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龙芯

龙芯（英语：Loongson，旧称Godson[1]）是由中国科学院计算技术研究所、龙芯中科、神州龙芯等机构、公司所设计的一系列各种晶片（包括通用中央处理器、SoC、微控制器、晶片组等），采用MIPS、LoongISA、LoongArch精简指令集架构，由MIPS科技公司授权使用MIPS指令集[2]。龙芯1号系列为嵌入式领域晶片。龙芯2号系列速度最高为1GHz，用于客户端、工控等低中端领域。龙芯3号系列于2010年推出成品，用于桌面、伺服器、超算、工控、嵌入式终端等领域。

龙芯
产品化2002年9月28日，​22年前​（2002-09-28）
推出公司龙芯中科
航天龙梦
神州龙芯
生产商
微架构GS132
GS232
GS264
GS464
GS464E
GS464V
指令集架构MIPS II
MIPS III
MIPS64
LoongISA
LoongArch
制作工艺/制程180 nm 至 12 nm
核心数量1-8
CPU主频范围8 MHz 至 2.0 GHz
HyperTransport速率800 MHz 至 2.4 GHz
应用平台桌面、伺服器、超级计算机、工控机、嵌入式、教育应用电脑、航天

晶片

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龙芯从其架构核心构建了3个处理器系列[3]。这些包括[3]：

  • 龙芯一号，用于消费电子和嵌入式应用。
  • 龙芯二号，用于嵌入式应用和低性能个人电脑的单核处理器[note 1]。
  • 龙芯三号，用于高性能电脑、高性能计算和伺服器的多核处理器[note 2]。

龙芯一号

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主条目：龙芯一号

龙芯一号于2000年开始研制，2001年8月19日龙芯一号逻辑设计在FPGA平台上运行起来。这一天被定为龙芯的生日。2002年9月28日正式发布投产成功。龙芯一号整体的性能低于Intel奔腾II。[4]为了纪念胡伟武的导师夏培肃从事电脑事业50周年，龙芯一号被命名为“夏50”。[5]

考虑到专利授权原因，这一代的龙芯没有实现MIPS的四个不对齐内存访问指令（US4814976A）。2007年后，龙芯正式购买了MIPS授权，才解决了这一问题。

龙芯1号系列

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2010年4月，中国科学院与北京市共同组建的龙芯中科有限公司在中关村环保园建立了龙芯产业园。公司成立后，龙芯调查市场，重新建立了低端嵌入式产品线——龙芯1号。

2011年左右，龙芯中科研发了一款面向嵌入式市场的处理器龙芯1A。于2012年提供产品，可作为龙芯其他处理器的桥片。龙芯1B在嵌入式处理器研发上继续做减法，于2011年流片成功，先于龙芯1A，这是龙芯中科第一次从全系统的角度来考虑降低成本的晶片。

此后龙芯中科于2013年针对指纹生物识别应用推出了龙芯1C，2018年针对超人智慧锁研发了1C101晶片。2014年龙芯与三川智慧合作，为智慧水表、气表、量热表定制的一款超声波计量专用晶片龙芯1D。

龙芯1G是用于苏州上声音响的一款音响专用晶片。2015年新研的龙芯1H晶片针对石油钻探领域随钻测井应用设计，设计目标是175摄氏度超高温工作条件下的长时间可靠运行。于2017年4月发布。目前，龙芯1H已经在长庆油田得到了应用。

除此之外，1号系列中还有1E、1F系列的龙芯航天专用抗辐照处理器、1J抗辐照单片机晶片。[6]。

龙芯2号系列

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主条目：龙芯2号系列

龙芯2号系列最初的版本是用0.13微米制程技术，均为64位处理器，早期的型号是4发射乱序执行的64位GS464系列微架构，后来新出的处理器升级为采用GS464E微架构。龙芯2K1000处理器是集成双发射乱序执行的GS264微架构的64位双核处理器。

龙芯3号系列

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主条目：龙芯3号系列

龙芯3号处理器开始进行了多核处理器架构设计[7]，均为64位多核处理器。

龙芯桥片系列

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龙芯7A1000

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龙芯7A1000桥片是龙芯3号处理器的第一款晶片组产品，目标是替代AMD RS780(E)+SB710 晶片组，为龙芯处理器提供南北桥功能。

