Loongson

**龍芯**（英語：**Loongson**，舊稱 **Godson**）是由中國科學院計算技術研究所、龍芯中科、神州龍芯等機構、公司所設計的一系列各種晶片（包括通用中央處理器、SoC、微控制器、晶片組等），採用 MIPS、LoongISA、LoongArch 精簡指令集架構，由 MIPS 科技公司授權使用 MIPS 指令集。龍芯 1 號系列為嵌入式領域晶片，已經被多家企業使用。龍芯 2 號系列速度最高為 1GHz，用於瘦客戶端、工控等低中階領域。龍芯 3 號系列於 2010 年推出成品，用於桌面、伺服器、超算、工控等領域。

## 晶片

龍芯從其架構核心構建了 3 個處理器系列。這些包括：

* 龍芯一號，用於消費電子和嵌入式應用。
* 龍芯二號，用於嵌入式應用和低效能個人電腦的單核處理器。
* 龍芯三號，用於高效能電腦、高效能計算和伺服器的多核處理器。

### 龍芯一號

龍芯一號於 2000 年開始研製，2001 年 8 月 19 日龍芯一號邏輯設計在 FPGA 平台上執行起來。這一天被定為龍芯的生日。2002 年 9 月 28 日正式發布投產成功。龍芯一號整體的效能低於 Intel 奔騰 II。為了紀念胡偉武的導師夏培肅從事電腦事業 50 周年，龍芯一號被命名為「夏 50」。

考慮到專利授權原因，這一代的龍芯沒有實現 MIPS 的四個不對齊記憶體存取指令（US4814976A）。2007 年後，龍芯正式購買了 MIPS 授權，才解決了這一問題。

### 龍芯 1 號系列

2010 年 4 月，中國科學院與北京市共同組建的龍芯中科有限公司在中關村環保園建立了龍芯產業園。公司成立後，龍芯調查市場，重新建立了低階嵌入式產品線 —— 龍芯 1 號。

2011 年左右，龍芯中科研發了一款面向嵌入式市場的處理器龍芯 1A。於 2012 年提供產品，可作為龍芯其他處理器的橋片。龍芯 1B 在嵌入式處理器研發上繼續做減法，於 2011 年流片成功，先於龍芯 1A，這是龍芯中科第一次從全系統的角度來考慮降低成本的晶片。

此後龍芯中科於 2013 年針對指紋生物辨識應用推出了龍芯 1C，2018 年針對超人智慧型鎖研發了 1C101 晶片。2014 年龍芯與三川智慧型合作，為智慧型水錶、氣表、量熱表客製化的一款超聲波計量專用晶片龍芯 1D。

龍芯 1G 是用於蘇州上聲音響的一款音響專用晶片。2015 年新研的龍芯 1H 晶片針對石油鑽探領域隨鑽測井應用設計，設計目標是 175 攝氏度超高溫工作條件下的長時間可靠執行。於 2017 年 4 月發布。目前，龍芯 1H 已經在長慶油田得到了應用。

除此之外，1 號系列中還有 1E、1F 系列的龍芯航天專用抗輻照處理器、1J 抗輻照單晶片晶片。。

### 龍芯 2 號系列

龍芯 2 號系列最初的版本是用 0.13 微米製程技術，均為 64 位元處理器，早期的型號是 4 發射亂序執行的 64 位元 GS464 系列微架構，後來新出的處理器升級為採用 GS464E 微架構。龍芯 2K1000 處理器是整合雙發射亂序執行的 GS264 微架構的 64 位元雙核處理器。

### 龍芯 3 號系列

龍芯 3 號處理器開始進行了多核處理器架構設計，均為 4 發射 64 位元多核處理器。

### 龍芯橋片系列

#### 龍芯 7A1000

龍芯 7A1000 橋片是龍芯 3 號處理器的第一款晶片組產品，目標是替代 AMD RS780 (E)+SB710 晶片組，為龍芯處理器提供南北橋功能。

龍芯 3A4000 將不再採用 AMD 的 RS780 晶片組，而採用龍芯 7A1000 作為橋片，避免在橋片的選擇上受制於 AMD。

#### 龍芯 7A2000

作為龍芯下一代晶片的配套橋片，龍芯 7A2000 是龍芯 7A1000 的升級版。相對於 7A1000，7A2000 的 PCIe 控制器代碼龍芯計劃自己編寫，且為 PCIe Gen3。採用的 28nm 工藝，GPU 為自研 GPU。

