内存频率 前端总线-前端总线和内存1 2

说到个人电脑中应用最广泛的x86处理器，大家最先想到的可能是那两家美国公司的产品。 似乎没有其他国家有能力在这一领域敢于挑战，除了中国。 事实上，我国的x86处理器早在2014年就发布了，并在短短几年内实现了快速发展——从双核、四核到现在的SOC八核设计； 从单纯的办公应用，到全高清影音播放，再与HTC VIVE合作，为玩家提供流畅的VR体验。 国产x86处理器的发展所取得的成绩，绝对值得每一个国人关注。

2016年10月，本刊第二期《揭秘中国兆芯x86处理器实现市场化》，率先报道了国产x86处理器的发展历程，通过后续的一系列实际产品报道和评测，我们可以可以看出，虽然与国外的x86处理器还有一定的差距，但目前的兆芯开先ZX-C四核处理器已经具备了流畅运行Word、PowerPoint等各种办公软件、播放全高清视频、运行《英雄联盟》这类主流网游的能力。 那么时隔大半年，国产x86处理器又有哪些新进展呢？ 在不久前的北京国际互联网技术博览会暨世界网络安全大会上，上海兆芯集成电路有限公司给我们带来了新的惊喜。

国内首款全集成x86:8核心处理器亮相

此次在兆芯展台上，最引人注目的主角应该是首次亮相的兆芯ZX-D处理器，其核心架构被命名为“五道口”。 这款处理器目前有四核和八核两个版本。 虽然兆芯也在此前基于“张江”核心架构的兆芯ZX-C处理器上推出了8核设计的兆芯凯盛ZX-C+处理器，但ZX-D处理器发生了结构性的变化。 很大的进步。

在之前的ZX-C+8核心处理器上，其结构是由两颗ZX-C四核处理器封装而成。 从外观上我们可以看到PCB基板上有两个小磁芯。 ZX-D处理器原本采用四核或八核设计，将内存控制器和PCIe控制器集成到芯片中，即采用SoC（片上系统）设计，其外观大有来头核。 这样的设计可以为ZX-D处理器带来很多好处。

首先，兆芯重新设计了ZX-D处理器核心的流水线。 与ZX-C相比，ZX-D处理器的整数流水线大大降低了分支预测失败的开销，同频性能更强，保持工作频率。 核心面积和功耗略有增加，没有变化。 此外，CPU的L1和内存访问都将带宽提高了一倍，并在末级缓存中引入了先进的替换算法，可以大大降低相同缓存容量下部分应用的缓存未命中率。 同时，ZX-D处理器缓存的性能和容量都得到了大幅提升。

在兆芯x86处理器中，每四个处理器核心共享一部分缓存。 在ZX-C+8核心处理器中，每4个核心共享2MB缓存，共计4MB缓存。 但是，也存在问题。 多核处理器在工作时，需要保证每个核“看到”的缓存内容是一致的，知道哪些数据被改写了，应该由哪个核执行哪个任务，从而避免冲突，实现效率。 maximize，所以需要一直同步，以保持缓存的一致性。 但ZX-C+处理器只是一个简单的计算核心。 为了使每个四核模块中的缓存保持一致，需要将协调工作交给外部北桥芯片——需要同时更新两个四核模块。 当缓存在设备中的数据存储时，会通过FSB前端总线传输到北桥进行更新。 虽然缓存的数据量不大，但由于需要通过北桥进行处理，无疑会有一定的延迟，核心之间的通信也会变慢，从而对处理器的性能造成一定的影响程度。

在ZX-D 8核处理器中，不仅增加了缓存容量，每4个核心共享4MB缓存，一共8MB缓存。 更重要的是，处理器与北桥的完全融合，使得缓存数据的一致性直接在处理器内部完成。 这也意味着处理器之间的交互不再需要通过北桥，而是采用片上高速点对点直接网络互连，降低了延迟并提高了带宽，为更多核心提供了基础未来的互连（有点类似于 ZEN 架构）。

其次，内存控制器和PCIe控制器的整合，也可以大幅提升内存和显卡的性能。 在南北桥架构中，内存和显卡必须通过北桥通过FSB前端总线向处理器传输数据。 但问题是在ZX-C平台中内存频率 前端总线，FSB前端总线频率只有1333MHz，总线带宽只有10.6GB/s左右。 如今，双通道DDR4 2133的内存带宽早已突破30GB/s，PCIe 3.0 x16显卡的带宽也达到了16GB/s。 因此，前端总线使得ZX-C处理器无法很好地配合最新的硬件，发挥出它们的最大性能。 因此在ZX-D处理器中，它在处理器内部集成了内存控制器（DDR4内存控制器，这也让兆芯ZX-D成为国产处理器中首款支持DDR4内存的产品）和PCIe控制器。 处理器可以通过内部高带宽直连总线访问内存和显卡。 其中，内存访问带宽提升了1~2倍，有效发挥了DDR4内存的优势，显着提升了处理器的多核多线程应用。