 
龙芯7A1000桥片正面照，集成在搭载3A3000的主板上

龙芯3A4000将不再采用AMD的RS780晶片组，而采用龙芯7A1000作为桥片，避免在桥片的选择上受制于AMD。

龙芯7A2000

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作为龙芯下一代晶片的配套桥片，龙芯7A2000是龙芯7A1000的升级版。相对于7A1000，7A2000的PCIe控制器代码龙芯计划自己编写，且为PCIe Gen3。采用的28nm工艺，GPU为自研GPU。

从未公布的隐藏处理器

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除了龙芯1号、2号、3号三个系列的处理器，在龙芯的发展过程中还开发了一些实验型的处理器，并没有量产，有些甚至没有流片。

龙芯处理器在发展过程中，一度想要用做超算处理器，开发一款64核的众核处理器，命名为Godson-T。Godson-T由计算所先进微系统研究组研发，2008年已经在进行RTL验证在2008年12月开始RTL代码编写。2010年5月，GodSon-T的原型晶片16核GodSon-TI交付流片，采用130纳米工艺。2010年10月17日，调试成功。由于龙芯将研发重点重新转向提高处理器单核性能，Godson-T处理器研发中止。[8]

为了实现对现有生态的兼容，龙芯3A系列实现了针对x86指令和arm指令的二进制翻译指令。在研发过程中，由于知识产权和专利等原因而无法使用x86指令集，龙芯开发了使用x86指令集的处理器原型Godson-X。它与x86兼容，并支持英特尔MMX 指令，SSE指令集和x87浮点指令。[8]

中科龙梦（现更名为航天龙梦）使用早期的龙芯1号的IP核，开发了龙梦一号SOC，用于税控机（Fiscalcontroller register）。[8]该税控 SoC 专用晶片以“龙芯1”处理器核作为MCU，采用AHB（the Advanced High performance Bus）＋APB（the Advanced Peripheral Bus）为片上总线。 [9] [10]

此外，还有神州龙芯根据龙芯2号设计的一款SOC晶片GS32I。[8]

核心

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龙芯有三大系列处理器核心，其中一些可用作IP核心[11]：

  • GS1xx:基本的嵌入式MIPS32内核和硬件分割器。3- (GS132)或者5- (GS132E)级管线。
  • GS2xx:高端嵌入式MIPS32（GS232/GS232E）或MIPS64（GS264）内核。
    • GS232:具有最大500 MHz的5级流水线。L1＝16KB。GS 232主要用于龙芯一号产品。
    • GS232E/GS264:具有最大1000 MHz的10级流水线。L1=16 KB，L2=4 MB共享。这个核心有故障问题。
  • GS464:具有四路超标量支持的MIPS64内核[12]。该设计源自龙芯2F处理器[13]。它首先广泛用于龙芯3A处理器，然后也用于龙芯2系列[12]。
    • GS464:支持MIPS64 R2+LongMMI（2E和2F两种不同版本）
    • GS464V:2010年首次与龙芯3B一起推出，是一款具有矢量功能的GS464。
    • GS464E:这个是GS464的改进版本[14]。在发现GS464处理器存在缺陷后，开发工作于2012年开始[13]。核心有多项改进，包括更大的缓存和更好的分支预测等，并且得到了更好的优化[13]。核心被扩展为支持LoongISA（除了MIPS64 R2架构之外）[14]。
    • GS464EV:是GS464系列的发展，首次在3A4000处理器被使用。
    • LA464:是GS464的开发，以支持LoongArch。虽然3A5000的初始核心是GS464，但由于指令集不兼容，龙在2021的文档中将3A5000核心重命名为LA464。

所有龙芯核心都是字节顺序。

有网站论坛注意到，龙芯微架构的命名不一致，不同的产品都有相同的处理器内核，尽管指令集可能不完全兼容。

晶片基本资讯

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系列 型号 频率
（MHz） 		指令集架构
 微架构 推出年份 核心数目 制程
（nm） 		晶体管
（百万） 		裸晶面积
（mm²） 		功耗
（W） 		电压
（V） 		缓存[注 1]（KiB） 峰值浮点性能
（GFLOPS） 		SPEC 2000

