这家中国芯片公司要挑战Intel

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随着天河2号成为全球运算最快的超级计算机，并在2015年国际超级计算机大会上蝉联5连冠，国防科大和飞腾CPU逐渐走进我们的视野。
国防科大研究计算机技术起步于50年代末，50多年来，国防科大在心酸和泪水、鲜花与掌声交织之中，艰苦奋斗，自强不息，一步一个脚印地走出了从模仿到超越的旅程。

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一、国防科大
国防科大是国防部和教育部双重领导下的国家重点综合性大学，前身是1953年创建于黑龙江省的哈尔滨市军事工程学院。1970年学校主体南迁长沙，改名为长沙工学院，1978年改建为国防科技大学。
国防科大现有10个学院，下设40多个系、所、实验室，其中有国家重点实验室4个、教育部重点实验室1个，共有10个国家重点学科处于国内领先水平。在2007-2009年全国一级学科整体水平评估中，计算机科学与技术、信息与通信工程、系统科学、光学工程、管理科学与工程、航空宇航科学与技术等6个学科进入前5名。

（国防科大）

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二、国防科大计算机学院
计算机学院起步于1958年，1966年成立全国第一个电子计算机系，1971年扩建成计算机系兼研究所，1999年成立计算机学院。学院下设计算机科学与技术系、网络工程系、计算机研究所、软件研究所、微电子与微处理器研究所、网络与信息安全研究所、并行与分布处理国家重点实验室和银河计算机工厂。
计算机学院是研制国产计算机的老牌单位，在陈赓大将任哈军工校长期间，就开始着手计算机研发。在上世纪60-70年代，先后研发出安装有分时操作系统和汇编语言、FORTRAN语言及标准程序库的441B系列计算机，该型计算机在软件和硬件方面实现全部国产化，共生产100余台，在科研和教学领域稳定运行10年以上。
在80年代后又先后研发了银河系列、天河系列超级计算机，技术底蕴深厚。共获部委级三等奖以上科技进步奖500多项，其中国防科技成果特等奖1项、国家发明二等奖1项、国家科技进步一等奖6项、二等奖13项、部委级科技进步一等奖82项、二等奖151项。在国家5次教学成果评奖中，学院获得特等奖1次，一等奖2次，二等奖1次。“计算机体系结构”、“软件工程”、“编译原理”、“计算机网络”、“计算机原理”和“操作系统”6门课程被评为“国家级精品课程”。《计算机前沿领域的研究》获全国图书一等奖，《编译原理》获国家优秀教材一等奖，《并行算法》获第七届中国图书奖。

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三、善于“借鉴”的国防科大
因80年代迷信“造不如买、买不如租”、“市场换技术”等理论，国防科大放弃了自主芯片的研发转而大量外购国外芯片。
在80、90年代，国防科大的银河1、银河2、银河3超算都没有中国芯。
因此，研发自己的CPU就成为国防科大的一项紧迫任务。相对于从零开始自主研发，“借鉴”国外的产品，将技术消化吸收后，站在巨人的肩膀上显然拥有更高的研发效率，而且国防科大科研任务多、时间紧、任务重、资金少、科研力量有限，当年在不考虑商业应用，主攻军用和超算领域的情况下，飞腾“借鉴”国外产品自然成为国防科大计算机学院的必然选择。
之后，国防科大和一直深耕Mips和Alpha并扩展了指令集，建设自主体系的龙芯和申威不同，飞腾一直没有一条很明确的技术路线，先后仿制过德仪、INTEL、SUN等公司的产品，前后产品基本没有多大延续性。
飞腾这种路线虽然在发展初期占优势，并能较短的时间内拿出性能不错的芯片，还能锻炼一批技术人才，但是因为缺乏技术延续性和技术积累，很容易导致后劲不足和难以构建自己的生态体系。
举例来说，国防科大先后仿制过德州仪器的DSP、Intel的安腾和Pentium MMX，在imagine基础上研制过流处理器，仿制过UltraSPARC T2，也有自主研发的飞腾ARM处理器和矩阵2000（DSP），先后换了X86、Epic（VLIW）、SPARC、ARM四个指令集，虽然这些产品都属于银河飞腾系列，但是彼此之间完全没有什么关系。

（天河1号）

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四、飞腾（Sparc）与天河2号
飞腾（Sparc）有飞腾1000和飞腾1500两款产品。Sun在被甲骨文收购前将UltraSPARC T2开源，国防科大遂对其进行仿制和改良，成功研发出飞腾1000和飞腾1500两款产品，并用于天河超算中作为计算节点前端处理器。
飞腾1000为65nm工艺制造，八核64线程，晶体管数目达到3.5亿个。芯片主频800MHz-1GHz，拥有3个HTT直连总线接口，4个独立的DDR3内存通道，带宽达到32GB/s，8个PCIE 2.0通道。

飞腾1500是对飞腾1000的改进升级，是一款40nm的16和芯片，主频也提升到1.8G，最大功耗65W，双精浮点144G。
据统计，天河1号使用了2048片飞腾1000作为计算节点前端处理器，天河2号使用了4096片飞腾1500作为计算节点前端处理器。
相对于天河2大量采用的Intel芯片，为天河2号55Pflops超强运算能力打下坚实基础的架构设计——高效异构协同计算技术、高效易用的用户编程环境、网络连接等方面技术能力才更值得我们关注。

