國產x86 CPU和Intel、AMD還有多少差距
不久前，Intel、AMD、ARM的CPU被國外媒體爆出全部存在漏洞。而「缺芯少魂」一直是中國計算機產業的心病，無論是聯想、神舟、清華同方、華碩、宏基等老牌整機廠，還是華為、小米這些新玩家生產的電腦，電腦中的CPU絕大多數都是Intel或AMD的，國產CPU的使用量可以用微不足道來形容。
雖然走技術引進消化吸收再創新路線開發的CPU未必無懈可擊，比如蘋果基於ARM深度定製的A系列處理器在這次漏洞事件也中招了。但由於可以自己修改內核，在打補丁上會主動一些。日前，上海兆芯發布了其最新一代的x86 CPU。這款CPU能否防禦漏洞還是交給安全人員去評價。今天，我們只說說這款x86 CPU和Intel、AMD還有多少差距？
上海兆芯和KX-5000
上海兆芯集成電路有限公司是成立於2013年的國資控股企業。上海市國資委下屬上海聯和投資有限公司、台灣威盛電子是兩大股東，其中上海聯和投資有限公司出資2億美元，占股80%，威盛電子出資4975萬美元，佔20%。
上海兆芯走的是類似於高鐵技術引進再創新的路子。最初的技術來源是台灣威盛電子，而台灣威盛電子是在收購了美國Cyrix和半人馬半導體等公司後，進而獲得了與x86CPU相關的知識產權，以及一批技術人員。就淵源來看，上海兆芯的x86 CPU技術和一大批技術骨幹是來自台灣威盛電子的，其第一款產品ZX-A也與台灣威盛電子的Nano有千絲萬縷的聯繫。
按照上海兆芯之前發布的PPT，其產品線規劃為：ZX-A、ZX-B、ZX-C、ZX-D、ZX-E。那麼最新發布的KX-5000是怎麼一回事呢？
根據兆芯官方公開的消息，「KX-5000是國內首款支持DDR4，且支持雙通道DDR4內存的國產通用CPU，其里程碑意義格外的顯著」。其中，KX是「開先」的英文縮寫，而「開先」、「開勝」是兆芯麾下的品牌。5000中的5指的是兆芯的第五代國產自主可控通用CPU，後面的三位數字對應的是CPU的主頻、核心數量，以及面向的市場等信息。
雖然同樣屬於開先KX-5000系列處理器，但系列中不同型號的處理器還是有一定的差別的。比如四核版的KX-5000系列處理器的二級緩存為4MB，8核版的二級緩存為8MB。另外，根據實際情況，兆芯還會相應的加入英文字母，比如U特指頂級8核心系列；M特指低功耗系列。
因此，KX-5000並不是一款CPU，而是會呈現出類似於Intel I5 8400、I5 8700、I5 8700k等CPU的系列產品。開先KX-5000系列處理器主要針對的市場是PC整機、嵌入式工控、瘦客戶機等產品。
KX-5000相對於ZX-A有較大進步
在官方報告中，核高基總師魏少軍認為兆芯已經完成技術引進消化吸收的歷程。那麼，相對於最初那款與VIA Nano有千絲萬縷聯繫的ZX-A，KX-5000的性能到底提升了多少呢？
ZX-A是兆芯的第一款CPU，擁有2個核心，主頻1.6G，採用台積電40nm製造工藝。
ZX-B是兆芯的第二款CPU，其設計基本與ZX-A相似，主要區別在於ZX-B使用了境內的40nm工藝。
ZX-C和ZX-C+都是基於前一代產品的修改，最顯著的一個改變就是將ZX-A的雙核修改為四核與八核，以及還針對從VIA引進的內核存在資源冗餘和不均衡的問題做了重新設計。此外，兆芯還重新設計FSB介面和訪存控制單元，並採用了台積電28nm製造工藝，降低了功耗，減少了量產成本，將CPU的主頻從ZX-A的1.6G，提升到ZX-C的2G。
在最新的KX-5000上，兆芯針對ZX-C的短板進行了改進。由於ZX-C延續了VIA原本的前端匯流排，而且將內存控制器集成在橋片里，就使ZX-C的STREAM測試的成績非常一般，而且根據STREAM測試，ZX-C的單線程成績與四線程成績相近，這種現象是不太正常的。
針對這個問題，KX-5000選擇把內存控制器集成到晶元里，並且集成的還是DDR4內存控制器，這樣一來，既彌補了過去把內存控制器集成在橋片裡帶來的不足，又能在商業上有效應對各家內存大廠的DDR3內存條停產的問題。
此外，對KX-5000的CPU內核也做了一定優化。根據兆芯官方宣傳，比如將流水線級數較上一代產品減少了5級，並優化了流水線資源，優化原有預測器演算法，設計了新的亂續執行引擎，減少了投機執行錯誤及對應的性能損失等等。
