Все о процессорах Loongson: китайская архитектура LoongArch LA464 в серверных и десктопных решениях

Содержание: Введение Архитектура LoongArch LA464 Зачем выпустили LoongArch LA464? Особенности LoongArch LA464 Операционная система Loongix Серверный процессор Loongson 3D5000 Характеристики процессора Loongson 3D5000 Стратегическая важность Loongson 3D5000 для Китая Десктопный процессор Loongson 3A6000 Характеристики процессоров Loongson 3A6000 Выход Loongson 3A7000 Серверы на базе Loongson Потребительские устройства на базе Loongson Материнская плата Loongson XA61200 Мини-ПК MOREFINE M700S Сравнение с аналогами Вывод Введение Команда ServerFlow уже рассказывала вам о чипах Hygon и Kunpeng, а сегодня наш марафон китайский центральных процессоров продолжат передовые решения компании Loongson. Если в прошлых обзорах мы рассматривали решения на базе ARM-архитектуры, то сегодня нас ждет нечто новое — чипы на уникальной архитектуре, с нуля разработанной инженерами Loongson. В этой статье мы расскажем вам, в чем заключаются особенности архитектуры процессоров Loongson, какие серверные и десктопные решения представлены от этой компании, рассмотрим серверы и потребительские устройства на базе Loongson, а также сравним эти процессоры с западными аналогами. Архитектура LoongArch LA464 Интересно, что изначально компания Loongson занималась производством чипов на архитектуре MIPS. Стоит отметить, что на этой же архитектуре сегодня производят отечественные чипы, такие как Baikal-T и “КОМДИВ”. Решения Longson на базе MIPS широко использовались в таких китайских устройствах, как телеприставки, нетбуки, маршрутизаторы, а впоследствии даже в различных суперкомпьютерах, например, Dawning 6000. Однако, в 2021 году Loongson представила новую, уникальную архитектуру, которая с нуля была разработана китайскими инженерами компании — LoongArch LA464. Независимые эксперты проанализировали эту архитектуру и единогласно заявили, что она является полностью самобытной и не имеет сходств с другими популярными микроархитектурами, такими как ARM, MIPS, POWER, RISC-V и х86 — у LoongArch LA464 собственный формат инструкций, уникальные способы кодирования и режимы адресации. Семейство процессоров Loongson на архитектуре LoongArch LA464. Источник: Baidu. Зачем выпустили LoongArch LA464? Решение компании Loongson стать независимой обусловливается сменой политики компании MIPS Technologies, владеющей патентом на архитектуру MIPS. Ранее MIPS Technologies не выпускала собственных процессоров и лишь занималась совершенствованием своей архитектуры и сбором патентов. Однако, в 2021 году, MIPS Technologies решила производить собственные чипы, но на базе архитектуры RISC-V, полностью прекратив разработку новых улучшений MIPS. Понимая, что без регулярных обновлений и нововведений чипы на базе MIPS будут быстро устаревать и не смогут составить конкуренцию процессорам на других архитектурах, Loongson полностью перешла на свою собственную разработку LoongArch LA464. 8-ми ядерный процессор Loongson 3B1000CA на архитектуре MIPS. Источник: Baidu. Выпуск платформы LoongArch LA464 является не только большим достижением для компании Loongson, но и серьезным шагом вперед для всей полупроводниковой индустрии Китая, так как эта уникальная архитектура имеет все перспективы заменить собой все западные платформы и запустить масштабный процесс импортозамещения в стране. Особенности LoongArch LA464 Архитектура LoongArch LA464 состоит из более чем 2000 проприетарных инструкций, но по сути она все равно является архитектурой с упрощенным набором команд (RISC). Представители компании Loongson заявили, что их инженеры удалили все устаревшие инструкции RISC из своей архитектуры, тем самым снизив энергопотребление чипов на базе LoongArch LA464. Помимо этого, к основному набору инструкций были добавлены дополнительные RISC-инструкции двоичного преобразования (LBT), инструкции расширения векторной обработки (LSX), инструкции расширения расширенной векторной обработки (LASX) и инструкции расширения виртуализации (LVZ), благодаря чему функционал