本土X86处理器走向消费级市场还需时日,兆芯究竟实力几何?
近年来,我们很欣喜地看到中国的处理器产品有了巨大的进步--从嵌入式领域、安全应用、服务器领域到超级计算应用,国产处理器的身影无处不在。但有所遗憾的是,之前的国产处理器大多应用在非常专业的领域,一般很少涉足个人应用。因此为了让普通人也能用到国产处理器,在经过长期的战略规划、技术研发准备后,我国的科研人员终于推出了多款针对办公、影音播放、数据存储,可以运行在包括Windows、LINUX和大部分国产操作系统下的X86 CPU:兆芯。这意味着中国也有了与英特尔酷睿、AMD FX系列在技术架构、应用功能相似的X86处理器产品。那么我们的X86处理器具备怎样的技术水平呢?
谁打造了中国X86 CPU?
此次开发中国X86 CPU来自一家新兴企业--上海兆芯集成电路有限公司。该公司是一家成立于2013年4月的国资控股企业,其主要业务是为业界提供满足国家战略需求、高性能、低功耗、低成本的芯片及配套解决方案。
兆芯之所以会将CPU作为主营业务,是因为兆芯承接了"核高基"国家重大专项,肩负着打造国产桌面通用处理器的重任。处理器是计算机、服务器等设备的核心,把这个"核心"牢牢把控在自己的手里,继而推动电脑、服务器等设备的全面国产化,服务国家互联网和信息化产业建设,是"核高基"重大科技专项立项的目的所在。
在兆芯公司成立时的2013年,我们国家已经有了基于多种架构的国产处理器,比如采用MIPS架构的龙芯,采用Alpha 21164架构的申威处理器。基于不同架构的处理器,它们的应用领域也不同,不同架构的国产处理器在各自的领域都已经有了显著的成绩,这是整个行业值得庆幸的事情。
但是,X86架构的CPU在桌面办公领域占据绝对核心的地位,政府、企业办公都脱离不了X86整机和服务器。这种庞大的用户规模、突出的平台兼容性让X86架构的这种地位在很长时间之内很难被撼动。然而以前我国没有自己的X86架构处理器,几乎全部要依赖进口。这不仅是我国集成电路产业发展的痛处,还会影响到我国的网络信息安全。因此兆芯公司选择专注X86架构,这不仅仅是看中了其庞大的用户规模和完善的平台、生态,更重要的是能为国家信息产业发展、以及需要网络信息安全的国家战略规划做出贡献。
兆芯处理器具备怎样的技术水平?
在经过数年的潜心研究后,兆芯成功地迈出了X86高端通用芯片的国产化步伐。自2014年首次推出基于X86架构的ZX-A双核处理器后,兆芯接下来完成了ZX-C四核处理器的全新架构和代码设计,并于2015年实现了ZX-C四核处理器的量产。同时,兆芯处理器也逐步建立了完善的产品体系以及可持续性的发展策略。其中ZX-C已由单一的处理器进化为"开先"系列,包括ZX-C四核和ZX-C+四核两类处理器,两者均基于28nm工艺,主频最高2.0GHz,兼容X86指令集,支持CPU虚拟化技术,ZX-C+四核处理器还支持SM3和SM4高速国密算法指令。高速国密算法指令是由兆芯自主研发的一套算法指令集,不仅能大幅提升SM3和SM4两种国密算法的运算速度,还让密码学相关应用的开发以及部署和推广更为方便,这是市面上其他国外X86处理器所不具备的。
兆芯ZX-C处理器内部架构图,四颗核心清晰可见。
兆芯ZX-C四核心处理器,采用28nm CMOS工艺打造,尺寸为21mm×21mm的FBGA封装技术。其CPU核心采用超标量、多发射、乱序执行架构等设计,兼容X86指令,可支持原生64bit系统,并支持CPU虚拟化(VT)技术。
ZX-C处理器型号、技术规格一览,可以看到其四核心、四线程设计、28nm生产工艺已与当前的主流X86处理器相差不大,也支持SSE 4.2、AVX、AVX2等常用指令集。不足是其处理器频率稍低,内存控制器、PCIe控制器仍采用独立于CPU之外的设计,均集成在主板北桥芯片组内部,通过FSB总线与CPU通信。
对于一般消费者来说,他们是用不到SM3、SM4国密算法的,该算法主要嵌入到商业、电信、金融应用中,并在这些应用建立通讯信道的时候,启用这两种加密算法。而在计算机应用中,国密算法则是主要保护那些按保密法规定、涉及机密的文件、党政机关文件,以及来自电子政务网的文件传输都会采用类似加密。传输的时候软件自己就会进行加密,再到另一端进行解密。但是如果处理器不支持SM3、SM4算法指令集,那么它们就会用软件加速进行加密、解密,速度会很慢。兆芯的ZX-C+处理器由于在硬件设计上先天就支持SM3和SM4高速国密算法指令,因此其加密、解密速度会明显快于普通X86处理器,从而有效提高办公效率。
根据兆芯在首都网络安全日系列活动期间的现场演示来看,在使用高速国密算法指令的情况下,SM3的计算速度
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