相比龍芯,申威的“芯”路歷程為什么平坦很多?

來源自:捷世智通    點擊數:5040   發布時間:2017-06-13

本文節選自雷鋒網,原文《相比龍芯,申威的“芯”路歷程為什么平坦很多?》,作者:鐵流 ,文章轉載已獲授權。
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      相對于從誕生之初就處于輿論風口浪尖的龍芯,國內另一款走全自主道路的芯片——申威,相比之下就低調得多。
無論是傳統紙媒還是網絡媒體,申威的曝光率比起龍芯、海思、展訊等國產芯片都要低得多,而且相比于嘲諷天賦技能被點滿的龍芯,申威極少成為網媒和充滿虐氣的網民的攻擊對象。申威的軍方背景更是給它帶一縷神秘的色彩。下面,讓我們一起走進申威,解密申威的“芯”路歷程。

      

1、申威的誕生
      上世紀60-70年代末,中國在高性能計算機領域也曾有過自己的輝煌——哈軍工曾經制造出具有分時操作系統和匯編語言、FORTRAN語言及標準程序庫的441B系列計算機。北京大學、北京有線電廠等單位聯合研制150計算機。清華大學、北京無線電三廠研制生產了130、131、132、135、140、152、153系列計算機近千臺。國防科大成功研制出151計算機,華東計算技術研究所成功研制1001中型集成電路計算機和HDS-9計算機,其中HDS-9計算機每秒運算達500萬次,更為難能可貴的是,這些計算機的軟件和硬件是中國人自己編譯和制造的。

      但在80年代因迷信“造不如買、買不如租”、“市場換技術”等理論,放棄了自主芯片的研發轉而大量外購國外芯片。從80年代的銀河1超算開始,到90年代的銀河2、銀河3,曙光系列超級計算機都沒有中國“芯”,在技術上始終受制于人。即使是在幾年前的天河2號上,也只有4096片飛騰1500作為計算節點前端處理器,而飛騰1500是在SUN的UltraSPARC T2基礎上做的改進版本。


      

2、申威的發展方向
      申威由無錫江南計算技術研究所設計。主要研究方向有計算機系統結構、并行/分布處理與智能計算機系統、計算機軟件、人工智能與智能控制、計算機與通信、計算機信息處理與應用。八十年代以來,在計算機、通信及機電一體化等領域共榮獲國家、軍隊科學技術成果獎300多項,其中國家科學技術進步特等獎3項,軍隊科學技術進步一等獎35項。

      

3、申威的指令集和技術淵源

      申威屬于Alpha陣營,指令集也是基于Alpha進行擴展。
      申威的技術來源是于DEC的Alpha 21164。DEC的技術實力很強,Alpha性能更是驚艷,AMD就曾經購買了Alpha 21264的技術資料,挖走了部分DEC的技術人員后,開發出自己的K7微結構。

      DEC是技術實力比人強,但商業模式不如人而失敗的典型例子,Alpha也被幾經轉手,先被康柏收購,后被惠普雪藏。目前Alpha已經被束之高閣,指令集和微結構都已經不再更新,技術專利大多已過期或快過期了。申威是目前Alpha陣營中僅存的碩果,擁有自主擴展指令和發展路線的自主權。

      至于購買國外指令集,并以此為基礎擴展指令,發展出自己的指令集是否是自主可控等問題,請參見本人撰寫的另一篇文章《15年了,龍芯拿什么與國外芯片巨頭對抗》。

      
4、自主可控體系構建
      申威和龍芯作為國內碩果僅存的兩個走自主可控路線的IC設計單位,和龍芯一樣在積極構建自己的軟硬件體系以保障從軟件和硬件兩個方面實現安全可控。

      申威開發了自己的神威睿智編譯器,研發了基于Linux的神威睿思操作系統......申威構建自主技術體系的道路可謂一片坦途——于2012年9月投入使用的神威藍光超算使用了8704片申威1600,搭載神威睿思操作系統,實現了軟件和硬件全部國產化。


5、申威歷程

      江南所以Alpha指令集為基礎,擴展出自己的指令集,并在2006年設計出具有自主微結構的申威1,申威1是一款130nm制程工藝的單核心CPU,主頻900MHz,集成5700萬晶體管。2008年完成的申威2,是一款130nm制程工藝的雙核CPU,主頻1.4GHz。

      如果說申威1和申威2更像是江南所磨礪技藝的作品,是對Alpha21164技術的消化吸收,那么2010年研發的申威1600則是江南將國外技術融會貫通后,推陳出新的產品。申威1600是一款65nm制程工藝的16核CPU,主頻1.1G,雙精浮點140G。申威1600被用于神威藍光超算。

     也許是因Alpha當年強悍的性能,本人對源自Alpha的申威抱有很高的期望。但根據國家高性能集成電路設計中心公布的論文顯示,申威1600的SPEC2000測試分數只能說是差強人意,唯有性能功耗比和 LINPACK測試聊以自慰。

      平心而論,雖然申威1600處理器的單核性能有限,但16核的可擴展性很好,實現了比較理想的多核性能加速比。

申威1600性能參數如下圖所示:
      

     2012年,無錫江南計算技術研究所研制出申威1610和申威410,申威1610為40nm制程的16核CPU,集成10億晶體管,主頻1.6G,最大功耗50W,雙精浮點運算00G。
申威410為40nm制程的4核CPU,集成2.7億晶體管,主頻1.6G。前者用于服務器,后者用于PC,支持中標麒麟操作系統......

