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一文读懂申威通用处理器发展简史 2022-09-15 11:53:58 来源：自主可控新鲜事 评论：0 点击：693 申威从2003年开始逐步建立起了全流程自主安全技术体系，并培养了一支技术全面的本土化设计队伍，在处理器研制、生态建设、技术服务、产业推广等方面取得长足发展。突破处理器架构和微结构关键技术，聚焦“威鑫3231”服务器处理器和“威焱831”终端处理器应用推广，建成申威产业发展联盟、申威社区、适配基地、技术服务中心，大力推进处理器在党政、行业、关键基础设施等领域的规模化应用，总体产业和生态建设取得快速发展。十四五期间申威也将继续坚持走自主创新之路，不断实现技术突破，在信息技术自主创新上取得突破。 关键字：自主发展，高性能，高安全
概述 申威作为核心处理器国内六大自主技术路线之一，历经二十载的潜心打磨，形成了成熟的处理器、指令集、微架构研发设计技术能力体系，建立了覆盖全行业、全领域完备的产业链、生态链、供应链，是国内信创产业重要的生力军。
经过多年的努力，申威通用处理器产业生态环境渐成规模，实现了包含基础固件、操作系统、编译器工具链以及应用软件在内的，较为完整的全自主基础软件架构，具有与主流标准兼容、可扩展、可移植、高性能、高可靠等特点，有力的支撑了申威处理器平台的产业化发展。目前申威已在产业链的核心层面实现了自主可控，从整体上打造全产业链的自主和安全。随着申威处理器的不断演进，产品性能成倍增长，软件生态、整机谱系不断丰富，在金融、证券等多个行业领域已有重大开拓，在极端条件下可完全自主持续发展，持续服务国家重要行业和党政信息系统。
申威处理器发展历程 一、申威通用处理器的萌芽期
2002年，党和国家领导人从国家科技发展战略高度，决策研制国产处理器。申威的发展之路正是始于此，2003年第一代申威处理器完全兼容ALPHA指令，所有功能实现均独立完成，这为申威处理器的自主设计、自主发展奠定了坚实基础。在第二代申威处理器研发过程中，已经不再参考、兼容ALPHA相关指令系统，根据应用需要，自主设计实现指令系统，同时基于此构建了申威自主基础软件生态。通过三代芯片的研发，申威64指令集系统完全可以自主发展，并在不断的应用过程中发展完善。
申威64指令集系统已经由知识产权机构评估，指令格式、操作码和功能码、助记符、数据类型、寄存器、寻址模式是与ALPHA，MIPS,PowerPC，Intel X86，ARM不同的自主指令系统。
2006年，申威团队完成第一代处理器“申威-1”单核处理器的研制，实现了与工艺的协同设计与优化，实测工作频率最高可达1.25GHz，是当时频率最高的国产处理器，峰值速度5GFlops，SPEC2000整数分值440，浮点分值806，实现了申威处理器自主研发零的突破。
二、申威通用处理器的起步期
2010开始，针对信息系统自主可控需求，申威团队开始研发以服务器处理器为核心的申威通用处理器。经过多年艰苦攻关，第二代处理器“申威1600”多核处理器在国家重大项目支持下研制成功，申威推出世界上首款实用的16核处理器，晶体管数量超过6亿只，实测核心工作频率1.1GHz，峰值速度140.8GFlops，达到国际主流商用处理器水平。
2012年第一代服务器处理器芯片研发完成，包括16核的“申威1610”和4核的“申威410”；2016年完成第二代服务器处理器芯片研发，包括16核的“申威1621”和4核的“申威421/411”。相较于第一代产品，第二代产品在单核性能方面实现了大幅提升，单核Spec2006分值从6.3分提升到了12分，16核性能也实现了倍增，达到了121分。
