如何看待龙芯对外公开的 LoongArch 指令集？
本帖最后由 新ちゃん 于 2020-8-17 14:58 编辑https://www.zhihu.com/question/414069789
先简单总结一下胡伟武报告中关于LoongArch的内容：
1、LoongArch 是全新的指令集，不是在 MIPS 上做的扩展。包含基础指令 337 条、虚拟机扩展 10 条、二进制翻译扩展 176 条、128 位向量扩展 1024 条、256 位向量扩展 1018 条，共计 2565 条原生指令。相对于MIPS，摒弃了部分不适合现代CPU的指令，又做了大量改进和扩展。例如单条指令支持的立即数从MIPS的最大16位扩展到最大24位，分支跳转偏移也从64K扩展到1M字节，以及寻址空间从固定分段改变为单一平面等，都有效减少了编译结果的目标指令条数和访存次数，提高了效能。
2、LoongArch 仍为RISC指令集，32位定长指令、32个通用寄存器、32个浮点/向量寄存器。MIPS只有3种指令格式，LoongArch重新设计了指令格式 ，使可用的格式多达10种 ，其包含3种无立即数格式和7种有立即数格式。重新设计的指令格式可以包含更多的指令槽，有利于以后的长远发展。LoongArch的指令系统在设计时，以先进性、扩展性、兼容性为目标，其中兼容性是指融合MIPS/x86/ARM指令系统的主要特点，高效支持二进制翻译。
3、龙芯提供基于 LoongArch 的 Linux 操作系统，在此操作系统中除了运行原生的 LoongArch 程序，还能通过翻译的方式兼容 MIPS、x86、ARM、RISC-V 这几种指令集的 Linux 程序。使用LoongArch翻译任何指令时大致流程都相同，只是随着指令系统的差异而在效率上也会有所差异。其中MIPS尽管二进制编码与LoongArch不同，但大部分LoongArch基础指令仍与MIPS相似，因此翻译开销极小。对ARM和RISC-V的翻译效率也比x86更高。龙芯还会提供以LoongArch为目标架构的编译器，已知编译器已经实现把 MIPS 汇编代码编译为 LoongArch 二进制，内嵌MIPS汇编的C/C++源代码甚至不用修改就能编译。
4、龙芯的二进制翻译与 qemu 的软件翻译不同，龙芯是软硬件结合方式。例如对x86标志寄存器的支持、RISC-V原子同步指令的支持、内存地址虚实转换的支持等都有专门的硬件实现。qemu 软件跨体系翻译一般只有 5% ~ 20%的性能，龙芯的翻译相对于 qemu 在整数运算方面有数倍提升，而在浮点运算方面有数十倍的性能提升，这都是CPU中增加专门的硬件处理带来的性能改善。
5、翻译执行 MIPS 目标为 100% 的原生性能，翻译执行 ARM 目标为 90% 原生性能，翻译执行 x86 目标为 80% 原生性能，并可通过某种方式安装运行 Windows，对 Windows 的整体翻译执行目标为 70% 原生性能。
6、从当前已有的测试结果来看，把 C/C++ 代码编译为 MIPS 和 LoongArch 分别运行测试，LoongArch 比 MIPS 有近 17% 的性能提升，翻译执行 MIPS 平均性能在 100% 左右。
7、龙芯 2020 年之后生产的 CPU 都不再原生支持 MIPS，但因为可以 100% 翻译执行 MIPS，所以以前的 MIPS 生态仍然完全兼容，但以后会以发展 LoongArch 原生生态为主。
8、将会组建自主指令系统联盟，联盟成员免费使用 LoongArch 指令集，联盟成员可以免费获得龙芯的低于 ARM A53 性能的那些CPU核心设计，联盟成员之间不发生指令系统诉讼（防止Intel/ARM等挤进来，它们一旦加入就相当于x86/ARM指令集充公了）。
再说说我的看法：
龙芯推出LoongArch是有多年准备的，并非仓促而为，二进制翻译部分和向量加速部分，都有10年以上的技术储备。但以前并未下定决心设计自己的指令集，而是想以MIPS为基础发展自己独立生态。但随着时间推移，各种情况发生变化，龙芯的发展路线也必须调整，从而利用多年的积累，推出了独立的指令集LoongArch。不能因为龙芯现在使用LoongArch，就以当下的视角去否定龙芯曾经的MIPS路线，而应该以当时的实际情况去看待当时发生的事情。龙芯并未否定MIPS授权的积极作用，例如MIPS宽松的授权模式促进了龙芯的独立发展，例如不需面对针对MIPS的任何知识产权诉讼。龙芯推出LoongArch也并非完全与MIPS分道扬镳，而是以20年来对MIPS的实现经验做到了平均100%效率的翻译执行MIPS指令，以前及将来的MIPS软件都可以完全兼容，不会因为更换了指令系统就出现生态真空的情况。令龙芯下定决心推出新的指令系统，个人认为有以下的几点原因：
