這幾年，國產CPU處理器突飛猛進，而且在不同架構上齊頭並進，包括x86架構的兆芯、海光，MIPS架構的龍芯、君正，ARM架構的飛騰、鯤鵬，Alpha架構的申威，RISC-V架構的阿里玄鐵等等。
其中，海光(Hygon)是一個非常特殊的存在，因為他居然拿到了AMD的官方授權(注意不是技術轉讓)，而且是大獲成功的最新Zen架構，在性能方面是最值得期待的，但到底能達到什麼程度一直撲朔迷離。
最近，權威硬件評測網站AnandTech拿到了海光處理器，包括8核心的桌面版Dhyana、32核心的服務器版Dhyana Plus，進行了深入分析和測試。
一、AMD和海光的複雜合作
其實，海光能獲得AMD x86架構授權是非常曲折的。雖然美國政府對此大開綠燈，但為了規避Intel專利限制和相關法律，繞了一個大圈子：
AMD、天津海光信息技術有限公司(天津海光)作為兩家主體合作公司，通過合資的方式成立了兩家新的公司，一個是成都海光微電子技術有限公司(海光微電子)，另一個是成都海光集成電路設計有限公司(海光集成電路)。
海光微電子由AMD主要控股51％，擁有AMD授權IP(知識產權)並負責芯片生產，海光集成電路則由天津海光主要控股70％，負責芯片設計與銷售。
而一顆海光處理器的誕生，可以分為11個步驟：
1、AMD將核心設計授權給海光微電子，並提供建議的SoC佈局
2、海光微電子向海光集成電路提供芯片設計平面圖
3、海光集成電路將修改建議反饋給海光微電子
4、AMD工程師審核修改建議，予以批准或否定
5、海光微電子將最終設計平面圖返回給海光集成電路，並準備接訂單
6、海光集成電路向海光微電子訂購晶圓、硅片
7、海光微電子聯繫GlobalFoundries進行代工製造
8、GlobalFoundries按照設計達成預定頻率/電壓、良品率
9、海光微電子將完整硅片賣給海光集成電路
10、海光集成電路在中國國內完成硅片封裝
11、海光集成電路在中國內地市場銷售成品處理器
是不是繞暈了？沒辦法，想獲得最先進技術，就是這麼難。
特別注意的是，海光獲得的只是AMD 14nm Zen架構的IP授權，而不是完整的技術轉讓，底層設計和技術、專利依然屬於AMD，海光只能在高級層面根據自己的需要進行修改、定製。
打個比方，技術轉讓相當於買了塊地皮，你就是房地產商，可以自己規劃蓋高樓，想怎麼蓋就怎麼蓋，ARM架構的華為麒麟等就是這種。
IP授權相當於買了個毛坯房，你只是業主，可以自己裝修、安裝傢俱，但不能改變樓房結構，牆壁裡安裝個竊聽器你也沒辦法。
並且，AMD授權的也不是完完整整的Zen架構，而是閹割後的殘血版，性能和銳龍、霄龍相比不在一個層次上，所以對後邊的測試成績要做好心理準備。
但無論如何，你付了錢買了房子，你就是主人，所以海光確確實實是一款國產處理器，而且能對如此複雜、先進的x86架構吸收並改進設計，並不是誰都能做到的。
採用海光處理器的曙光工作站
二、海光Zen架構的閹割與修改
海光並非直接把AMD Zen架構芯片拿過來打磨改個名，AMD也沒這麼大方，一方面允許自行修改設計，但另一方面也在架構規格上做了不少精簡。
這方面沒有任何官方資料，AMD、海光都異常低調、守口如瓶，但是通過各種分析檢測，AnandTech還是發現了很多秘密。
1、基本架構不變
海光處理器在核心佈局上和原版Zen完全相同，緩存容量、TLB容量、端口布局等都沒變，比如一級指令緩存4路64KB，一級數據緩存8路32KB，二級緩存8路512KB，三級緩存16路8MB。
測試顯示，內存訪問時間一級緩存4個週期、二級緩存12個週期、三級緩存37-40個週期，內存延遲284-307個週期。
一級緩存讀取速度每核心約100GB/s，寫入速度約51GB/s。八核心的DDR4內存讀取速度38.5GB/s，寫入速度35.8GB/s。
Zen架構內核簡圖
2、新的加密機制
出於安全考慮，海關在這方面做了大刀闊斧的改變。
Zen架構的霄龍中有AMD SEV虛擬化加密技術，涉及RSA、ECDSA、ECDH、SHA、AES等加密算法，海光則改成了我國自己發佈的SM2、SM3、SM4，更有可控性。
SM2是橢圓曲線公鑰密碼算法，相比於RSA更先進、更節能、更安全，國家密碼管理局2010年12月17日發佈。
SM3是哈希算法，屬於密碼散列函數標準，用於數字簽名及驗證、消息認證碼生成及驗證、隨機數生成等，原理、安全性和效率都類似SHA-256，國家密碼管理局2010年12月17日發佈。
SM4是分組密碼算法，用於數據加密，分組和秘鑰長度都是128位，類似AES-128，國家密碼管理局2012年3月21日發佈。
Linux內核也加入了相應的指令，以支持這些加密算法，不過有趣的是，他們不但在海光處理器上測試成功，AMD霄龍上也能運行。
3、指令集大縮水
這是AMD下手最狠的地方，大量指令要麼把速度降了下來，要麼直接砍了，對性能影響非常大。
測試發現，海光獲得架構的整數性能基本沒變，但是浮點性能損失很大，DIV、SQRT等浮點指令直接消失，大量的MMX/SSE簡單指令則被降速：