經過幾代產品的改進，KX-5000與最初的ZX-A相比在性能上有了較大的提升。就以SPEC2006測試來說，ZX-A在採用Ubuntu14.04操作系統，ICC編譯器，主頻為1.6G的情況下，成績為：
SPECint2006：11.3
SPECint_rate2006：20.5
SPECfp2006：12.4
SPECfp_rate2006：18.7
作為對比，KX-5000在採用Ubuntu14.04操作系統，編譯器為ICC，主頻為2.2G的情況下，SPEC2006測試成績為：
Specint2006：20.4
Specintrate2006：63.3
Specfp2006：23
Specfprate2006：47.6
單線程的性能提升主要得益於主頻的提升，以及將DDR4內存控制器集成進SoC，增加緩存和對CPU內核的修改。而多線程性能的提升一方面得益於核心數量的提升，另一方面也得益於單線程性能的提升。
從測試成績上來看，從ZX-A到KX-5000，裸CPU性能的提升是比較明顯的。
與Intel、AMD差距還有多少
總的來說，KX-5000相對於兆芯以往的產品，具有更高的集成度。將北橋、GPU、DDR4內存控制器等都集成到SoC中，實現了從「CPU+橋片」到「SOC+IO擴展」的轉變，而且還支持了DDR4、PCIE 3.0、SATA3.2、USB 3.1 Gen2（Type-C）等標準，在國內CPU公司中還是第一個，因而非常具有國際范。
把視野放到國際舞台，如果那Intel和AMD做對比，KX-5000的性能究竟怎麼樣呢？
我們就以Intel公司的I5-6500作為參照。由於KX-5000在測試中跑的是Ubuntu14.04操作系統，而I5-6500跑的是Windows操作系統，因而這個成績僅供參考。
從成績上看，KX-5000的Specint2006為20.4，而I5-6500的Spec int2006成績為62.7；KX-5000的Spec fp2006為23，而Spec int2006成績為60.9。通過對比，就單線程性能而言，KX-5000大致相當於I5-6500的三分之一。
差距在哪呢？
首先看主頻，KX-5000的主頻為2.1G-2.2G，根據兆芯官方介紹，睿頻可以到2.4G。誠然，就這個主頻而言，在採用28nm工藝的國產CPU中，確實是很不錯了，畢竟在採用28nm製造工藝的國產CPU中，鮮有主頻超過2G的。但和Intel一比，這個主頻就顯得偏低了一些。Intel的CPU很多主頻都在3.5G以上。
其次看CPU內核，由於兆芯的性能提升主要得益於通過物理設計提升主頻，採用更好的製造工藝，將內存控制器等集成到SoC中等措施，在內核上所做的修改還談不上脫胎換骨的大換血，並沒有實現類似於AMD從「打樁機」到Zen的提升和飛躍，不要說Intel的Skylake、Kabylake、AMD的Zen差距較大，即便是和AMD的「打樁機」和Intel的Nehalem相比也有一定差距。
總而言之，要想追趕Intel和AMD，首先是要提升主頻，其次是對內核進行大刀闊斧的修改，爭取實現跨越式發展。
根據兆芯的官方宣傳，下一代的產品KX-6000將採用16nm工藝，同時探索高頻下的設計流程，包括從pcb/substrate/power plan，看PI/SI的問題，高頻時序收斂的問題，並爭取把主頻做的更高。
至於能夠實現跨越式發展的新內核，則有可能在KX-7000上出現。對這款新內核的性能，兆芯官方宣傳里定了非常高的目標——希望可以達到AMD同期水平。由於這個技術跨越的難度比較高，要想實現這個目標，恐怕有一段路要走。
結語
在文章最後，讓我們用國家核高基專項技術總師、清華大學微電子所所長魏少軍教授在兆芯的發布會上的發言做總結：「CPU是（核高基）01專項的重中之重，如果無法實現突破，就意味著核高基專項大打折扣......取得現在的成績，一方面與課題承擔單位的不懈努力密切相關，也離不開專家、領導的關心......圍繞CPU打造完整的產業鏈，通過應用牽引、整機帶動、軟硬結合的戰略，找到一條具有中國特色的發展之路至關重要」。
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