1、时至今日，MIPS的设计显得有些老迈，不能完全适合现代的CPU设计和操作系统，例如对实现睿频不友好、跳转偏移量范围小、部分老旧指令拉低性能等等。MIPS经过龙芯多年扩展，传闻指令槽已经用完，会影响今后的发展。龙芯想要进一步提高性能，就需要对指令系统进行较大改动，并预留足够今后继续扩展的指令槽。事实证明，龙芯对指令系统的重新设计非常成功，在仿真测试中，只是修改了CPU译码部分，其他部分完全没变，LoongArch就比MIPS平均提高了超过16%的性能；
2、MIPS再弱小，也会对龙芯造成很大的干扰。在使用原生MIPS指令集的时候，龙芯无法对外授权自己的扩展指令集，因为作为基础的MIPS指令集龙芯没有权利对第三方授权。龙芯甚至不能公开指令集详细规范的手册，因为会侵犯著作权。以MIPS为基础时，龙芯指令集手册大部分内容只能对着MIPS的指令集手册照抄，即使只有扩展指令集的内容，也不可避免地会引用到MIPS基础指令集的相关说明，这很为难。还有更深层的原因，龙芯大量的扩展指令被用在军方项目中，会有保密的需要，甚至早年开放过的LoongMMI扩展，现在外界也没有了详细的资料。在常规项目中，大量的向量计算只能使用MIPS的MSA指令集，而MSA的详细规范也只能去看MIPS手册，龙芯不能越俎代庖。另外，在当前的国际形势下，使用来自美国的指令集，也会引起客户的疑虑，很难向客户对CPU自主程度进行解释；
3、虽然开源社区对MIPS的贡献越来越少，但相对于龙芯，开源社区更认可MIPS是不争的事实。尽管各种重要的基础软件项目的MIPS分支，几乎已经是龙芯和其合作伙伴们在维护，但使用到龙芯扩展指令的代码却很少。当然这也这龙芯无法公开自己的扩展指令集有很大关系，不能公开指令集的原因上面有提到。总之龙芯用于提升性能的扩展指令几乎没有用武之地，影响了性能的发挥，这也是民间测试往往达不到的龙芯官方分值的重要原因。而使用自己重新设计的指令集，就不需要再考虑代码是否与MIPS标准兼容，也与某些保密项目没有直接关系，不再有其它的顾忌，只要完成了知识产权风险评估，就可以开放完整的指令集手册，易于社区开发人员的参与，形成合力。对开源项目建立新架构的分支，对任何开源项目都能拥有极高的自主权，可以毫无限制地优化代码性能，减少因为软件优化不够而导致CPU性能发挥不好的问题；
4、当年美国宁愿把MIPS剥离，也不准卖给中国，在当时可以理解为美国限制中国发展的常规手段。但近年国际情况的变化加剧，中美对抗已经明朗化，MIPS所有权不在中国，就可能随时变成会爆炸的暗雷。尽管龙芯拥有MIPS的永久授权，但以美国现在不要脸的程度，有可能以龙芯参与军用设备研制为理由，单方面宣布授权取消，那么龙芯的合法性在中国之外就会受到质疑。龙芯必须未雨绸缪，消除隐患；
5、提高独立性，龙芯的核心设计都是自己完成，如果指令集也完全是自己完成的独立系统，加上较老的工艺制程，那么就完全杜绝了被人卡脖子的可能。龙芯长期依赖提高核心设计能力来提高单核性能，能使用老工艺就不使用新工艺 ，这种策略 不但节省了有限的资金，也一定程度上保障了生产制造环节的安全；
6、自建独立软件生态，龙芯的操作系统还是Linux，基础库虽然和其它的Linux一样来自开源，但龙芯上许多的办公软件都是来自国内企业的开发和移植。龙芯以兼容方式保留现有生态，鼓励合作企业把软件编译为LoongArch，就可以得到更高性能的原生程序。且不会出现ARM桌面生态建设的尴尬——国内企业的努力，都是为ARM添砖加瓦，一旦国产ARM无法生产，那么就容易被国外的ARM产品替代，之前的劳动就都成了资敌的笑话。
7、更好的为中国信息安全兜底。保障中国信息安全是龙芯的初衷，也是龙芯20年来坚守的底线 。从3A1000开始，龙芯的新款CPU生产工艺，都堪堪压着国内当时生产能力的底线，可能不完全是因为缺钱 。当前美国越来越疯狂，如果因为某些原因，导致很多部门单位不能再使用x86和arm处理器，那么只要换成可以兼容各种指令集的龙芯，就可以做到连软件都不用修改，工作生产继续进行 ；