分数

SPEC 2006

分数

备注
一级（单核） 二级[注 2]
(victim cache/共享) 		三级
(共享) 		单核 多核 单核 多核
数据(L1i) 指令(L1d) int fp int fp int fp int fp
Godson 1 266 MIPS-II 32-bit 不适用 2001 1 180 22 71.4 1.0 未知 8 8 不适用 不适用 0.6 19/25 不适用 不适用 不适用 [5][4]
FCR_SOC 266 MIPS-II 32-bit 不适用 2007 1 180 未知 未知 未知 未知 8 8 不适用 不适用 0.6 不适用 不适用 不适用 [9][10]
2B 250 MIPS-III 64-bit 不适用 2003 1 180 未知 未知 未知 未知 32 32 不适用 不适用 未知 52 58 不适用 不适用 不适用
2C 450 MIPS-III 64-bit 不适用 2004 1 180 13.5 41.5 未知 未知 64 64 不适用 不适用 未知 159 114 不适用 不适用 不适用
2E 1000 MIPS-III 64-bit GS464 (r1)（原型） 2006 1 90 47 36 7 1.2 64 64 512 不适用 未知 503 503 不适用 不适用 不适用
龙芯1 1A 300 MIPS32 GS232 2010 1 130 22 71.4 1.0 未知 16 16 不适用 不适用 0.6 未知 未知 未知 未知 [15]
1B 266 MIPS32 GS232 2010 1 130 13.3 28 0.6 未知 8 8 不适用 不适用 未知 未知 未知 未知 未知 [16]
1C 300 MIPS32 GS232 2013 1 130 11.1 28.3 0.5 未知 16 16 不适用 不适用 未知 未知 未知 未知 未知 [17]
1C101 8 MIPS32 GS132R 2018 1 130 未知 未知 未知 未知 不适用 不适用 不适用 不适用 未知 未知 未知 未知 未知 [18]
1D 8 MIPS32 GS132 2014 1 130 1 6 3 × 10−5 未知 不适用 不适用 不适用 不适用 未知 未知 未知 未知 未知 [19]
龙芯2 2F 1200 MIPS-III 64-bit GS464 (r1) 2007 1 90 51 43 5 1.2 64 64 512 不适用 3.2 未知 未知 未知 未知 [20]
2G 1000 MIPS64 GS464 (r2) 2012 1 65 未知 未知 未知 1.15 64 64 4096 不适用 未知 未知 未知 未知 未知 [21]
2GP 800 MIPS64 GS464 (r2) 2013 1 65 82 65.7 8 1.15 64 64 1024 不适用 3.2 未知 未知 未知 未知
2I
2H 1000 MIPS64 GS464 (r2) 2012 1 65 152 117 5 1.15 64 64 512 不适用 4 未知 未知 未知 未知
2K1000 1000 MIPS64 Release 2

LoongISA1.0

GS264 2017 2 40 1900 79 5 1.1 32 32 2562 1024 8 未知 未知 未知 未知 [22]
龙芯3 3A1000 1000 MIPS64 Release 2 GS464 (r2) 2009 4 65 425 174.5 10 1.15 64 64 256x4 不适用 16 不适用 568 788 不适用 2.4 2.3 [23]
3B1000 1000 MIPS64 Release 2 GS464v 2010 4+4 65 >600 未知 20 1.15 64 64 128x8 不适用 128 未知 未知 未知 未知 [24]
3B1500 1200–1500 MIPS64 Release 2 GS464v 2012 4+4 32 1140 142.5 30（典型）
60（向量） 		1.15–1.25 64 64 128x8 8192 150 未知 未知 未知 未知
3A1500-I 800–1000 MIPS64 Release 2

LoongISA1.0

GS464E 2015 4 40 621 202.3 15 1.15–1.25 64 64 256x4 4096 16 未知 未知 6 未知 [25]
3A2000
3B2000
3A3000 1500 MIPS64 Release 2

LoongISA1.0

GS464E 2016 4 28 >1200 155.78 30 1.15–1.25 64 64 256x4 8192 24 未知 1100 1700 11 10 36 33 [26][27]
3B3000
3A4000 1800-2000 MIPS64 Release 5