чипов на архитектуре LoongArch LA464 становится обширнее, увеличивается их производительность в самых различных сценариях применения. Также LoongArch LA464 поддерживает двоичную трансляцию кода с других архитектур, благодаря чему ПО и операционные системы, поддерживаемые процессорами на базе ARM, x86, RISC-V и других платформ, можно запускать на чипах Loongson без предварительной компиляции. Этот инструмент очень удобен и может стать ключевым фактором для наращивания базы пользователей процессоров на архитектуре LoonArch LA464. Однако стоит отметить, что трансляция кода – это крайне ресурсоемкий процесс, и в большинстве случаев приложения, запущенные таким методом, показывают лишь “удовлетворительную” производительность. Запуск Windows 11 в операционной системе Loongix через эмулятор QEMU. Источник: Baidu. Операционная система Loongix Loongix — это особая операционная система с открытым исходным кодом на базе Linux, разработанная компанией Loongson для работы в ПК и серверах с интегрированными процессорами на архитектуре LoonArch LA464. Команда разработчиков Loongix активно развивает эту операционную систему, расширяя ассортимент совместимых с ней приложений. Также Loongix поддерживает широкий спектр решений для облачных сред, например, Openstack, KVM и Docker, K8S, а также совместима с контейнерными образами ОС Alpine. Процесс установки операционной системы Loongix. Источник: Baidu. Серверный процессор Loongson 3D5000 Loongson 3D5000(龙芯3D5000) — это 32-х ядерный серверный чип на архитектуре LoongArch LA464 на базе сокета LGA 4129, выпущенный в 2023 году и предназначенный для интеграции в китайские дата-центры и государственные инфраструктуры. Для достижения такого числа ядер, инженеры Loongson использовали все прелести чиплетной компоновки и соединили два 16-ти ядерных процессора 3C5000 в рамках одного вычислительного устройства. Вместе с процессором Loongson 3D5000, компания также представила особый чип Loongson 7A2000, благодаря которому несколько процессоров могут объединяться в единую систему в рамках одного устройства. Среди поддерживаемых интерфейсов имеется 32 линии PCI 3.0. Объем кэша L3 достигает 64 МБ (по 32 МБ на каждый чиплет). Китайский серверный процессор Loongson 3D5000. Источник: Baidu. Помимо производительности, компания Loongson уделила особое внимание безопасности своих чипов 3D5000, интегрировав в них мощные системы защиты, включающие собственный модуль TPM, поддержку особых китайских алгоритмов криптографии SM3 и SM4 со скоростью шифрования/дешифрования до 5 Гбит/с, а также продвинутые аппаратные механизмы защиты от наиболее распространенных киберугроз, например, уязвимостей Meltdown или Spectre. Ввиду принадлежности к серверной линейке чипов, Loongson 3D5000 может использоваться в двухсокетных и четырехсокетных конфигурациях. Чипы 3D5000 совместимы с операционной системой Loongnix, а также другими дистрибутивами Linux, поддерживающими архитектуры MIPS и RISC-V. Стоит отметить и минус чипов 3D5000 — как и многие другие процессоры от китайских производителей, эти CPU не имеют аналога технологий Turbo Boost и Hyper-Threading, а значит имеют постоянную тактовую частоту и не располагают логическими конвейерами для более эффективной обработки информации. Двухпроцессорная серверная материнская плата на базе чипов Loongson 3D5000. Источник: Baijiahao.  Характеристики процессора Loongson 3D5000 Представляем подробную таблицу с характеристиками серверных чипов Loongson 3D5000: Характеристика Loongson 3D5000(龙芯3D5000) Архитектура LoongArch LA464 Техпроцесс 12-нм SMIC Кол-во ядер 32 ядра ​/ 32 потока Тактовая частота 2.0 Ггц Контроллер памяти  8-ми канальный DDR4-3200 Объем памяти до 1 ТБ ECC REG Пропускная способность памяти до 50 Гбайт/с TDP 300 Вт Стратегическая важность Loongson 3D5000 для Китая Несмотря на то, что Loongson 3D5000 уступает аналогам, важно отметить, что Loongson изначально не позиционировали свой чип, как передовое решение, которое захватит международный рынок. Центральные процессоры Loongson 3D5000 — это решение, направленное на интеграцию