這些都是基礎指令，對於日常基本性能至關重要，速度變慢直接就把實際性能給拉了下來。
另外，桌面版Dhyana、服務器版Dhyana Plus的差別也很大，比如至關重要的隨機數生成算法，就在服務器版上嚴重削弱。
RDRAND算法在海光這邊其實更快了，服務器版上更是快得多，RDSEED算法在海光桌面上也加快了，但服務器上慢了足有10倍之多。
事實上，二者都可以在海光的BIOS裡選擇開啟或關閉。
AVX、AVX2指令集也很奇怪，檢測顯示海光是支持的，但似乎已被禁用，相關測試根本無法運行，AESNI、SHA、CLMUL、FMA4、BMI、BMI2等指令無一例外。
缺少這些指令會影響到什麼程度呢？比如AES編碼，兩顆32核心的海光竟然都跑不過入門級的4核心銳龍3 1200：
三、海光處理器就長這樣
說了半天，是時候請出本尊了。
這是一個8核心海光桌面處理器的工程樣品，表面印有HYGON中科海光的標識，“用芯計算未來”的口號，還能看到成都封裝字樣，但沒有具體型號和規格。
C86應該是代表China x86。
不同於AM4獨立封裝的AMD銳龍，海光采用BGA整合封裝，直接焊接在主板上，無法更換和升級，輔以簡單的6相供電，不過奇怪的是，散熱器安裝孔距並非AMD AM4規格，而是Intel的。
整體板型為mciroATX，供電接口有24針主供電、8針輔助供電和D形大4針輔助供電。還有兩塊電池，一塊顯然是保存BIOS，另一塊未知。
兩條內存插槽位於處理器上方，典型的服務器佈局以方便散熱，另有四個SATA 6Gbps磁盤接口、兩條PCIe 3.0 x16和一條PCIe 3.0 x4擴展插槽。
海光其實也是SoC，為了擴展輸入輸出搭配了一顆Lattice Semiconductor FPGA，提供SATA接口、四組LED指示燈和各種定製接口、插針、按鈕。
集成GPU當然沒有，使用的是服務器上常見的IPMI控制器和ASPEED AST2500芯片，提供簡單的2D圖形輸出。
放上去一顆銳龍處理器，尺寸是完全一樣的。
這是32核心的海光服務器版本，外形尺寸和線程撕裂者、霄龍幾乎一模一樣，也有保護支架，同時表面可以看到7185的型號標識，其他類似桌面版。
服務器整機來自曙光，面向計算和存儲市場，雙路共計64核心，每路支持4塊U.2硬盤、16塊SATA硬盤，內存支持八通道，但本次測試因為一些限制跑的是四通道。
CPU-Z軟件還不支持海光，服務器版直接無法運行，桌面版也只能檢測出極少量信息，比如八個核心、3.2GHz主頻，但奇怪的是，指令集裡顯示有AVX、AVX2、FMA3，但實際測試卻無法用上，至少目前還沒找到能利用的方法。(其實應該用AIDA64檢測的，去年已支持海光。)
四、終於要跑分了
測試中，8核桌面海光搭配Windows 10專業版，雙路32核服務器海光搭配Windows 10企業版，但由於AVX、AVX2指令集不正常，很多測試無法跑，項目有限。
8核海光的性能大致類似6核銳龍5 1600X、8核銳龍7 1800X，但在特定測試中甚至可能還不如4核速龍200GE，比如最後一項GeekBench 4單線程加密性能。
雙路32核海光的表現一團糟，很多時候還不如銳龍7 1800X，當然更沒法和銳龍9 3950X甚至是撕裂者相比，唯一較好的就是更突出整數性能的Corona，可見浮點指令集削減造成的嚴重影響。
五、難得機遇 意義非凡
可能看完跑分，大家會感到非常失望，坦白地說乍一看確實也有點出乎意料，但其實也是合情合理的。
x86 CPU架構作為Intel、AMD兩家美國巨頭的核心資產，是絕對不會輕易外洩的，尤其是Zen這樣非常成功的最新架構，按照一般邏輯我們能拿到手的可能性應該是零，以往想都不敢想，但是在各種因素的促成下，它確確實實到了我們手中。
AMD對海光的架構底層開放程度到底是什麼層次，我們不得而知，但確確實實整套搬了過來，儘管規格上有些縮水但並沒有本質性的削減，而且允許海光自行修改、設計(尤其是敏感的安全加密)，已經足夠我們的科研人員研究很久很久了。
可以說，這是一次空前難得的歷史機遇，可以讓我們一窺最新、最先進的集成電路設計，獲得極為寶貴的經驗，這次的合作模式也值得思考和借鑑。
可能在未來很長時間裡，都不會再有這樣的機會了，至少AMD已經明確表態，後續的Zen 2/3/4等等無意繼續授權給海光。
整體來看，無論是桌面上還是服務器上，海光處理器的性能確實很平淡，畢竟指令集等關鍵特性做了大幅度的削減，對於這麼先進架構的研究、優化也需要時間。
但是海光處理器的意義，絕不是達到多高的性能，而是有了一個全新的開端和突破。對於一些特殊、敏感的行業和領域，目前需要的也不是絕對高性能，而是首先解決有無的問題，解決能用的問題。
而且我們還有兆芯，來自威盛的x86技術，雖然架構技術相對Intel、AMD差了很多，但是在我們手裡的自由度更大，滿足一些特定需求是毫無問題的，甚至已經開始向零售市場滲透。
路，總是要一步一步走的，只要堅持走下去，就有希望，就有未來，更何況，我們的路還不止一條。
閱讀更多 白帽子 的文章