LoongISA 2.0

GS464EV(GS464v) 2019 4 12 未知 未知 <30W@1.5GHz

<40W@1.8GHz

<50W@2.0GHz

0.95-1.25 64 64 256x4 8192 128 21.1 21.2 61.7 58.1 未知 未知 [28]
3B4000 4 14 未知 未知 0.95-1.25
3A5000 2300-2500 LoongArch GS464V 2021 4 12/14 未知 未知 35W@2.5GHz 未知 64 64 256x4 16384 160 26.6 未知 80 未知 未知 未知 [29]
3B5000 未知 未知 未知
3C5000L 2200 LoongArch GS464V 2021 16 12/14 未知 未知 150W@2.2GHz 未知 64 64 256x16 16384x4 560 未知 [30]
3C5000L-LL 2000 LoongArch GS464V 2021 16 12/14 未知 未知 125W@2.0GHz 未知 64 64 256x16 16384x4 512 未知
3D5000 2000 LoongArch GS464V 2023 32 12/14 未知 未知 160W@2.0GHz 未知 64 64 256x32 65536 1024 未知 [31]
3A6000 2000-2500 LoongArch LA664 2023 4 未知 未知 未知 38W@2.5GHz 未知 64 64 256x4 16384 240 未知 43.1 54.6 155 140 [32]
  1. ^ 龙芯一般把最高层级缓存(LLC)称为 Shard-cache 或 Secondary-cache。
  2. ^ 这里的 victim cache 可以认同为和 L1i/L1d 为同一级的，也就是说，龙芯官方宣称的二级缓存可以理解为和一级缓存为同一级缓存，官方宣称的三级共享缓存才是二级缓存(Shared-cache/Secondary-cahce)。

软件生态

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3A4000处理器于2020年产的一块主板上

操作系统

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目前能在龙芯上使用的操作系统有：

Linux

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参见：Linux发行版比较 § 架构支持

BSD

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实时操作系统(RTOS)

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编译器

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GNU编译器套装是龙芯平台上软件开发的主要编译器。[33][34]同时中国科学院计算技术研究所也为龙芯2平台移植了Open64。[35]

开源社区

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基于龙芯的产品已经成为Debian和Golang语言的MIPS架构编译伺服器。在2019年，龙芯是唯一在市场零售的桌面级MIPS CPU。[36][37][38]

龙芯中科、龙梦以及其他一些个人内核开发者一直在Linux主线内核（kernel.org）提交并维护龙芯相关的代码，并为MIPS架构实现了ftrace（英语：ftrace），zboot等功能。

应用

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个人电脑产品

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Gdium笔记本
 
2006年第一代福珑盒子迷你机

自从龙芯2F发布以来，有数款手提电脑都采用了此种低功耗处理器，例如江苏龙梦逸珑手提电脑（YeeLoong）、深圳一本通电脑有限公龙腾手提电脑EBT700，有800x480分辨率。采用龙芯2F处理器，主频1GHz、EMTEC生产的Gdium手提电脑。龙梦也设计了使用龙芯2F的一体机，迷你电脑，台式电脑等产品。

步入3A/3B时代之后，龙梦继续设计制造了许多龙芯的台式电脑，一体机，笔记本等装置。同时也有其他厂商发布了使用龙芯处理器的电脑，其中包括清华同方、联想 、浪潮、曙光、方正、百信这些OEM/ODM厂商，各自推出了基于龙芯3号系列CPU和龙芯桥片的个人台式电脑、一体机和手提电脑，但以上产品多见于政府国企采购而少见于民用市场。[39] 2021年初相隔十三年后第二代福珑盒子2.0迷你机量产，其性能已达到民用低端办公需求开始在网络购物等少量渠道投放市场，配合UOS等新型国产化Linux操作系统使用。[40][41]

伺服器/存储/云终端

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龙芯处理器被广泛应用于伺服器，存储，云等领域。其中，有曙光、同方 、龙梦、浪潮、宝德、方正、百信这些OEM/ODM厂商，推出了基于龙芯处理器的伺服器、存储和云终端，在政务市场上得到大规模的应用。[42]

网络装置

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一些厂商推出了基于龙芯处理器的交换机、路由交换、伺服器密码机和签名验证伺服器。[43]