исключительно в китайские государственные инфраструктуры с повышенными требованиями к безопасности. В таких системах критически важно не использовать процессоры от западных производителей, а также не допускать наличие западных микроархитектур, так как это может привести к появлению уязвимостей и нанести серьезный ущерб безопасности всего Китая. Именно поэтому процессоры Loongson 3D5000 считаются стратегически важной разработкой Китая и их не экспортируют за пределы страны. Помимо этого, Китаю удалось обойти санкции США и перенести производство чипов Loongson с фабрики тайваньской компании TSMC на фабрики китайской компании SMIC, которая также имеет доступ к передовым техпроцессам и оборудованию для выполнения литографии по самым современным технологиям. Фабрика SMIC по производству микропроцессоров в городе Шэньчжэн. Источник: Baidu.  Десктопный процессор Loongson 3A6000 Loongson 3A6000(龙芯3A6000) — это десктопные процессоры четвертого поколения на базе сокета BGA-1190, вышедшие в 2023 году и также построенные на на микроархитектуре LoongArch LA464 с техпроцессом 12-нм. Эти чипы предназначены для односокетных систем, таких как персональные компьютеры и компактные серверы. Благодаря использованию уникального набора команд LoongArch LA464 и обновленному ядру Dragon LA664, производительность процессора Loongson 3A6000 была значительно улучшена по сравнению с десктопным чипом предыдущего поколения Loongson 3A5000. Для лучшей производительности чип оснащен аналогом технологии Hyper Threading, что позволяет чипу в лучшей мере справляться с ресурсоемкими задачами. Десктопный процессор Loongson 3A6000. Источник: Baidu. Изначально в год своего выхода чипы 3A6000 были совместимы только с операционной системой Loongnix от компании Loongson, однако, спустя два года после выхода чипов, разработчики сделали его совместимым со всеми дистрибутивами Linux, но поддержка Windows так и не была добавлена. На сегодняшний день линейка чипов Loongson 3A6000 включает в себя 3 модели:  Loongson LS3A6000-HV. Предназначена для интеграции в серверные инфраструктуры;  Loongson LS3A6000-LL. Ориентирован на рынок десктопных решений; Loongson LS3A6000-M. Ориентирован на рынок мобильных систем.  Характеристики процессоров Loongson 3A6000 Вот какие характеристики имеют разные модели процессоров серии Loongson 3A6000: Характеристика Loongson LS3A6000-HV Loongson LS3A6000-LL Loongson LS3A6000M Техпроцесс 12-нм SMIC 12-нм SMIC 12-нм SMIC Архитектура LoongArch LA464 LoongArch LA464 LoongArch LA464 Кол-во ядер 4 ядра / 8 потоков 4 ядра / 8 потоков 4​​ ядра / 8 потоков Тактовая частота 2,5 ГГц 2,3 ГГц 2,0 ГГц Контроллер памяти  2-х канальный DDR4-3200  2-х канальный DDR4-3200 2-х канальный DDR4-3200  Объем памяти до 64 ГБ ECC до 64 ГБ ECC до 64 ГБ ECC Пропускная способность памяти 25 Гбайт/с 25 Гбайт/с 25 Гбайт/с TDP 80 Вт 60 Вт 30 Вт Выход Loongson 3A7000 Компания Loongson заявила, что к 2025 году производство новых поколений процессоров выйдут на новом, передовом техпроцессе 7-нм. В частности, сообщество предполагает, что в 25-ом году будет представлен десктопный чип Loongson 3A7000, который будет создаваться на производственных мощностях китайских предприятий компании SMIC. Представители Loongson утверждают, что новые процессоры 3A7000 обеспечат прирост производительности на 20-30% по сравнению с уже выпущенным 3A6000. Однако, на данный момент неизвестны точные характеристики ожидаемой линейки десктопных процессоров 3A7000. Слайд Loongson повествующий о планах компании по выпуску процессоров на 2025 год. Помимо Loongson 3A7000, ожидается появление моделей 3D7000 и 3E7000, ориентированных на рынок серверных систем. Источник: Loongson. Серверы на базе Loongson GITSTAR Jite GDC-2000 — двухсокетный сервер на базе процессоров Loongson 3C5000, предназначенный для корпоративных и облачных инфраструктур Китая. Поддерживает до 16-ти слотов памяти DDR4 общим объемом до 1 ТБ и до 12-и накопителей SATA, SAS и NVMe SSD с поддержкой горячей замены. Также сервер имеет 3 слота PCIe с поддержкой расширения до 6-ти слотов, 1 