有标明测试中的GCC版本，其余编译器笔者做一个推测：申威可能是SWCC；I3 550、I5 4460可能是GCC5.1。因为仅仅是笔者猜测，严谨起见，编译器选择空白。（ICC是Intel的编译器，X86芯片都可以用；LCC是龙芯的编译器；SWCC是申威的编译器。Intel和AMD的芯片是作参照）

（因编译器不统一，表格仅供参考）

从表中可以看出，使用GCC编译器的情况下，兆芯、申威、飞腾SEPC2000测试和Intel haswell依旧有相当差距，spec2000测试分值最高的GS464E也仅仅是使用自家的LCC编译器的情况下，整数和Nehalem差50分，浮点和haswell差70分。而在主频方面，国内IC设计公司最高主频仅为2G，和Intel、AMD 3G以上主频差距明显。

因此，国产CPU和Intel的差距，不仅仅是主频上的。哪怕兆芯的ZX-C能到达3G以上主频，但因为微结构上的差距，依旧只有I5 4660性能的40%左右，因此微结构非常重要，可以说CPU的安全性、性能、功耗很大程度上取决于微结构，AMD的CPU在同主频下性能逊色于Intel，很大程度上也是因为微结构上的差距。

而在消费者购买CPU时，往往只关注主频、核心数、制程等参数，对微结构往往会忽略，加上Intel这些年从SNB开始挤牙膏，使得微结构更新对性能的提升非常小，导致微结构的重要性更加被忽视。

微结构差距的原因

因为宏芯、兆芯、海思、展讯目前并没有自主设计的微结构，就以龙芯、