龙芯

龙芯（英語：Loongson，舊稱Godson^[1]）是由中国科学院计算技术研究所、龙芯中科、神州龙芯等机构、公司所设计的一系列各种芯片（包括通用中央處理器、SoC、微控制器、芯片组等），採用MIPS、LoongISA、LoongArch精简指令集架構，由MIPS科技公司授權使用MIPS指令集^[2]。龙芯1号系列为嵌入式领域芯片，已经被多家企业使用。龙芯2号系列速度最高為1GHz，用于客户端、工控等低中端领域。龙芯3号系列于2010年推出成品，用于桌面、服务器、超算、工控等领域。

龙芯

產品化	2002年9月28日，​20年前​（2002-09-28）
推出公司	龙芯中科 航天龙梦 神州龙芯
生产商	意法半导体 中芯国际 台积电
微架構	GS132 GS232 GS264 GS464 GS464E GS464V
指令集架構	MIPS II MIPS III MIPS64 LoongISA LoongArch
制作工艺/製程	180 nm 至 12 nm
核心数量	1-8
CPU主频范围	8 MHz 至 2.0 GHz
HyperTransport速率	800 MHz 至 2.4 GHz
應用平台	桌面、服务器、超级计算机、工控机、嵌入式、教育應用計算機、航天

芯片

龙芯从其架构核心构建了3个处理器系列^[3]。这些包括^[3]：

• 龙芯一号，用于消费电子和嵌入式应用。
• 龙芯二号，用于嵌入式应用和低性能个人计算机的单核处理器^{[note 1]}。
• 龙芯三号，用于高性能计算机、高性能计算和服务器的多核处理器^{[note 2]}。

龙芯一号

主条目：龙芯一号

龙芯一号于2000年开始研制，2001年8月19日龙芯一号逻辑设计在FPGA平台上运行起来。这一天被定为龙芯的生日。2002年9月28日正式发布投产成功。龙芯一号整体的性能低于Intel奔腾II。^[4]为了纪念胡伟武的导师夏培肃从事计算机事业50周年，龙芯一号被命名为“夏50”。^[5]

考虑到专利授权原因，这一代的龙芯没有实现MIPS的四个不对齐内存访问指令（US4814976A）。2007年后，龙芯正式购买了MIPS授权，才解决了这一问题。

龙芯1号系列

2010年4月，中国科学院与北京市共同组建的龙芯中科有限公司在中关村环保园建立了龙芯产业园。公司成立后，龙芯调查市场，重新建立了低端嵌入式产品线——龙芯1号。

2011年左右，龙芯中科研发了一款面向嵌入式市场的处理器龙芯1A。于2012年提供产品，可作为龙芯其他处理器的桥片。龙芯1B在嵌入式处理器研发上继续做减法，于2011年流片成功，先于龙芯1A，这是龙芯中科第一次从全系统的角度来考虑降低成本的芯片。

此后龙芯中科于2013年针对指纹生物识别应用推出了龙芯1C，2018年针对超人智能锁研发了1C101芯片。2014年龙芯与三川智慧合作，为智能水表、气表、量热表定制的一款超声波计量专用芯片龙芯1D。

龙芯1G是用于苏州上声音响的一款音响专用芯片。2015年新研的龙芯1H芯片针对石油钻探领域随钻测井应用设计，设计目标是175摄氏度超高温工作条件下的长时间可靠运行。于2017年4月发布。目前，龙芯1H已经在长庆油田得到了应用。

除此之外，1号系列中还有1E、1F系列的龙芯航天专用抗辐照处理器、1J抗辐照单片机芯片。^[6]。

龙芯2号系列

主条目：龙芯2号系列

龍芯2號系列最初的版本是用0.13微米製程技術，均为64位处理器，早期的型号是4发射乱序执行的64位GS464系列微架构，后来新出的处理器升级为采用GS464E微架构。龙芯2K1000处理器是集成双发射乱序执行的GS264微架构的64位双核处理器。

龙芯3号系列

主条目：龙芯3号系列

龙芯3号处理器开始进行了多核处理器架构设计^[7]，均为64位多核处理器。

龙芯桥片系列

龙芯7A1000

龙芯7A1000桥片是龙芯3号处理器的第一款芯片组产品，目标是替代AMD RS780(E)+SB710 芯片组，为龙芯处理器提供南北桥功能。

 

