一文看懂龙芯3号开发全过程，这15年都经历了啥？

2013年初，在龙芯最困难的时候，中科院计算所孙凝晖所长在所里资金本身就很困难的情况下，拿出500万元支持龙芯3A2000处理器核GS464E的前期研发。虽然与研制3A2000所需要的上亿元经费相比，500万显得很少，但在龙芯最困难的时候得到来自龙芯"娘家"计算所的支持，觉得非常温暖。

事实上2012年初龙芯公司在香山饭店召开年度规划会时就决定对GS464处理器核（龙芯2F、2H、3A1000、3B1000、3B1500等都基于GS464微结构）进行优化，形成新一代龙芯微结构GS464E。GS464处理器核一直是我自己维护，其中有一半左右代码（包括流水线控制部分如寄存器重命名、乱序发射队列、寄存器堆控制、重排序缓存，以及访存部分如地址运算、一级数据Cache、TLB、访存失效队列、最后一级共享Cache）是我自己写的，2012年上半年我在机房中花了整整两周时间为GS464升级为GS464E打好必要的基础（我当时说要把马的架子变成骆驼的架子，先要把一个访存部件升级为两个访存部件）后，把维护和升级处理器核的任务移交给汪文祥和吴瑞阳。这很可能是我最后一次有机会写龙芯CPU的代码了。现在回忆起来，能够在机房中心无旁骛地写代码真是莫大的幸福，有无比的成就感，但我不能让自己成为龙芯CPU发展的瓶颈。而且经过多年实践的锻炼，龙芯的年轻人已经充分地成长起来了。龙芯3A1000、3B1000和3B1500都是我自己当技术负责人，3A2000开始由年轻人担任芯片的技术负责人，3A2000的技术负责人是王焕东，3A3000的技术负责人是杨梁。承担国家项目也主要由年轻人作为项目负责人。

GS464E对GS464的改造是全方位的。在指令系统方面，我们在MIPS64 R3的基础上进行了扩展（MIPS指令系统的授权允许用户进行扩展）并形成龙芯指令系统LoongISA，除增加一些基础指令外，还有支持云计算的虚拟化扩展，以及加速X86和ARM二进制翻译的扩展。在微结构方面，除了前述的把访存功能部件从一个增加到两个外，还把Cache行大小从256位增加到512位，最后一级Cache从四路组相联提高到16路组相联，增加了多个层次的预取，把重排序缓存ROB从64项增加到128项，重命名寄存器个数从64个增加到128个，乱序发射队列由原来的定点和浮点各16项增加到定点16项（3A3000增加到32项）、浮点24项（3A3000增加到32项）、访存32项，重新构建了整个转移猜测模块。此外，用大量的测试程序对微结构进行了细节的磨合，局部优化达到三十多处。3A2000的多核互连模块和内存控制器也进行了性能优化。尤其是内存控制器的优化，可以大幅度提高访存频率和效率。2014年7月，RTL代码冻结。

3A2000除了使用流片厂家提供的标准单元库、Memory Compiler生成的RAM、低速IO单元以及efuse单元以外，包括锁相环、HT PHY、DDR2/3 PHY、多端口寄存器堆、CAM、温度传感器等宏单元都是我们自己定制的，没有使用任何第三方的宏单元模块。因此，全定制工作量也不小。

3A2000的物理设计采取了很多优化措施，初步建立起一套在主流EDA工具基础上的In-House的流程和工具，包括统一数据库支撑的设计平台，基于触发器聚类的定制时钟设计，深度层次化设计等。这套In-House的流程和工具比纯粹依赖EDA工具的单元级设计流程提升性能20%左右。

2014年11月初，3A2000交付流片。这次流片共有龙芯的三款芯片一起拼了个全掩膜。由于流片前的功能验证非常充分，尤其是在3A2000验证过程中，王朋宇负责的验证组完善了龙芯指令级随机验证环境，从原来只覆盖用户态指令到覆盖核心态指令以及例外处理，大大提高了3A2000的功能验证覆盖率。物理设计和检查也精雕细刻，我们对3A2000流片成功很有信心。

经过几个月的焦急等待，2015年4月10日晚饭后，终于拿到了3A2000的盲封样片，连夜进行调试，到第二天早上三点多成功运行操作系统。随后的测试一切顺利：在运行了包括SPEC CPU2000、SPEC CPU2006、Unixbench等大型程序后，功能未见异常；主频可以达到1GHz；SPEC CPU2006单核分值