嵌入式产品

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龙芯在第二十届中国金融发展论坛上的产品展览

龙芯产品（CPU和SoC）已经广泛运用于网安、能源、交通、金融、物联网。工控等领域。其中，金融方面有直接搭载龙芯CPU和桥片的金融自助装置，包括自动柜员机（ATM）、存取款一体机（CRS）[44]和终端工控主机；交通方面有基于龙芯的交通信号机，基于龙芯1D的交通行人灯，基于龙芯1C/1D的道路交通环境检测系统，基于龙芯伺服器的城市交通智慧控制系统软件，基于龙芯3A3000/2K的ETC/MTC工控电脑和基于龙芯电脑的ETC/MTC收费应用支撑系统[45]；网络安全方面有许多基于龙芯的防火墙、交换机、网闸、网关[46]；物联网方面有基于龙芯的门禁、门锁等[47][48][49]；工控方面有基于龙芯的工控PLC、数控机床；能源方面有基于龙芯1D晶片的三川智慧的水表、热表。

行业应用/IP授权

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2014年，海信获得龙芯GS232 IP核授权，发布了Hi-View Pro画质引擎晶片，是中国电视企业第一块画质晶片，核心由龙芯CPU核、海信高清画质引擎共同组成。[50]2019年4月22日，国科微和龙芯签订协议，龙芯授权IP核给国科微，国科微下一代产品GK2302将采用龙芯的IP核来作为主控晶片中的CPU。[51]到现在为止，基于龙芯的IP授权大于1000万颗。

高性能机/超级计算机

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2007年12月，中国科学技术大学和中国科学院计算技术研究所成功研制集成了336颗64位龙芯2F处理器的中国国产首台万亿次高性能电脑KD-50-I，其理论峰值计算能力达到1.008万亿次。项目由中科大教授陈国良院士主持。该电脑成本控制在80万人民币以下[52][53]。2010年4月，中国科学技术大学宣布成功开发了基于龙芯3A的KD-60-1，新的超级计算机是刀片服务器的集群，具有80多个龙芯3A处理器，理论计算峰值达到万亿次[54]。2012年12月，中国科学技术大学与深圳大学合作研制完成集成了10颗龙芯3B处理器的KD－90[55]。

2011年，中科院计算所与曙光公司研制完成了第一款完全由中文组件制造的超级计算机曙光6000，采用8000至10000颗八核心龙芯3B处理器[56]。

航天

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龙芯中科2013年后开始研发人造卫星使用的抗宇宙辐射晶片，龙芯中科已掌握抗辐照加固技术、工艺及设计规范，设计研制了抗辐照处理器，其性能达到国外抗辐照处理器的指标。[6] 2021年至少有30颗北斗卫星在轨运行。[57][无关引用][58][无关引用]

参考文献

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  1. ^ 龙芯处理器英文品牌定名Loongson(组图)_业界_科技时代_新浪网. tech.sina.com.cn. [2006-11-19]. （原始内容存档于2011-07-09）. 
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  4. ^ 4.0 4.1 国产高性能通用CPU“龙芯”1号投产成功. www.peopledaily.com.cn. [2019-11-23]. （原始内容存档于2019-08-30）. 
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  6. ^ 6.0 6.1 龙芯3A4000 与 龙芯3A3000 的性能比对及宇航芯片介绍. [2019-08-15]. （原始内容存档于2021-09-21）. 
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  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 龙芯故事 - 史上最全龙芯处理器家谱. [2019-08-18]. （原始内容存档于2019-08-18）. 
  9. ^ 9.0 9.1 陈杰. 章军. 一种集成“龙芯1号”IP核的SoC的体系结构 (PDF). 电脑工程与应用. 2007, (19) [2019-05-08]. （原始内容存档 (PDF)于2020-09-27）. 
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标注

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  1. ^ 龙芯/龙芯2系列处理器的开发和命名主要是按字母顺序进行的。
  2. ^ 龙芯/龙芯3系列处理器似乎是根据细分和代号命名的。这一细分市场往往是A（通用PC）、B（看似高核心数）和C（伺服器处理器）。第一个系列处理器的代数从1000开始，然后通常增加到下一个1000。有些处理器可能是两代产品之间的处理器，其名称为x5000。

另见

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外部链接

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