技术引进再创新 国产X86 CPU和Intel还有多少差距？

shuszhao

今年6月，核高基总师魏少军接受科技日报采访时表示，“国产兆芯x86通用处理器的成功自主研发和量产，令国产桌面处理器在性能方面完成了一次跨越式的提升，从“十二五”初期的不足国际整体水准的7%提升到了目前的50%，综合性能体验达到80%。”
　　实际上，国产X86芯片的性能和英特尔对比究竟怎么样？在技术引进吸收创新的过程中又取得了怎样的进步呢？
　　几个月前，上海兆芯最新的产品ZXD在2017年北京国际互联网科技博览会暨世界网络安全大会上亮相。ZXD虽然相对于Intel和AMD的CPU还有不小差距，但相对应兆芯第一款CPU ZXA而言，确实有着很大的进步——自上海兆芯自2013年成立以来，从第一款产品ZXA，到如今最新的产品ZXD，上海兆芯用了数年时间实现以VIA的技术为基础，将产品的裸CPU性能提升了80%以上。
　　ZXC相当于ZXA性能有多少提升？
　　ZX-A 是兆芯的第一款CPU，技术源自VIA，拥有2个核心，主频1.6G，采用台积电40nm制造工艺。就其性能来说，根据相关单位的SPEC2006测试，主频1.6G的ZXC在采用Ubuntu 14.04操作系统，ICC编译器的情况下，成绩为：

SPECint2006 ：      11.3
SPECint_rate2006：  20.5
SPECfp2006 ：       12.4
SPECfp_rate2006：   18.7

　　STREAM测试的单线程成绩为：

Copy   5502.8MB/s；
Scale   5042.9MB/s；
Add    5321.6MB/s
Triad   5252.7MB/s

　　STREAM测试的多线程成绩为：

Copy   5191.1MB/s；
Scale   5104MB/s；
Add    5383.8MB/s
Triad   5461.9MB/s

　　这里介绍下，SPEC2006是在行业内相对比较权威的测试软件，通过26个程序对CPU进行测试，然后计算结果，分数越高性能越好。不过SPEC2006测试也并非无懈可击——可以通过不说明编译器等条件作弊，是否打开auto parallelization也有有成绩差异，还有base分值和peak分值会有一定的差别等等。
　　即便如此，相当于一些黑箱测试而言，SPEC依旧是相对比较公正的测试，能够比较客观的反映CPU的实际性能，毕竟绝对客观的测试是不存在的，就如同高考，即便存在这样或那样的问题，但目前来看，依旧是最具可操作性，相对公平合理的考评方式（北京、上海除外）。
　　ZX-C是对VIA技术的引进消化吸收，相对于ZXA的2个CPU核，ZXC改为4个CPU核，而且CPU核之间核心通过 L2 Cache 交互，相比较ZXA而言，ZXC的多核性能有所提升。针对从VIA引进的内核存在资源冗余和不均衡的问题做了重新设计，并采用了台积电28nm制造工艺，降低了功耗，提高了稳定性，减少了量产成本，将CPU的主频从ZXA的1.6G，提升到ZXC的2G。
　　另外，兆芯还重新设计 FSB 接口，FSB 频率从 1066MHz 提高到 1333MHz。对访存单元进行了重新设计，设计了全新的 L1/L2 访存控制单元，优化访存性能等工作。
　　而这些修改最直接的体体现就是在性能上，根据相关单位的SPEC2006测试，主频2.16G（睿频）的ZXC在采用Ubuntu 14.04操作系统，ICC编译器的情况下，成绩为：

Specint 2006：      17
Specint rate2006：   50
Specfp 2006：       18.2
Specfp rate2006：   36.3

　　ZXC相对于ZXA，在单线程定点成绩上提升了约54%，多线程提升了约147%；就浮点性能而言，ZXC相对于ZXA单线程性能提升了约50%，多线程性能提升了约50%。
　　虽然在Ubuntu 14.04操作系统，ICC编译器的情况下，Specint 2006：17；Specfp 2006：18.2 的成绩相对应Intel有较大的差距，但相对于ZXA而言，ZXC的进步着实不小。