▲以Intel P35芯片组为例，在此类南北桥架构平台中，CPU需要通过北桥、前端总线、显存与显卡、显存进行通信。 不仅带宽受限，通信时延也大大增加。

此外，ZX-D处理器内部还集成了新一代图形核心。 虽然其具体规格并未公开，但从架构上不难看出，相比ZX-C集成在北桥的图形核心，将图形核心集成在CPU内部，首先可以降低与CPU之间的通信延迟。处理器和图形核心，提高渲染效率。 更重要的是，相较于ZX-C平台限制在10.6GB/s的显存带宽，显示核心可以有效利用DDR4显存提供的高带宽，相当于大幅提升了显存带宽，集成图形核心性能将得到提升。 推动。

▲ 兆芯开先和开升ZX-D处理器在架构上更类似于目前的英特尔酷睿处理器。 PCIe控制器和DDR4内存控制器都集成在处理器中，直接与处理器通信。 唯一搭配的是一块IOE扩展芯片，提供存储功能和PCIe通道。

经过以上一系列改进，根据兆芯官方数据，兆芯ZX-D系列处理器在保持与开先ZX-C系列处理器相同工作频率的前提下，速度要快于开先ZX-C系列处理器。 该处理器在整数单任务性能上提升约20%，在整数多任务性能上提升近50%。 最终兆芯凯升ZX-D 8核处理器在SPEC2006多任务整数计算中取得了111分。 其8核产品的综合性能达到了搭载Skylake核心的英特尔酷睿i3台式机处理器。 其8核产品的具体成绩如下：

兆芯凯盛ZX-D 8核处理器测试结果

SPEC2006单任务多任务

整数性能 20.2 111

浮点性能 24.8 73.1

好了，废话不多说，下面让我们通过上一页公布的产品实物图，看看国产x86处理器在近期取得了哪些进步。

国产x86处理器最新成果展

▲最新的兆芯开先ZX-D四核处理器，从处理器的结构上可以明显看出其采用了大核设计策略。 CPU背面有大量的触点，原来北桥部分的显存控制器、PCIe控制器、集成显示核心都集成在处理器内部。 目前这款处理器采用台积电28nm工艺生产，工作频率在2.0GHz左右。

▲首款基于兆芯凯盛ZX-D 8核处理器的桌面系统在展会现场展出，搭载GeForce GTX 1070显卡和DDR4 2133内存。 处理器采用BGA封装焊接在主板上。 由于8核处理器产品的TDP热设计功耗仅为65W，只需一个小风扇即可保证处理器的稳定运行。 同时，虽然兆芯ZX-D系列处理器集成了北桥部分，但与目前其他x86处理器一样，仍需配备IOE扩展芯片，为系统提供存储和额外的PCIe通道。 这颗芯片的具体型号为ZX-200，可以提供SATA 6Gbps接口、M.2接口，以及大量的PCIe x1和PCI插槽。 最让人欣喜的是主板竟然顺应潮流，提供了USB 3.1 Type-A和Type-C接口。

▲ 那么这个系统能给用户带来什么样的体验呢？ 从现场测试来看，这款搭载兆芯凯盛ZX-D 8核处理器的PC能够完美支持HTC VIVE VR系统，流畅运行《水果忍者VR》、《VR经典射箭》等游戏。 同时内存频率 前端总线，兆芯还公布了ZX-D处理器四核和八核处理器的SPEC 2006测试结果。 总体而言，兆芯凯升ZX-D 8核处理器的综合性能与Intel Skylake Core i3桌面版不相上下。

▲联想新推出的基于兆芯开先ZX-C C4600处理器的兆阳CF03-T笔记本电脑，相比以往的产品增加了WIFI/蓝牙模块，模具设计更加大气，可以更好的移动办公应用程序。

▲使用x86国产处理器最大的目的就是提高安全性。 这是由上海中信科技基于兆信开先ZX-C C4600和C4610处理器机架式服务器开发的。 搭载国产TCM1.2安全Trusted芯片，支持可信启动和文件加解密功能。 该服务器可以控制终端连接的应用程序和外设的权限； 实时跟踪终端进程和IO使用情况，通过日志分析发现rootkit等潜在风险。 其主要应用领域是军事和政治安全部门，可以有效防止个人电脑泄密。

▲兆芯还展出了之前的凯胜ZX-C+系列8核处理器，就是将两颗ZX-C四核处理器封装在一起。 外观上由两个小核组成，没有集成内存，PCIe Controller，显然最新的ZX-D处理器在架构设计上要先进很多。

另外，除了上述兆芯展出的最新产品外，国产x86处理器还有哪些进展？ 为何如此关注x86处理器的发展？ 现在有什么问题？ 为此，我们还在展会现场对上海兆芯集成电路股份有限公司副总裁付成博士进行了专访。