8、龙芯开放指令集，并免费提供相当于ARM A53以下性能的IP，既为了助力联盟内企业嵌入式芯片的发展，也能对自己的生态建设起到良好的推动作用。免费IP的举动也会对ARM形成冲击，因为中低端嵌入式CPU用量远远超过手机中用的中高端CPU，ARM的很大一部分收入来源于授权中低端IP。龙芯也是国内唯一一家，能够对外授权指令集和IP的通用CPU企业 ，龙芯的自主可控程度是国产的其它CPU无法企及的 。
9、龙芯翻译执行其它指令集程序的稳定性及性能即使达不到预定目标，也不需要担心。只要能保证对MIPS的兼容性没有问题，那么龙芯的软件生态就与当前没有任何区别，龙芯仍然能在保持现有生态的同时，慢慢建立独立的软硬件生态。因此怀疑指令集翻译的稳定性和效率根本没有意义，即使不兼容x86/ARM或者翻译效率低下，在最差情况下，也可以把使用LoongArch的新款CPU当作一次常规的性能升级。如果指令集翻译基本有效，只要能在龙芯上正常运行部分x86和ARM软件，哪怕只是两三款，也是对龙芯软件生态的有益补充。就算翻译效率低于50%也没有关系，Intel Atom CPU 的性能要比 i3 还低几个等级，它们之间还有奔腾和赛扬，龙芯新款CPU如果性能接近相同核心数量的 i5，那它的 50% 性能肯定比相同核心数量的 Atom 高得多，运行常规办公软件没有压力。何况指令集翻译本身只是过渡的手段，为了增加用户群体，随着龙芯的独立软件生态逐渐强大，指令集翻译就会越来越边缘化，成为锦上添花之举。
单从指令集的角度来谈谈我的看法，我个人其实在很多方面并不是特别喜欢RISC-V指令集。如果单纯凭借现有的信息谈我对LoongArch的看法，我想通过将他和RISCV进行对比。
一、授权方式
RISCV，成于开源，败于开源（现在说败还不准确，但是个人不看好）。
我很庆幸LoongArch把指令集的所有权利都拿在了自己手里，至少这样官方可以对指令集实现完全的控制。现在的RISCV社区，基本上没什么新特性是不需要等官方commit的。本来RISCV是为了“方便大家魔改”的，然而现在的RISCV的状态是“啥事儿都得自己魔改”。
我不得不承认RISCV的指令设计确实高超，尤其是它常规指令的设计堪称业界典范。但是对于外围的一些专用指令，由于缺乏一个强大的中心集团，整合力度非常差。就比如说RISCV的SIMD指令集，到现在也没有一个真正能用的。唯一一个稍微像样的Hwacha向量指令集，本质上还是一个协处理器，连乱序执行流水线都整合不进去，更不用说做编译器层的优化了。相比之下LoongArch一出生就带着128和256位向量指令集。
（我在这还批判过RISCV存在的另一个问题: https://www.zhihu.com/question/368938376/answer/1406936646）
LoongArch选择指令开放但是保留指令集所有权利，这是我个人认为的最完美的指令集“行政”方式。
二、TLB层的“两级虚拟地址映射”，微码级的Binary Translation，面向构架的寄存器重命名（前半部分是引用原文，后面两部分是我猜的）
LoongArch的本质就是一个面向Binary Translation的指令集
有了前面做MIPS吃过的苦，龙芯团队还是非常明白生态的重要性的。可是开发一个新指令集，生态又不可能好，于是必须得通过Binary Translation来实现。
硬件加速Binary Translation技术基本上龙芯团队可以算是目前全世界玩得最溜得了。TLB级的两级虚拟地址映射解决了qemu这类软虚拟机的巨大的内存性能损失。而我个人猜测LoongArch的内核可能会实现微码级的Binary Translation。
其实现在X86的处理器基本上也都是基于微码了。微码执行是在执行的时候动态的讲X86指令集翻译成微码来执行，而LoongArch的内核很可能会可以直接将X86，MIPS，Arm，RISCV等一系列指令集翻译成自己的微码然后一并执行。然后即使对于各个构架不对称的寄存器，也可以通过魔改寄存器重命名单元来实现。如果能做到这两点的话，发布会上宣传的实现70%的原生性能还真不是什么难事儿。
