本文節(jié)選自雷鋒網(wǎng)，原文《相比龍芯，申威的“芯”路歷程為什么平坦很多？》，作者：鐵流 ，文章轉(zhuǎn)載已獲授權(quán)。
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      相對于從誕生之初就處于輿論風(fēng)口浪尖的龍芯，國內(nèi)另一款走全自主道路的芯片——申威，相比之下就低調(diào)得多。無論是傳統(tǒng)紙媒還是網(wǎng)絡(luò)媒體，申威的曝光率比起龍芯、海思、展訊等國產(chǎn)芯片都要低得多，而且相比于嘲諷天賦技能被點(diǎn)滿的龍芯，申威極少成為網(wǎng)媒和充滿虐氣的網(wǎng)民的攻擊對象。申威的軍方背景更是給它帶一縷神秘的色彩。下面，讓我們一起走進(jìn)申威，解密申威的“芯”路歷程。

      

1、申威的誕生
      上世紀(jì)60-70年代末，中國在高性能計(jì)算機(jī)領(lǐng)域也曾有過自己的輝煌——哈軍工曾經(jīng)制造出具有分時操作系統(tǒng)和匯編語言、FORTRAN語言及標(biāo)準(zhǔn)程序庫的441B系列計(jì)算機(jī)。北京大學(xué)、北京有線電廠等單位聯(lián)合研制150計(jì)算機(jī)。清華大學(xué)、北京無線電三廠研制生產(chǎn)了130、131、132、135、140、152、153系列計(jì)算機(jī)近千臺。國防科大成功研制出151計(jì)算機(jī)，華東計(jì)算技術(shù)研究所成功研制1001中型集成電路計(jì)算機(jī)和HDS-9計(jì)算機(jī)，其中HDS-9計(jì)算機(jī)每秒運(yùn)算達(dá)500萬次，更為難能可貴的是，這些計(jì)算機(jī)的軟件和硬件是中國人自己編譯和制造的。

      但在80年代因迷信“造不如買、買不如租”、“市場換技術(shù)”等理論，放棄了自主芯片的研發(fā)轉(zhuǎn)而大量外購國外芯片。從80年代的銀河1超算開始，到90年代的銀河2、銀河3，曙光系列超級計(jì)算機(jī)都沒有中國“芯”，在技術(shù)上始終受制于人。即使是在幾年前的天河2號上，也只有4096片飛騰1500作為計(jì)算節(jié)點(diǎn)前端處理器，而飛騰1500是在SUN的UltraSPARC T2基礎(chǔ)上做的改進(jìn)版本。

      

2、申威的發(fā)展方向
      申威由無錫江南計(jì)算技術(shù)研究所設(shè)計(jì)。主要研究方向有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、并行/分布處理與智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件、人工智能與智能控制、計(jì)算機(jī)與通信、計(jì)算機(jī)信息處理與應(yīng)用。八十年代以來，在計(jì)算機(jī)、通信及機(jī)電一體化等領(lǐng)域共榮獲國家、軍隊(duì)科學(xué)技術(shù)成果獎300多項(xiàng)，其中國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步特等獎3項(xiàng)，軍隊(duì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎35項(xiàng)。

      

3、申威的指令集和技術(shù)淵源
      申威屬于Alpha陣營，指令集也是基于Alpha進(jìn)行擴(kuò)展。
      申威的技術(shù)來源是于DEC的Alpha 21164。DEC的技術(shù)實(shí)力很強(qiáng)，Alpha性能更是驚艷，AMD就曾經(jīng)購買了Alpha 21264的技術(shù)資料，挖走了部分DEC的技術(shù)人員后，開發(fā)出自己的K7微結(jié)構(gòu)。

      DEC是技術(shù)實(shí)力比人強(qiáng)，但商業(yè)模式不如人而失敗的典型例子，Alpha也被幾經(jīng)轉(zhuǎn)手，先被康柏收購，后被惠普雪藏。目前Alpha已經(jīng)被束之高閣，指令集和微結(jié)構(gòu)都已經(jīng)不再更新，技術(shù)專利大多已過期或快過期了。申威是目前Alpha陣營中僅存的碩果，擁有自主擴(kuò)展指令和發(fā)展路線的自主權(quán)。

      至于購買國外指令集，并以此為基礎(chǔ)擴(kuò)展指令，發(fā)展出自己的指令集是否是自主可控等問題，請參見本人撰寫的另一篇文章《15年了，龍芯拿什么與國外芯片巨頭對抗》。

      
4、自主可控體系構(gòu)建
      申威和龍芯作為國內(nèi)碩果僅存的兩個走自主可控路線的IC設(shè)計(jì)單位，和龍芯一樣在積極構(gòu)建自己的軟硬件體系以保障從軟件和硬件兩個方面實(shí)現(xiàn)安全可控。