### 從未公布的隱藏處理器

除了龍芯 1 號、2 號、3 號三個系列的處理器，在龍芯的發展過程中還開發了一些實驗型的處理器，並沒有量產，有些甚至沒有流片。

龍芯處理器在發展過程中，一度想要用做超算處理器，開發一款 64 核的眾核處理器，命名為 Godson-T。Godson-T 由計算所先進微系統研究組研發，2008 年已經在進行 RTL 驗證在 2008 年 12 月開始 RTL 代碼編寫。2010 年 5 月，GodSon-T 的原型晶片 16 核 GodSon-TI 交付流片，採用 130 奈米工藝。2010 年 10 月 17 日，除錯成功。由於龍芯將研發重點重新轉向提高處理器單核效能，Godson-T 處理器研發中止。

為了實現對現有生態的相容，龍芯 3A 系列實現了針對 x86 指令和 arm 指令的二進位翻譯指令。在研發過程中，由於智慧財產權和專利等原因而無法使用 x86 指令集，龍芯開發了使用 x86 指令集的處理器原型 Godson-X。它與 x86 相容，並支援英特爾 MMX 指令，SSE 指令集和 x87 浮點指令。

中科龍夢（現更名為航天龍夢）使用早期的龍芯 1 號的 IP 核，開發了龍夢一號 SOC，用於稅控機（Fiscalcontroller register）。該稅控 SoC 專用晶片以「龍芯 1」處理器核作為 MCU，採用 AHB（the Advanced High performance Bus）＋APB（the Advanced Peripheral Bus）為片上匯流排。 

此外，還有神州龍芯根據龍芯 2 號設計的一款 SOC 晶片 GS32I。

## 核心

龍芯有三大系列處理器核心，其中一些可用作 IP 核心：

* GS1xx: 基本的嵌入式 MIPS32 核心和硬體分割器。3- (GS132) 或者 5- (GS132E) 級管線。
* GS2xx: 高端嵌入式 MIPS32（GS232/GS232E）或 MIPS64（GS264）核心。
  * GS232: 具有最大 500 MHz 的 5 級管線。L1＝16KB。GS 232 主要用於龍芯一號產品。
  * GS232E/GS264: 具有最大 1000 MHz 的 10 級管線。L1=16 KB，L2=4 MB 共享。這個核心有故障問題。
* GS464: 具有四路超純量問題的 MIPS64 核心。該設計源自龍芯 2F 處理器。它首先廣泛用於龍芯 3A 處理器，然後也用於龍芯 2 系列。
  * GS464: 支援 MIPS64 R2+LongMMI（2E 和 2F 兩種不同版本）
  * GS464V:2010 年首次與龍芯 3B 一起推出，是一款具有向量功能的 GS464。
  * GS464E: 這個是 GS464 的改進版本。在發現 GS464 處理器存在缺陷後，開發工作於 2012 年開始。核心有多項改進，包括更大的快取和更好的分支預測等，並且得到了更好的最佳化。核心被擴充為支援 LoongISA（除了 MIPS64 R2 架構之外）。
  * GS464EV: 是 GS464 系列的發展，首次在 3A4000 處理器被使用。
  * LA464: 是 GS464 的開發，以支援 LoongArch。雖然 3A5000 的初始核心是 GS464，但由於指令集不相容，龍在 2021 的文件中將 3A5000 核心重新命名為 LA464。

所有龍芯核心都是位元組順序。

有網站論壇注意到，龍芯微架構的命名不一致，不同的產品都有相同的處理器核心，儘管指令集可能不完全相容。

## 晶片基本資訊

## 軟體生態

### 作業系統

目前能在龍芯上使用的作業系統有：

#### Linux

* Android
* AOSC OS
* Arch Linux
* LFS
* Debian
* 深度作業系統 （Deepin）
* Fedora
* Gentoo
* gNewSense
* 紅旗 Linux
* Loongnix
* Loonux
* Mandriva Linux
* Parabola GNU/Linux-libre
* 普華 Linux
* 統一作業系統（UOS）

#### BSD

* FreeBSD
* NetBSD
* OpenBSD

#### 即時作業系統 (RTOS)

* LoongOS
* LoongWorks
* 銳華嵌入式即時作業系統 ReWorks
* RT-Thread
* VxWorks
* Windows CE
* 翼輝 SylixOS 即時作業系統

### 編譯器

GNU 編譯器套裝是龍芯平台上軟體開發的主要編譯器。同時中國科學院計算技術研究所也為龍芯 2 平台移植了 Open64。

### 開源社群

基於龍芯的產品已經成為 Debian 和 Golang 語言的 MIPS 架構編譯伺服器。在 2019 年，龍芯是唯一在市場零售的桌面級 MIPS CPU。

龍芯中科、龍夢以及其他一些個人核心開發者一直在 Linux 主線核心（kernel.org）提交並維護龍芯相關的代碼，並為 MIPS 架構實現了 ftrace，zboot 等功能。