                               
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　　ZXD性能再提升且弥补了ZXC的最大短板
　　之前介绍了，ZXC相对于ZXA，在单线程定点成绩上提升了约54%，多线程提升了约147%；就浮点性能而言，ZXC相对于ZXA单线程性能提升了约50%，多线程性能提升了约50%。
　　但ZXC也有自己的短板，那就是前端总线——对于图像、音频、视频、游戏、FPGA综合以及科学应用等应用，通常是对于大工作集的少部分数据进行操作，前端总线就成为一个主要的性能瓶颈。
　　ZXC延续了VIA原本的前端总线（VIA V4 bus）的设计——前端总线（front-side bus，FSB）是早期Intel芯片的计算机通信的接口，和AMD公司的EV6类似，其连接CPU和北桥芯片，内存控制器通常集成在北桥中——ZXC没有将内存控制器集成到处理器上，而是在桥片里。这样一来，导致STREAM测试的成绩就不太好看了。
　　根据STREAM 5.10测试的成绩，单线程的成绩为：

Copy： 7685.0 MB/s
Scale： 7446.4 MB/s
Add：  8129.5 MB/s
Triad：  7981.7 MB/s

　　4 线程测试成绩为：

Copy： 7426.3 MB/s
Scale： 7504.0 MB/s
Add：  7656.8MB/s
Triad：  7787.7 MB/s

　　从中可以看出，ZXC的STREAM 测试成绩是比较一般的，而且相对于ZXA而言提升也比较有限。
　　ZXD的最明显改进之处就在于更换了更好的DDR4内存控制器，是国内首款集成了DDR4内存控制器的国产桌面CPU，而且ZXD还把内存控制器集成到芯片里——相对于ZXC的DDR3内存控制器，ZXD采用了DDR4内存控制器，并把内存控制器集成到芯片里，而非像ZXC那样把内存控制器集成在桥片里，而这个改变一定程度上提升了CPU的综合性能。
　　此外，ZXD很有可能将FSB总线换了类似于Intel的dmi这样的接口。两者因素相加，使ZXC存在的短板不复存在。最典型的证明就是STREAM测试成绩大幅提升。根据相关单位的测试，STREAM 5.10测试单线程成绩为：

Copy： 10942.4 MB/s
Scale： 10371.4 MB/s
Add：  10603.1 MB/s
Triad：  9850.1MB/s

　　多线程成绩为：

Copy： 12666.1 MB/s
Scale： 13060.3 MB/s
Add：  11270.2MB/s
Triad： 11302.6MB/s

　　从测试成绩可以看出，ZXD的SRTEAM测试成绩相对于ZXC有了显著提升，弥补了过去的短板。并且通过更新了ddr4内存控制器，在商业上还能有效应对各家内存大厂的DDR3内存条停产的问题。
　　除了内存控制器上的改进之外，ZXD增加 X86 指令缓冲器，提供了更精确的循环缓冲功能，并通过整体流水线前后端各级优化，大幅减少流水线级数，有效降低了分支预测失败的性能损失。。。。。。经过一系列的改进，直接体现在ZXD相对于ZXC的性能提升，根据相关单位的数据，在采用Ubuntu 14.04操作系统，内存为 32GB DDR4内存，硬盘为Intel 530 系列120GB 的SSD硬盘，编译器为ICC，ZXD睿频到2.2G的情况下，SPEC2006测试成绩为：

Specint 2006：      20.4
Specint rate2006：  63.3
Specfp 2006：       23
Specfp rate2006：   47.6

　　ZXD这个成绩虽然相对于Intel和AMD依旧有不小的差距，就裸CPU性能而言，ZXD大约是Intel主流四核CPU的30%—40%。而且必须说明的是，兆芯对CPU架构的修改还是相对有限的，目前所做的修改并非脱胎换骨的大换血，比如没有实现类似于AMD从“打桩机”到Zen的提升和飞跃。

                               
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　ZX-A 是兆芯的第一款CPU，技术源自VIA，拥有2个核心，主频1.6G，采用台积电40nm制造工艺。就其性能来说，根据相关单位的SPEC2006测试，主频1.6G的ZXC在采用Ubuntu 14.04操作系统，ICC编译器的情况下，成绩为：      

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