      申威開發(fā)了自己的神威睿智編譯器，研發(fā)了基于Linux的神威睿思操作系統(tǒng)......申威構(gòu)建自主技術(shù)體系的道路可謂一片坦途——于2012年9月投入使用的神威藍(lán)光超算使用了8704片申威1600，搭載神威睿思操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了軟件和硬件全部國產(chǎn)化。

5、申威歷程
      江南所以Alpha指令集為基礎(chǔ)，擴(kuò)展出自己的指令集，并在2006年設(shè)計(jì)出具有自主微結(jié)構(gòu)的申威1，申威1是一款130nm制程工藝的單核心CPU，主頻900MHz，集成5700萬晶體管。2008年完成的申威2，是一款130nm制程工藝的雙核CPU，主頻1.4GHz。

      如果說申威1和申威2更像是江南所磨礪技藝的作品，是對Alpha21164技術(shù)的消化吸收，那么2010年研發(fā)的申威1600則是江南所將國外技術(shù)融會貫通后，推陳出新的產(chǎn)品。申威1600是一款65nm制程工藝的16核CPU，主頻1.1G，雙精浮點(diǎn)140G。申威1600被用于神威藍(lán)光超算。

     也許是因Alpha當(dāng)年強(qiáng)悍的性能，本人對源自Alpha的申威抱有很高的期望。但根據(jù)國家高性能集成電路設(shè)計(jì)中心公布的論文顯示，申威1600的SPEC2000測試分?jǐn)?shù)只能說是差強(qiáng)人意，唯有性能功耗比和 LINPACK測試聊以自慰。

      平心而論，雖然申威1600處理器的單核性能有限，但16核的可擴(kuò)展性很好，實(shí)現(xiàn)了比較理想的多核性能加速比。

申威1600性能參數(shù)如下圖所示：
      

     2012年，無錫江南計(jì)算技術(shù)研究所研制出申威1610和申威410，申威1610為40nm制程的16核CPU，集成10億晶體管，主頻1.6G，最大功耗50W，雙精浮點(diǎn)運(yùn)算00G。申威410為40nm制程的4核CPU，集成2.7億晶體管，主頻1.6G。前者用于服務(wù)器，后者用于PC，支持中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)......

      2014年底，申威5成功流片。根據(jù)一篇由坐落于無錫的數(shù)字工程與先進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和坐落于北京的國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心聯(lián)合發(fā)布的論文，申威5很有可能是一款集成了4個管理核心和256個運(yùn)算核心的高性能眾核CPU，雙精浮點(diǎn)運(yùn)算超過1T，核內(nèi) linpack效率93%，并有很高的性能功耗比。

      

6、神威藍(lán)光超算

     

      神威藍(lán)光超算總投資6億元，于2012年9月投入使用。神威藍(lán)光超級計(jì)算機(jī)使用了8704片申威1600，搭載神威睿思操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了軟件和硬件全部國產(chǎn)化。神威藍(lán)光超算峰值計(jì)算性能1PFlops（一千萬億次每秒），持續(xù)性能為0.796PFlops，性能功耗比超過741MFlops/W(百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算/秒?瓦)，LINPACK效率為74%。

神威藍(lán)光超算有以下特點(diǎn)：
      一是全部使用申威1600芯片，搭載神威睿思操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軟件和硬件全部國產(chǎn)化；
      二是穩(wěn)定性較好，測試Linpack 全過程9個多小時無故障；
      三是液冷系統(tǒng)高效可靠，冷卻劑在冷板內(nèi)部的封閉水循環(huán)帶走主板熱量，環(huán)保且無噪音；
      四是高密度封裝，一個機(jī)倉可裝入1024個CPU；
      五是整機(jī)功耗低，性能功耗比高。神威藍(lán)光超算性能功耗比超過741MFlops/W，整機(jī)功耗1W；天河1號超算性能功耗比431.7 MFlops/ W，整機(jī)功耗4W。

      六是整機(jī)效率高。神威藍(lán)光超算LINPACK在不同規(guī)模下的效率：單處理器核80.28%，單CPU 75.20%，單機(jī)艙75.07%，整機(jī)74.37%。神威藍(lán)光超算整機(jī)效率與曾經(jīng)是美國最快的計(jì)算機(jī)美洲虎超級計(jì)算機(jī)效率相當(dāng)。

      

      據(jù)統(tǒng)計(jì)，“國家超級計(jì)算濟(jì)南中心”有注冊用戶超過100個，移植優(yōu)化60多道重點(diǎn)應(yīng)用課題，其中能夠達(dá)到上萬核并行規(guī)模的應(yīng)用課題達(dá)16個，有應(yīng)用成果的課題超過15個，系統(tǒng)利用率已超過60%。目前主要面向氣象氣候、海洋環(huán)境、生物醫(yī)藥、信息安全、航 空航天、材料物理、金融分析、工業(yè)設(shè)計(jì)、石油物探等應(yīng)用領(lǐng)域。