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四、飞腾（ARM）
自2012年开始，飞腾选择加入ARM阵营，虽然在发展权上会受制于ARM，还要花费不菲的ARM指令集授权费，但也有可以兼容AA体系的软件生态上的优势。
目前，飞腾（ARM）有“火星”和“地球”2款产品。
“地球”是一款4核CPU，微结构是国防科大自主研发的“小米”，是一款桌面CPU。“火星”的微结构也是“小米”，“火星”拥有64核心，主频达2G，制程工艺28nm，功耗120W，理论浮点计算能力是512G，拥有32M二级缓存、128M三级缓存和16通道内存，205G／s理论内存带宽。芯片上还有32个PCIe 3.0通道。

虽然“火星”单核性能较弱，但依靠核心数量优势，在Spec 2006跑分中，多核整数分数达672，浮点分数585，足以和Xeon E5－2699v3相媲美。

当然，目前的“小米”还无法与Intel的ivy、haswel相比，即使和龙芯GS464E也有一定差距。但在ARM阵营中，根据Spec 2006测试成绩，单核性能是强于ARM的A57的。在功耗方面和高通810做参照的话，28nm制程，2G主频功耗仅仅2W不到，显然比同样2G主频，20nm的A57功耗要小不少。
因此，“小米”显然是一个优于ARM公版设计的微结构。
国防科大虽然有很强的技术研发能力，但公关营销、市场推广能力远不能和海思、展讯相提并论。想要在ARM阵营立足，10%-20%的性能优势没有太多意义，市场营销能力强弱、芯片搭载平台稳定性和平台的数量等因素才是关键。毕竟，用ARM公版微结构照样能在市场上大卖。
国防科大真要想将自主研发的微结构推广出去，亲自上阵卖芯片显然是以己之短，攻敌之长。正途是和展讯、海思等购买ARM微结构的IC设计公司加强合作，向展讯、海思推销国防科大研发的IP核，使其能集成到展讯、海思的SOC中去。

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五、GPU
国内做GPU的有两家公司，一家是兆芯，技术源自被VIA收购的美国S3公司；另一家是和国防科大有很深渊源的景嘉微电子（当然，十有八九是国防科大的马甲）。
景嘉微电子是国家火炬计划重点高新技术企业，和国防科大有很深的渊源。公司位于长沙，公司的三位创始人都毕业于国防科大，而且最初的一批骨干成员也大多来自国防科大。目前有员工300余人，共申请国家发明专利83项，其中已授权专利33项。产品涵盖芯片设计、板卡、整机和小型系统等，神舟飞船、军用战机等都曾搭载有景嘉微的产品。
2014年，景嘉微年产值超过2亿元，净利润达7600余万元，目前最好的产品是JM5400。虽然性能有限，但性能参数和已公开的资料怎么看都像军用GPU。
军用GPU更看重稳定性和可靠性，性能较弱。因此，就不多介绍了。

下图为景嘉微的发展计划。一般这样的小公司三年以后的计划基本可以无视，但景嘉微的背景使本人对它多了几分期待。另外，景嘉微和龙芯是合作伙伴，5年后，没准市场上会出现龙芯CPU或飞腾CPU+景嘉微GPU的组合。

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六、天河2A和矩阵2000
在ISC 2015发布会上，国防科大公布了天河2A升级方案，用矩阵2000（DSP）替换被美国政府禁售的PHI。
DSP是数字信号处理器，广泛用于雷达、移动通讯、卫星导航、高清电视、网络摄像、可视电话、数码相机、图像与指纹识别、网络控制、数字硬盘等领域。
国防科大在DSP方面有较深厚的技术积累。国防科大早在2004年就研发过一款嵌入式数字信号处理器YHFT-Q，该处理器用130nm工艺制造，主频350MHz，双精浮点11.2Gflops，功耗2.99W。今年发布的矩阵2000采用40nm制程工艺，拥有16核，主频1G，双精浮点2.4T，功耗为200W。

根据国防科大公布的资料，因保留了天河2号的主体I/O结构，计算节点处理器依旧使用E5-2692 V2，计算节点增加到18000个，按照一个计算节点需要2个E5和3个加速器来计算，天河2A需要36000片E5和54000片矩阵2000，仅54000片矩阵2000的理论浮点峰值就可以达到129.6Pflops。
在美国对华禁售用于超算的至强PHI后，国防科大接连对外发布足以替代E5的“火星”和可以替代至强PHI的矩阵2000，既是向美国禁售至强PHI的亮剑，也是公开了天河超算将来的发展方向——矩阵2000替代PHI，走GPDSP路线，创建超算GPDSP体系。
甚至在不远的将来，不排除会用“火星”或者“火星”的下一代产品替代E5，实现天河超算软件和硬件的全面国产化。
走GPDSP路线的难点不是芯片，而是软件堆栈——包括GPDPS驱动程序、操作系统、编译器、数学库等，这是一项工程量巨大的工作。
祝国防科大好运！

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七、小结

相比于龙芯中科和总参56所，国防科大计算机学院就少了几分定力和毅力。在技术路线上存在朝令夕改、朝秦暮楚的问题，客观上使飞腾没能像龙芯、申威那样走出一条自己的路埋下了伏笔。

白璧微瑕，瑕不掩瑜。国防科大计算机学院技术成就可谓硕果累累，本文介绍的关于飞腾、天河超算、GPU仅为冰山一角。

自进入21世纪以来，国防科大以“借鉴”国外先进产品为突破口，学习技术、积攒内功，并在拥有一定技术实力后设计出了“火星”和矩阵2000等拥有自主知识产权的产品，在学习借鉴用GPU和众核处理器做加速器后，在超算领域探索出GPDSP道路，实现了从模仿到自主创新的飞跃。