1.申威1610：集成了16个第二代增强型申威核心（Core2A），4路128位DDR3-1333存储控制器和2个8链路的PCIe2.0标准接口，核心工作频率1.4—1.6GHz，浮点峰值性能为204.8GFlops@1.6GHz。主要面向计算型服务器和网络安全产品；
2.申威410：为申威1610的精简版芯片，支持4个Core2A核心和1路128位DDR3-1333存储控制器及2个8链路的PCIe2.0标准接口。主要用于低端存储型服务器和桌面以及便携式计算机，与“申威1610”形成高低搭配；
3.申威411：申威410改进产品，支持4个新一代申威核心（Core3）和1路128位DDR3-1333存储控制器及2个8链路的PCIe2.0 IO接口；
4.申威1621：申威1610升级产品，集成了16个第三代增强型申威核心（Core3A），支持32MB大容量共享三级Cache、8路64位DDR3-1600存储控制器和2个8链路的PCIe3.0标准接口，核心工作频率1.6~2.0GHz，浮点峰值性能为512GFlops@2GHz；
5.申威421：申威410/411升级产品，为申威1621的精简版芯片，支持4个Core3A核心和2路64位DDR3-1600存储控制器及2个8链路的PCIe2.0标准接口。
三、申威通用处理器的发展期
- 通用处理器产品研发
经过近二十年的发展，申威团队开展四代十几款处理器芯片的研发。目前，申威系列产品包含四大类别：服务器处理器、终端处理器、嵌入式处理器以及国产IO套片。服务器处理器主打高性能、高能效比，主要面向服务器应用；终端处理器面向桌面、工控应用，计算、访存和IO均衡设计；嵌入式处理器采用低功耗设计，IO接口丰富，主要面向中高端嵌入式应用；IO套片接口丰富，具有高可扩展性，与申威处理器配套应用。
2020年，服务器处理器最新产品——“威鑫3231”面世。该款产品为32核设计，主频2.0-2.5GHz，功耗低，封装热阻低，支持动态功耗管控，支持单路、双路和四路直连。相比上一代16核CPU申威1621（仅支持单路），性能提升2倍以上，功耗持平。四路服务器系统最大主存容量达2-8TB、PCIe 4.0链路160条。
2021年，终端处理器最新产品——“威焱831”发布。该款产品为8核设计，主频2.5-3.0GHz，支持片上主动安全机制，实现计算与安全管理分离和I/O的管控，支持ECC主存和最大256GB主存容量。该产品除用于桌面、网络安全、工业控制外，还可构建低成本服务器。相比上一代4核心CPU申威421，在功耗相当的前提下，性能提升了两倍以上。
- 市场推广实体建立
为更好推进申威处理器的技术迭代发展、生态和产业链建设、产品产业化应用，2019年中电科申泰信息科技有限公司成立，以自主和可持续发展为使命，目标是研制“国内卓越、世界一流”处理器，探索出一条全自主处理器、生态建设的可持续发展之路，为党和国家网信事业自主创新奠定基石。
- 产业生态建设
2021年，在基础软件方面，申威基于“威鑫3231”及“威焱831”，已经完成了百余款基础软件的研发，包含工具、运行时、编译器、支撑语言、操作系统支撑、硬件系统等方面，具有与主流标准兼容、可扩展、可移植、高性能、高可靠等特点，有力地支撑了申威处理器平台的产业化发展，目前已经能够较好满足服务器、数据中心、桌面终端等应用场景对于软件生态的需求。
生态产品方面，申威已经完成了上千款软硬件的适配工作，产品涵盖了虚拟化组件、大数据组件、云平台、人工智能、安全防护外设等类别，弥补了申威平台行业空白；联合联盟厂商及生态链伙伴，集合优势业务和申威特点，提炼并构建大数据应用及平台，存储数据库固件、安全及整机等各个方向共54个解决方案，大批重量级平台应用也已经开展适配工作。
- 技术服务体系支撑
申威的技术服务保障体系依靠技术服务中心作为重要支撑，技术服务中心提供申威适配支持、体验展示、产品测试、技术培训等各类服务，包括整机参考设计、固件定制服务、软件开发移植及优化支持、线上线下定制培训等各类保障工作，同时积极推进软硬件适配成果互认证，邀请合作厂商共同制定标准。