新一代神威超算
      無錫市人民政府于2013年就成立了以市長為組長，副市長為副組長的國家超級計(jì)算無錫中心建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組，積極籌備新一代神威超算建設(shè)。

      2015年4月，官方成立了無錫恒鼎超級計(jì)算中心有限公司作為國家超級計(jì)算（無錫）中心的建設(shè)和運(yùn)營主體，無錫江南計(jì)算技術(shù)研究所成立了項(xiàng)目指揮組及總師組負(fù)責(zé)解決超算建設(shè)過程中的技術(shù)問題。

      目前，新一代神威超算主機(jī)系統(tǒng)軟件正在調(diào)試中，整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)劃于2015年年底公布。新超算總投資18億元，計(jì)劃在 2017-2018年建成，運(yùn)算能力將達(dá)到100PFlops，計(jì)算性能有望沖擊世界第一。

神威MPP機(jī)
      神威MPP機(jī)是國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研制的面向千萬億級以上規(guī)模的高性能計(jì)算機(jī)，能通過虛擬化技術(shù)、網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)和云存儲技術(shù)在服務(wù)層虛擬出多種計(jì)算和存儲服務(wù)形態(tài)。

     神威MPP機(jī)硬件系統(tǒng)由高速運(yùn)算系統(tǒng)、互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、海量存儲系統(tǒng)、維護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)組裝設(shè)計(jì)等部分組成。軟件系統(tǒng)主要包括“神威睿思”操作系統(tǒng)、“神威睿智”編譯器、基礎(chǔ)庫等。

      

      系統(tǒng)投入使用以來，已經(jīng)成功移植了包括氣候氣象、海洋科學(xué)、新藥研制、生物信息、航空航天、工業(yè)設(shè)計(jì)、金融分析等重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域的近二十道萬核以上并行規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用課題，取得若干重大應(yīng)用成果。

   6神威Cluster是在匯集神威MPP機(jī)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，專門為科學(xué)和工程計(jì)算領(lǐng)域設(shè)計(jì)開發(fā)的高性能計(jì)算平臺。在氣候氣象、海洋環(huán)境、數(shù)值、風(fēng)洞、碰撞仿真、蛋白質(zhì)折疊、基因研究、新藥研發(fā)、分子動力學(xué)模擬、量子化學(xué)計(jì)算、材料科學(xué)、芯片設(shè)計(jì)、動漫設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)等方面用途廣泛。

神威Cluster系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)如下圖：

      

7、安全可信PC
      神威安全可信PC是搭載申威410，針對有較高安全需求的黨政軍單位，元器件實(shí)現(xiàn)100%國產(chǎn)化。內(nèi)嵌的國產(chǎn)外圍套片，集成了符合國家標(biāo)準(zhǔn)的可信密碼模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)嵌式可信引導(dǎo)和軟件系統(tǒng)的可信度量，保證系統(tǒng)的安全可信。

    ......

安全架構(gòu)如圖所示：

      


8、神威云
      神威云是國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研發(fā)的云產(chǎn)品，能夠提供豐富的云產(chǎn)品套件、開放的API接口、全面的資源管理平臺和運(yùn)維監(jiān)視平臺，具有強(qiáng)大的虛擬資源池管理能力。神威云平臺采用商用服務(wù)器、高速網(wǎng)絡(luò)、高性能存儲設(shè)備，結(jié)合神威云平臺系列軟件搭建。具有功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、安全可靠、簡單好用的特點(diǎn)。

      

9、小結(jié)
      雖然申威和龍芯一樣是走獨(dú)立自主路線，但申威的道路要比龍芯平坦得多：
      首先，國家對龍芯的投入非常有限，而且龍芯自2010年市場化運(yùn)營后完全自主經(jīng)營，自負(fù)盈虧。申威是軍方項(xiàng)目，不僅不用面對IC設(shè)計(jì)公司最頭痛的技術(shù)人才流失問題，還能在人力物力財(cái)力可以得到軍方充足保障。

      其次，申威有自己的指令集、微結(jié)構(gòu)、CPU、編譯器、操作系統(tǒng)就足以在超算領(lǐng)域立足......

      最后，申威是軍方項(xiàng)目，而神威超算更是國家級工程，申威的軟件和硬件產(chǎn)品完全可以在體制內(nèi)完成內(nèi)部循環(huán)......

      申威自2003年誕生以來，基于Alpha自主擴(kuò)展了指令集，共設(shè)計(jì)了申威1、申威2、申威1600、申威1610、申威5五款芯片，自主研發(fā)了神威睿智編譯器和神威睿思操作系統(tǒng)，推出了搭載申威芯片的PC、服務(wù)器、高性能計(jì)算機(jī)、超算、防火墻、機(jī)架式存儲服務(wù)器、大規(guī)模集群存儲系統(tǒng)、瘦客戶端、QDR HCA卡、神威云等產(chǎn)品，為國家信息安全和超算建設(shè)竭盡所能，圓滿完成了國家交付的任務(wù)。

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