VGA-порт, 1 COM-порт, OCP 3.0. Сервер также совместим со всеми популярными китайскими операционными системами на базе Linux, в том числе Loongix, UOS и Kylin. Внутреннее убранство сервера GITSTAR Jite GDC-2000 на базе чипов Loongson 3C5000. Источник: Baidu. Потребительские устройства на базе Loongson Материнская плата Loongson XA61200 Материнская плата с интегрированным процессором LS3A6000-LL — энергоэффективное решение для создания персональных компьютеров потребительского сегмента. Плата поддерживает до 32 ГБ оперативной памяти DDR4 с ECC, имеет 4 порта SATA для подключения HDD или SSD, а также стандартный набор интерфейсов: HDMI с поддержкой разрешения до 4K, набор портов USB 3.0 и Gigabit Ethernet. Это решение подойдет для тех, кто собирается попробовать все преимущества архитектуры LoongArch LA464. Материнская плата Loongson XA61200 с процессором 3A6000, интегрированная в корпус ПК. Источник: Baidu. Мини-ПК MOREFINE M700S Компактный персональный компьютер на базе чипов Loongson 3A6000, предназначенный для домашнего использования или выполнения базовых офисных задач. MOREFINE M700S поддерживает 2 слота для памяти DDR4-3200 до 64 ГБ, 1 разъем для интеграции накопителя M.2 PCIe Gen 3.0 и слот для установки 2,5-дюймового жёсткого диска. Мини-ПК может подключаться к одновременно 2-м 4к-дисплеям, поддерживает Wi-Fi 5 и Bluetooth 5.0, имеет предустановленную китайскую операционную систему Loongnix. Мини-ПК MOREFINE M700S на базе процессоров Loongson 3A6000. Источник: AliExpress. Сравнение с аналогами Поскольку серверные чипы Loongson нового поколения недоступны для продажи ввиду их стратегической ценности, сравнить их другими линейками CPU практически невозможно, поэтому можно провести тесты только десктопного чипа Loongson 3A6000. У чипа 3A6000 схожая производительность на одно ядро с серверным процессором 3D5000, поэтому выводы можно будет сделать об обоих решениях компании Loongson. Так как Loongson 3A6000 заметно отстает от западных процессорных решений, более релевантным будет провести сравнение этих десктопных чипов с другими десктопными устройствами, но от отечественного производителя — Эльбрус 8СВ. Вот какие результаты показали результаты тестирования чипов Эльбрус 8СВ и Loongson 3A6000 при выполнении разных задач: Тест Linpack на одно ядро показал, что процессор Эльбрус 8СВ значительно проигрывает китайским Loongson 3A6000 в однопоточной производительности; Бенчмарк для научных вычислений SciMark 2 также показал превосходство Loongson 3A6000 над российскими Эльбрус 8СВ в более чем 2 раза; Тест скорости отображения графики показал, что Loongson справляется с выводом графики за 60 миллисекунд, в то время как у Эльбрус 8СВ эта задача занимает 278 миллисекунд; В тесте Stream Cluster отставание не так велико — у чипа Эльбрус 202 миллисекунд, но у Loongson результат все равно лучше и равняется 98 миллисекунд. Важно учитывать, что меньшее значение означает лучший результат; В задачах программирования в тесте PyBench чип Эльбрус сильно отстает от китайского аналога в 8,5 раз; В бенчмарке Coremark ситуация аналогична — Loongson 3A6000 почти в 2 раза превосходит отечественный чип Эльбрус 8СВ. Сравнение процессора Loongson 3A6000 с аналогами в тесте SPEC 2017 CPU. Источник: Baidu. Вывод Loongson — это очень перспективное семейство процессоров, которое может значительно продвинуть вперед всю китайскую индустрию производства CPU. Эти процессоры наглядно показывают, что Китай вполне может противостоять санкциям США, разрабатывая собственные микроархитектуры, вводя уникальные технологические новшества и перенося производство CPU на производства, расположенные внутри страны. Впоследствии, чипы Loongson могут полностью испортозаместить западные процессоры на территории Китая, что сделает попытки США замедлить развитие IT-индустрии страны бесполезными. Если вы хотите испытать все преимущества китайских чипов Loongson на уникальной архитектуре LoongArch LA464, компания ServerFlow готова организовать доставку материнских плат и готовых устройств на базе этих процессоров специально для вас.