申威社区同时也是申威保障体系的重要内容，目前社区已上线运行，是提供学习交流、技术支持、资源下载、双创活动等服务的重要平台，为生态伙伴和申威用户提供咨询、培训及技术支持响应。
适配认证方面，目前已建成无锡及北京适配基地，无锡总部具有3000平米的开放环境，侧重芯片和基础软件的适配工作，已累计服务了200+厂商，进行了220+轮次的核心软件验证，解决了1100+问题。北京适配基地主要侧重应用软件适配、集成验证以及解决方案演示。另外，申威还建成线上适配环境，能够同时为500个以上在线用户提供远程适配验证服务。
“十四五”发展规划 申威产品发展规划
“十四五”期间申威技术发展总体思路为坚持“自主指令集架构”、“性能”以及“安全”，贯彻全面融合的发展理念。在大数据、云计算技术方面，专注于开展自主指令集架构、高性能申威核心、高扩展申威芯片研究工作；在存算一体新型计算技术研究方面，研究新型工艺（MRAM等）、晶圆级芯片；在新产品研制方面，以服务器CPU为主，兼顾终端/嵌入式CPU及外围配套产品，目标每年推出一款新产品。
1.微结构
第四代核心微结构采用Core4，处理器架构采用MESH网，将陆续在此基础上推出64核-8A、4-16核-4E等处理器产品。Core4核心采用超标量流水线结构，支持乱序发射、乱序执行、推测执行，并首次采用SMT技术，支持每个核心同时运行两个线程，单位频率下SPEC CPU 2006分值超过10分（/GHz），单核心性能大幅度提升，将在申威下一代桌面处理器和服务器处理器中应用。
图片图1 服务器与终端产品路线
2.服务器与终端处理器产品
基于Core4核心，2022年将研制并发布申威8A服务器处理器，64核，支持多路多线程；2023年研制申威4E终端处理器，4-16核，双线程。2023年同步对Core4核心进行优化，2024年研制申威8B服务器处理器，64核，整机1024线程；2025年研制申威4F终端处理器，4-16核，双线程，支持5G的云化桌面。其中，申威下一代服务器处理器产品——申威8A，采用64个CORE4核心，支持2-4路扩展，集成8路DDR4-3200存控，支持2TB内存，集成安全管控模块、密码协处理器，全面支持SM2/3/4国密算法，单芯片SPEC 2006分值达到1000+分。
3.嵌入式处理器产品
基于“申威64”自主指令集、核心微结构，十四五将同步开展“太湖”嵌入式处理器核心的研究。目前已经完成第一代“太湖”嵌入式CPU IP核研制，配套硬件开发环境、编译器、操作系统已齐备，软件与“申威64”指令集兼容。按照性能和功耗两个不同目标，十四五将陆续形成太湖-1、太湖-2、太湖-3三个系列产品，分别应对低功耗应用需求、性能功耗均衡应用需求和高性能应用需求。
申威产业发展规划
申威处理器产业化必须和整机、软件以及应用厂商保持紧密的合作关系，将芯片-整机-应用的产业链打通，并做好芯片供应及技术支持等保障工作。十四五期间，申威处理器需要做强供应链，与供应商共同成长，保障伙伴取得合理的收益，一起收获胜利的果实。
产业化推广具体措施包括：聚焦产业发展领域、扩大营销服务团队建设、制定合理的产业营销政策以及持续优化供应链，尤其是制定具有吸引力的产业政策。申威目前还处于初步发展阶段，愿意主动参与申威生态建设和推广申威路线的合作伙伴相对较少，更多的需要从利益方面给予激励，申威需要更加的开放共享共赢理念，创新产业政策，如设立专项基金，用于吸引、扶持、鼓励合作伙伴等。比如，对于开发申威应用方案的单位给予补贴。设立方案评审专家组，对具有推广落地机会的方案进行评审，给与专项补贴；对于举办申威产品推广的会议和建设申威路线产品的展厅进行支持，加大申威影响力，也能吸引更多单位参与申威路线；参与研制新型号的单位，申威会主动深入提供技术支持，提升合作方的开发意愿，降低研发成本，促使申威生态圈的产品开发者增多，丰富申威路线的产品图谱，增强目录申威产品的选择空间，扩大申威市场领域。