      2014年底,申威5成功流片。根據一篇由坐落于無錫的數字工程與先進技術國家重點實驗室和坐落于北京的國家并行計算機工程技術研究中心聯合發布的論文,申威5很有可能是一款集成了4個管理核心和256個運算核心的高性能眾核CPU,雙精浮點運算超過1T,核內 linpack效率93%,并有很高的性能功耗比。

      

6、神威藍光超算

     


      神威藍光超算總投資6億元,于2012年9月投入使用。神威藍光超級計算機使用了8704片申威1600,搭載神威睿思操作系統,實現了軟件和硬件全部國產化。神威藍光超算峰值計算性能1PFlops(一千萬億次每秒),持續性能為0.796PFlops,性能功耗比超過741MFlops/W(百萬次浮點運算/秒?瓦),LINPACK效率為74%。

神威藍光超算有以下特點:
      一是全部使用申威1600芯片,搭載神威睿思操作系統,實現軟件和硬件全部國產化;
      二是穩定性較好,測試Linpack 全過程9個多小時無故障;
      三是液冷系統高效可靠,冷卻劑在冷板內部的封閉水循環帶走主板熱量,環保且無噪音;
      四是高密度封裝,一個機倉可裝入1024個CPU;
      五是整機功耗低,性能功耗比高。神威藍光超算性能功耗比超過741MFlops/W,整機功耗1W;天河1號超算性能功耗比431.7 MFlops/ W,整機功耗4W。

      六是整機效率高。神威藍光超算LINPACK在不同規模下的效率:單處理器核80.28%,單CPU 75.20%,單機艙75.07%,整機74.37%。神威藍光超算整機效率與曾經是美國最快的計算機美洲虎超級計算機效率相當。


      

      據統計,“國家超級計算濟南中心”有注冊用戶超過100個,移植優化60多道重點應用課題,其中能夠達到上萬核并行規模的應用課題達16個,有應用成果的課題超過15個,系統利用率已超過60%。目前主要面向氣象氣候、海洋環境、生物醫藥、信息安全、航 空航天、材料物理、金融分析、工業設計、石油物探等應用領域。

新一代神威超算
      無錫市人民政府于2013年就成立了以市長為組長,副市長為副組長的國家超級計算無錫中心建設領導小組,積極籌備新一代神威超算建設。

      2015年4月,官方成立了無錫恒鼎超級計算中心有限公司作為國家超級計算(無錫)中心的建設和運營主體,無錫江南計算技術研究所成立了項目指揮組及總師組負責解決超算建設過程中的技術問題。

      目前,新一代神威超算主機系統軟件正在調試中,整機系統設計計劃于2015年年底公布。新超算總投資18億元,計劃在 2017-2018年建成,運算能力將達到100PFlops,計算性能有望沖擊世界第一。

神威MPP機
      神威MPP機是國家并行計算機工程技術研究中心研制的面向千萬億級以上規模的高性能計算機,能通過虛擬化技術、網格計算技術和云存儲技術在服務層虛擬出多種計算和存儲服務形態。

     神威MPP機硬件系統由高速運算系統、互連網絡系統、海量存儲系統、維護監控系統、電源系統、冷卻系統和結構組裝設計等部分組成。軟件系統主要包括“神威睿思”操作系統、“神威睿智”編譯器、基礎庫等。


      

      系統投入使用以來,已經成功移植了包括氣候氣象、海洋科學、新藥研制、生物信息、航空航天、工業設計、金融分析等重點應用領域的近二十道萬核以上并行規模的實際應用課題,取得若干重大應用成果。

   6神威Cluster是在匯集神威MPP機的技術優點基礎上,專門為科學和工程計算領域設計開發的高性能計算平臺。在氣候氣象、海洋環境、數值、風洞、碰撞仿真、蛋白質折疊、基因研究、新藥研發、分子動力學模擬、量子化學計算、材料科學、芯片設計、動漫設計、工業設計等方面用途廣泛。


神威Cluster系統的通用結構如下圖:

      

7、安全可信PC
      神威安全可信PC是搭載申威410,針對有較高安全需求的黨政軍單位,元器件實現100%國產化。內嵌的國產外圍套片,集成了符合國家標準的可信密碼模塊,實現系統內嵌式可信引導和軟件系統的可信度量,保證系統的安全可信。

    ......

安全架構如圖所示:

      


8、神威云

      神威云是國家并行計算機工程技術研究中心研發的云產品,能夠提供豐富的云產品套件、開放的API接口、全面的資源管理平臺和運維監視平臺,具有強大的虛擬資源池管理能力。神威云平臺采用商用服務器、高速網絡、高性能存儲設備,結合神威云平臺系列軟件搭建。具有功能強大、性能穩定、安全可靠、簡單好用的特點。


      

9、小結

      雖然申威和龍芯一樣是走獨立自主路線,但申威的道路要比龍芯平坦得多:
      首先,國家對龍芯的投入非常有限,而且龍芯自2010年市場化運營后完全自主經營,自負盈虧。申威是軍方項目,不僅不用面對IC設計公司最頭痛的技術人才流失問題,還能在人力物力財力可以得到軍方充足保障。

      其次,申威有自己的指令集、微結構、CPU、編譯器、操作系統就足以在超算領域立足......

      最后,申威是軍方項目,而神威超算更是國家級工程,申威的軟件和硬件產品完全可以在體制內完成內部循環......

      申威自2003年誕生以來,基于Alpha自主擴展了指令集,共設計了申威1、申威2、申威1600、申威1610、申威5五款芯片,自主研發了神威睿智編譯器和神威睿思操作系統,推出了搭載申威芯片的PC、服務器、高性能計算機、超算、防火墻、機架式存儲服務器、大規模集群存儲系統、瘦客戶端、QDR HCA卡、神威云等產品,為國家信息安全和超算建設竭盡所能,圓滿完成了國家交付的任務。

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