## 應用

### 個人電腦產品

自從龍芯 2F 發布以來，有數款筆記型電腦都採用了此種低功耗處理器，例如江蘇龍夢逸瓏筆記型電腦（YeeLoong）、深圳一本通電腦有限公龍騰筆記型電腦 EBT700，有 800x480 解析度。採用龍芯 2F 處理器，主頻 1GHz、EMTEC 生產的 Gdium 筆記型電腦。龍夢也設計了使用龍芯 2F 的一體機，迷你電腦，桌上型電腦等產品。

步入 3A/3B 時代之後，龍夢繼續設計製造了許多龍芯的桌上型電腦，一體機，筆記本等裝置。同時也有其他廠商發布了使用龍芯處理器的電腦，其中包括清華同方、聯想 、浪潮、曙光、方正、百信這些 OEM/ODM 廠商，各自推出了基於龍芯 3 號系列 CPU 和龍芯橋片的個人桌上型電腦、一體機和筆記型電腦，但以上產品多見於政府國企採購而少見於民用市場。 2021 年初相隔十三年後第二代福瓏盒子 2.0 迷你機量產，其效能已達到民用低階辦公需求開始在網路購物等少量管道投放市場，配合 UOS 等新型國產化 Linux 操作系統使用。

### 伺服器 / 儲存 / 雲終端

龍芯處理器被廣泛應用於伺服器，儲存，雲等領域。其中，有曙光、同方 、龍夢、浪潮、寶德、方正、百信這些 OEM/ODM 廠商，推出了基於龍芯處理器的伺服器、儲存和雲終端，在政務市場上得到大規模的應用。

### 網路裝置

一些廠商推出了基於龍芯處理器的交換機、路由交換、伺服器密碼機和簽章驗證伺服器。

### 嵌入式產品

龍芯產品（CPU 和 SoC）已經廣泛運用於網安、能源、交通、金融、物聯網。工控等領域。其中，金融方面有直接搭載龍芯 CPU 和橋片的金融自助裝置，包括自動櫃員機（ATM）、存取款一體機（CRS）和終端工控主機；交通方面有基於龍芯的交通訊號機，基於龍芯 1D 的交通行人燈，基於龍芯 1C/1D 的道路交通環境檢測系統，基於龍芯伺服器的城市交通智慧型控制系統軟體，基於龍芯 3A3000/2K 的 ETC/MTC 工控電腦和基於龍芯電腦的 ETC/MTC 收費應用支撐系統；網路安全方面有許多基於龍芯的防火牆、交換機、網閘、閘道器；物聯網方面有基於龍芯的門禁、門鎖等；工控方面有基於龍芯的工控 PLC、數控工具機；能源方面有基於龍芯 1D 晶片的三川智慧型的水錶、熱表。

### 行業應用 / IP 授權

2014 年，海信獲得龍芯 GS232 IP 核授權，發布了 Hi-View Pro 畫質引擎晶片，是中國電視企業第一塊畫質晶片，核心由龍芯 CPU 核、海信高畫質畫質引擎共同組成。2019 年 4 月 22 日，國科微和龍芯簽訂協定，龍芯授權 IP 核給國科微，國科微下一代產品 GK2302 將採用龍芯的 IP 核來作為主控晶片中的 CPU。到現在為止，基於龍芯的 IP 授權大於 1000 萬顆。

### 高效能機 / 超級電腦

2007 年 12 月，中國科學技術大學和中國科學院計算技術研究所成功研製整合了 336 顆 64 位元龍芯 2F 處理器的中國國產首台萬億次高效能電腦 KD-50-I，其理論峰值計算能力達到 1.008 萬億次。專案由中科大教授陳國良院士主持。該電腦成本控制在 80 萬人民幣以下。2010 年 4 月，中國科學技術大學宣布成功開發了基於龍芯 3A 的 KD-60-1，新的超級電腦是刀鋒伺服器的叢集，具有 80 多個龍芯 3A 處理器，理論計算峰值達到萬億次。2012 年 12 月，中國科學技術大學與深圳大學合作研製完成整合了 10 顆龍芯 3B 處理器的 KD－90。

2011 年，中科院計算所與曙光公司研製完成了第一款完全由中文組件製造的超級電腦曙光 6000，採用 8000 至 10000 顆八核心龍芯 3B 處理器。

### 航天

龍芯中科 2013 年後開始研發人造衛星使用的抗宇宙輻射晶片，龍芯中科已掌握抗輻照加固技術、工藝及設計規範，設計研製了抗輻照處理器，其效能達到國外抗輻照處理器的指標。
2021 年至少有 30 顆北斗衛星在軌運行。

## 參考文獻

## 標註

## 另見

* 龍芯中科
* LoongISA
* 中國計算機科學大事年表
* 中國超級電腦行業
* 863 計劃
* 中芯國際
* MIPS 架構
* 申威處理器
* 北京君正
* 飛騰處理器

## 外部連結

* 龍芯官方網站
* 北京神州龍芯積體電路設計有限公司（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 狗剩百科，龍芯非官方百科（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

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