申威生态发展规划
申威生态建设的总体目标可以分解为五个数量级的具体目标：一套保障体系、百款基础软件、千级联盟厂商、万级开发者以及十万级的生态产品。
具体而言，申威目标构建一套包括申威社区、适配基地、认证中心、研测平台在内的生态保障体系；自研基础软件栈与国内主流处理器平台的基于开源的基础软件栈相当，全面支持业界主流开发语言、开发框架；联合软硬件厂商，培育万级申威开发者，适配主流应用软件及外设，软件仓库包数量与国内主流处理器平台相当；解决方案覆盖信创及重点行业典型应用需求。
申威生态建设通过四项重要计划保障：
“申基”计划：主要夯实软件基础能力；
“星火”计划：主要吸引高校和中小技术团队参与申威生态、壮大开发者群体；
“凌云”计划：主要支持申威解决方案开发，促进申威试点推广；
“开放”计划：主要促进申威代码逐步开源，扩大生态圈。
申威生态建设阶段性目标：
1.2021年为快速补短阶段，重点补充完善申威急需的基础软件、生态软件、应用示范和保障条件，解决能用问题；
2.2022年为丰富完善阶段，深入进行生态软件适配移植、拓展应用示范，解决好用问题；
3.到2023年，完成100款核心软件研发、5000款应用软件适配、500款解决方案与示范应用建设，形成开放兼容、谱系完整、稳定高效的生态软件体系，满足自主可控领域需求。
申威与金融信创 当前国产化全面替代的大背景下，申威立足自身技术进步，紧盯行业信创特点，突出申威可持续迭代发展、产品内生安全的优势，为金融行业的自主创新做力所能及的贡献。
金融行业信创主要发力点聚焦在包括金融机具、办公系统、一般业务系统和核心业务系统等四个方向，其中又以金融机具、渠道业务、数字化营销、金融风险管理、内部运营支持、核心业务等七大场景最具代表性，面向上述应用场景打造基于申威技术路线的解决方案是我们现阶段的重点工作方向。
金融行业国产化替代关键技术由芯片、操作系统、整机、中间件、数据库、安全等部分组成，又以金融云、大数据、分布式、5G、AI、区块链等技术呈现，贯穿“硬件-软件-服务”的完整链条。基于申威产品生态的金融IaaS和PaaS平台已经成型；基于申威处理器平台与数据库、中间件的组合完全可以满足金融领域各类系统的需求。
申威平台应用迁移
随着信创进程的加快，申威积极参与金融项目建设，与国产操作系统、数据库、中间件、金融云、分布式存储、办公系统、AI系统等厂家进行了积极有效的适配工作，共同打造基于申威平台的金融行业解决方案。并且对原有系统移植到申威平台提供技术支持。
应用迁移分软件移植与语言移植：
1）开源软件移植可以下载源码进行重新编译，当有依赖组件时，可以获取申威包或获取源码重新编译；如果是闭源组件则需要升级替换申威版本或替换类似组件库。
2）自研软件迁移一般需要对开发语言进行重新编译。开发语言包括编译型语言和解释型语言，编译型语言包括C/C++/GO等语言，这类型语言迁移到申威平台必须经过重新编译才能够运行；解释型语言包括Java/Python/PHP等跨平台语言，解释型语言一般不需要重新编译，所以无需修改（或少量修改代码）就可以直接运行在基于申威CPU的操作系统之上。
金融行业办公解决方案
随着我国金融系统业务不断发展、影响力不断增强、分支机构不断增加，原有的办公系统已经无法满足高并发量访问、快速部署的需求。同时，由于国家对金融行业的信息化系统的安全、自主、可控提出了新的要求，办公系统作为核心办公系统与管理系统，在首批被改造的系统名单中。但是，金融机构与传统行业不同，对于办公系统的性能、安全、技术架构、系统集成等多个方面有更高要求。