专访国产x86处理器负责人

▲博士上海兆芯集成电路有限公司副总裁付成（图中浅蓝色服装）接受本刊专访。

MC：现阶段兆芯x86处理器取得了哪些成绩？

傅程：首先，国产的x86处理器在不断的成长，性能也在不断的提升。 目前兆芯国产通用处理器包括开先ZX-C四核、开先ZX-C+四核和开胜ZX-C+八核产品，可应用于计算机、服务器、嵌入式和工业控制设备之间。 三款国产通用处理器均已实现量产，兆芯ZX-D系列处理器也即将发布。 同时，兆芯处理器也得到了业界的认可。 开先ZX-C系列处理器荣获“第十八届中国国际工业博览会金奖”、“第十一届（2016）中国半导体创新产品与技术”、“2017年大中华区集成电路设计成就奖”等多项行业大奖。

当然，更重要的是采用兆芯国产x86通用处理器的整机已经在党政军办、信息化等国家重点系统工程中得到实际应用，取得了“良好性能”。 ，质量可靠，能满足实际工作需要”的好评。 除了桌面办公领域，兆芯x86通用处理器还可以满足服务器、嵌入式机、存储系统等领域的用户需求。 随着推广的推进，各类采用兆芯x86通用处理器的设备将逐步进入金融、电力、税务等应用领域，并实现全面国产化，按需换代。

MC：兆芯为什么选择x86架构作为处理器研发的重点？

付成：x86架构的芯片在全球互联网和信息技术产业中极为关键。 事实上，几乎我们每一个人的生活和工作都离不开x86架构的芯片。 x86架构在桌面办公领域占有率超过95%，具有生态成熟、操作系统和办公软件迁移成本低、软硬件兼容性好等优势。 面对全球已被广泛接受的局面，研发自主可控的x86高端通用芯片，在核心芯片和关键领域实现国产自主可控产品的早日替代，显然是一个投入产出相对较高的渠道.

MC：国产通用处理器的发展还存在哪些问题？

傅程：在我国通用处理器产业的发展过程中，形成了几个不同的阵营。 每个阵营都取得了一定的成绩，但都面临着相似的问题。 第一，完全自主IP（Intellectual Property知识产权的缩写）问题。 目前，能够在国产处理器的核心技术IP上做到100%完全自主的企业并不多。 需要说明的是，兆芯国产的通用处理器和芯片组相关IP 100%由兆芯自主设计研发。

二是行业标准问题。 国内CPU设计公司在进行CPU设计开发工作时，一般要遵循国际协议和标准。

第三，国产通用处理器的生态规模还比较有限，应用推广规模也比较有限。

四是研发投入仍然不足。 魏少军教授曾指出，核高技术项目每年的研发投入不到英特尔每年研发投入的8%。 这个差距可想而知。 （注：“核高基”是核心电子器件、高端通用芯片和基础软件产品的简称，是与航天、探月工程并行的16项科技重大专项之一。 )

从解决问题的角度来看，对于第一个问题，企业需要实事求是，坚持自主创新。 对于行业标准的问题，可以考虑利用市场吸引国际标准化组织本土化来完善。 同时，也需要行业龙头企业和政府的积极参与和支持。 生态规模和应用推广有限，研发投入不足。 除了需要企业更加开放和合作，还需要希望得到政府和相关组织的引导和支持。

管委会评论

全集成8核设计，整合内存控制器、PCIe控制器、图形核心，再加上对DDR4内存的支持，我们可以看到兆芯开先和开升ZX-D处理器在基础架构设计上已经站在了同一起跑线上Core Duo、Ryzen等国外处理器，终于彻底摆脱了古老的FSB总线和北桥，性能的提升必然会到来。 不可否认，由于种种原因，国产x86处理器的核心性能与酷睿、锐龙相比，肯定还是有一定的差距。 虽说性能达到Skylake酷睿Core i3桌面版的评价并不算太精彩，但“一口吃一口，路要一步步走”。 CPU作为计算机硬件技术的“皇冠”，在国产x86处理器的发展过程中肯定会遇到各种各样的问题和困难，但无论是作为个人还是媒体，都应该以积极的态度推动问题的解决。 没有必要带着偏见去批评，毕竟这是我们自己的产品。

这不仅仅是爱国主义的问题，也是中国作为一个大国，必须研发自己的x86处理器才能完成很多日常涉密任务。 毕竟我们不可能把大量官兵军人的日常工作交给太湖之光。 毕竟在日常工作中，长时间使用国外的处理器来完成各种涉密任务也存在着很大的风险。 同时，国外有哪款处理器能够支持SM3、SM4高速国密算法指令，能够快速完成各种文件的加解密？ 另一方面，大量《微机》读者对兆芯的密切关注和咨询也表明，消费市场其实对国产x86处理器充满期待。 好消息是，采用16nm工艺的下一代ZX-E处理器正在按计划高速推进，兆芯处理器一直坚持的2.0GHz主频有望大幅提升，国产x86处理器终于进入消费市场。 也会越来越近。 因此，为国产x86处理器营造一个健康、正常的发展环境，力争早日实现x86处理器领域的三足鼎立，应该成为我国计算机硬件产业的一个方向。