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最后，不知道是官方的LoongArch文档还没有发布还是说我没有找到，如果已经发布了是我还没找到的话还请热心网友发我一份，文档外如果有其他消息的话我一定做更细致的分析！
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题外话：LoongArch构架难道是“长征”构架？(顺手黑一下Bing)
先谈一下市场方面：
[*]Intel的10nm+一代的笔记本CPU Tiger Lake据称IPC大幅度提升，而桌面端的Alder Lake会引入大小核，DDR5, PCIE 4.0。而AMD的zen3年内也会发布，和Intel的竞争会更加激烈
[*]Apple放弃AMD64, 加入ARM64阵营
[*]MIPS母公司Wave Computing倒闭
[*]软银出售ARM, Nvidia最有可能接盘
[*]2019年，RISC-V基金会担心美国贸易法律限制，搬到瑞士并于今年改名为RISC-V国际
从民用市场来看，我并不看好龙芯，因为这份名单：
https://riscv.org/membership/members/riscv.org
这些名单里中国企业和组织可不少。虽然说由于国际形式的原因，国家在扶持半导体行业,但是本质上各个企业之间还是竞争大于合作的。
龙芯本质上是一家芯片设计公司，和其他公司是有竞争关系的，即使成立LoongArch联盟,也很难复制ARM和RISC-V国际的“成功”：
[*]前者ARM只做指令集和微架构的开发和授权，不生产芯片
[*]后者RISC-V以BSD协议开源ISA,允许任何人修改并商业化，只是要打上RISC-V logo的企业才需要掏钱加入RISC-V国际，而且为了内部的中国会员，从诞生地美国搬到了瑞士
[*]而龙芯呢，自己制造并销售CPU，且授权指令集给第三方，这种关系只存在于x86和Power阵营中，并且其主力（Intel, IBM）本身具有较强的芯片设计制造能力,但是龙芯并没有这种能力，在这种情况下追随龙芯的只可能是设计实力比龙芯还差的企业，很难说这个联盟有很强的造血能力，最终还是龙芯单独挑大梁。
再从技术角度说，LoongArch大部分的设计针对了其二进制翻译的功能，二进制翻译在我看来有两个作用：
[*]针对闭源软件。这里的闭源软件可能是第三方商业公司为其他平台开发的商业软件（比如大把的windows软件），或者是由于团队解散、源码丢失、公司倒闭遗留的历史软件，但是由于还在关键领域工作，且由于资金等原因无法重新开发（比如各种无人维护的信息化系统）。
[*]针对开源软件。从龙芯的历史表现看，龙芯没有能力维护一套完整的GNU/Linux软件体系，甚至连跟进CentOS发行版的能力都没有，其表现就在于只能提供非常老旧的Linux内核和GCC版本。且由于不可获知的原因，龙芯甚至不愿意让开源社区维护这些开源软件，产生了卖CPU却不提供指令集手册的场面。虽然龙芯一直以来是唯一的桌面级MIPS处理器的制造商，但是各种GNU/Linux发行版却几乎不提供LoongISA的优化版本。如果龙芯切换到LoongArch,那么是否能跟进Linux, glibc, gcc, llvm, v8, jdk 的最新版，乃至提交到主线代码仓库，是一个很大的问题。
龙芯在体系结构领域实现了当之无愧的自主可控，但是软件领域的未来仍不明朗，而且，这个路是龙芯自己选择走下去的。
正值英伟达谈判收购ARM沸沸扬扬，若ARM成为美国公司，ARM的授权必然会被禁止出售给中国，进一步被卡脖子；即便政府层面放宽禁令，但ARM不再是中立的供应商，英伟达作为芯片巨头，不会轻易把先进技术授权给对手，更不用说来自中国的对手。
龙芯LoongArch指令集厚积薄发，兼容X86.ARM,MIPSbaijiahao.baidu.com
诚如龙芯官方所言，全新的指令集无疑对避免掐脖子有重要作用，更更更黑科技的二进制翻译系统，对LoongArch架构融入到已有生态更是强心针、稳定剂，吸引厂商过渡到完全迁移到LoongArch架构，逐步打造自主的IT基础系统生态，尤其在苹果带一波ARM替换X86进入PC的风潮下，我们也带一波LoongArch替换X86亦非不可能，祝愿龙芯，前景可期！
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