申威积极参与金融行业办公系统升级，通过与OA、邮件系统等厂家开展产品适配、技术论证、安全优化及性能调优，并且结合云计算、微服务、分布式存储、分布式数据库、中间件等先进技术，共同打造功能全面、兼容适配、高效协同、弹性伸缩、灵活扩展、体验友好、可靠安全的全国产化办公平台。同时，申威作为国产CPU平台，能够做到真正的自主可控，为金融行业的信息安全打下坚实的基础。
图片图2 金融行业办公解决方案适配
远程智慧金融解决方案
随着金融数字化进程的不断推进，互联网金融所带来的业态冲击不可小觑。在万物互联的5G时代，用户也更加青睐便捷易得、深入场景的线上金融服务。与此同时，2020年，在疫情“黑天鹅”的影响下，“非接触式”金融服务将走向常态化。在此背景下，基于视频融合的远程智慧金融应用出现，旨在整合线上线下渠道，建设远程服务能力平台，为金融业务的智慧化运营提供条件，最终建立以远程化和智能化为核心的全新金融行业务运营模式。
远程智慧金融将充分结合和应用人脸识别、5G、VR/AR、远程协作等新技术手段，通过将传统的呼叫中心升级，构建标准视频中台，引导传统营业厅向营销型、多元化、富媒体方向转变。
申威通过联合远程智慧金融平台，共同实现基于申威底座的整体解决方案。该方案采用完全开放的架构，使用基于申威CPU平台的服务器、存储和网络，以及国产化操作系统、视频会议系统、云电脑等，可快速完成云上部署、提供专业化、便捷化的远程服务，解决金融客户无法直达营业厅办理相关业务的难题，助力智慧金融的应用。
通过对视频资源进行运化整合，打造统一的视频中台。对常见的视频协同、视频辅助、视频审核、视频分析、视频营销等能力进行整合；提供标准化的接口供第三方应用调用，实现系统的整体架构标准化和规范化。同时，通过统一的资源管理、平台实时监控，实现系统的集约化、安全化运行，大大减少了系统的维护工作量，保障了金融业务的平稳有序运行。
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图3 远程智慧金融解决方案适配
金融AI应用解决方案
随着全球经济化不断扩展，金融创新的广度和深度不断扩展，面对金融竞争的加剧、客户行为习惯的改变、监管的日益严厉，所有金融机构正大力加速智慧金融的转型，通过人工智能技术来提升客户体验、降本增效、加强风控，从而推动业务的不断创新。
以深度学习为代表的人工智能技术，包括计算机视觉与图像识别、语音识别、自然语言处理、文本分析、智能搜索引擎、智能语音助手等技术越来越广泛的应用于金融等行业，比如智能客服、无人柜台、智能投顾、智能反欺诈等，共同推动了金融行业从传统的操作模式逐步向智能化时代演进。
比如，一个传统的贷款业务可能需要2-3天来审批，而一个基于人工智能模型的自动审批方案可能只需要几秒钟就可以完成。同时有些传统风控模型的迭代周期可能要数个月甚至数年，但是人工智能的模型迭代可以非常便捷和自动。
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图4 金融AI应用解决方案适配
基于申威服务器平台的金融云+AI智能解决方案，从端到云集成了国产CPU平台、AI加速卡、操作系统、数据库和中间件，可以提供自主创新的全国产化解决方案。
目前，申威已经和国内众多的AI厂商和金融机构建立了合作关系，以全栈开放的云架构为基础，坚持国产化路线，通过生物识别、图像检索、数据挖掘等能力，帮助金融机构实现智慧金融的落地和实践。
总结 申威作为我国服务器和终端处理器产业的核心力量之一，不忘初心，牢记使命，坚持国产处理器自主创新道路。基于申威处理器，通过申威生态体系构建、示范应用和批量部署，逐步形成面向重要应用的谱系化产品、生态体系、解决方案，形成申威处理器产业发展良好局面，在信息化领域摆脱长期以来对欧美产品依赖，破除欧美技术壁垒，为国家长远信息安全保驾护航，为实现国家自主安全战略目标做出贡献。