龙芯7A1000桥片正面照，集成在搭载3A3000的主板上

龙芯3A4000将不再采用AMD的RS780芯片组，而采用龙芯7A1000作为桥片，避免在桥片的选择上受制于AMD。

龙芯7A2000

作为龙芯下一代芯片的配套桥片，龙芯7A2000是龙芯7A1000的升级版。相对于7A1000，7A2000的PCIe控制器代码龙芯计划自己编写，且为PCIe Gen3。采用的28nm工艺，GPU为自研GPU。

从未公布的隐藏处理器

除了龙芯1号、2号、3号三个系列的处理器，在龙芯的发展过程中还开发了一些实验型的处理器，并没有量产，有些甚至没有流片。

龙芯处理器在发展过程中，一度想要用做超算处理器，开发一款64核的众核处理器，命名为Godson-T。Godson-T由计算所先进微系统研究组研发，2008年已经在进行RTL验证在2008年12月开始RTL代码编写。2010年5月，GodSon-T的原型芯片16核GodSon-TI交付流片，采用130纳米工艺。2010年10月17日，调试成功。由于龙芯将研发重点重新转向提高处理器单核性能，Godson-T处理器研发中止。^[8]

为了实现对现有生态的兼容，龙芯3A系列实现了针对x86指令和arm指令的二进制翻译指令。在研发过程中，由于知识产权和专利等原因而无法使用x86指令集，龙芯开发了使用x86指令集的处理器原型Godson-X。它与x86兼容，并支持英特尔MMX 指令，SSE指令集和x87浮点指令。^[8]

中科龙梦（现更名为航天龙梦）使用早期的龙芯1号的IP核，开发了龙梦一号SOC，用于税控机（Fiscalcontroller register）。^[8]该税控 SoC 专用芯片以“龙芯1”处理器核作为MCU，采用AHB（the Advanced High performance Bus）＋APB（the Advanced Peripheral Bus）为片上总线。 ^{[9] [10]}

此外，还有神州龙芯根据龙芯2号设计的一款SOC芯片GS32I。^[8]

核心

龙芯有三大系列处理器核心，其中一些可用作IP核心^[11]：

• GS1xx:基本的嵌入式MIPS32内核和硬件分割器。3- (GS132)或者5- (GS132E)级管线。
• GS2xx:高端嵌入式MIPS32（GS232/GS232E）或MIPS64（GS264）内核。
  • GS232:具有最大500 MHz的5级流水线。L1＝16KB。GS 232主要用于龙芯一号产品。
  • GS232E/GS264:具有最大1000 MHz的10级流水线。L1=16 KB，L2=4 MB共享。这个核心有故障问题。
• GS464:具有四路超标量问题的MIPS64内核^[12]。该设计源自龙芯2F处理器^[13]。它首先广泛用于龙芯3A处理器，然后也用于龙芯2系列^[12]。
  • GS464:支持MIPS64 R2+LongMMI（2E和2F两种不同版本）
  • GS464V:2010年首次与龙芯3B一起推出，是一款具有矢量功能的GS464。
  • GS464E:这个是GS464的改进版本^[14]。在发现GS464处理器存在缺陷后，开发工作于2012年开始^[13]。核心有多项改进，包括更大的缓存和更好的分支预测等，并且得到了更好的优化^[13]。核心被扩展为支持LoongISA（除了MIPS64 R2架构之外）^[14]。
  • GS464EV:是GS464系列的发展，首次在3A4000处理器被使用。
  • LA464:是GS464的开发，以支持LoongArch。虽然3A5000的初始核心是GS464，但由于指令集不兼容，龙在2021的文档中将3A5000核心重命名为LA464。

所有龙芯核心都是字节顺序。

有网站论坛注意到，龙芯微架构的命名不一致，不同的产品都有相同的处理器内核，尽管指令集可能不完全兼容。

芯片基本信息

系列	型號	頻率 （MHz）	指令集架构	微架構	推出年份	核心數目	製程 （nm）	晶體管 （百万）	裸晶面积 （mm²）	功耗 （W）	電壓 （V）	缓存^[註 1]（KiB）				峰值浮点性能 （GFLOPS）	SPEC 2000 分数				SPEC 2006 分数				备注
												一级（单核）		二级^[註 2] (victim cache/共享)	三级 (共享)		单核		多核		单核		多核
												数据(L1i)	指令(L1d)				int	fp	int	fp	int	fp	int	fp
Godson	1	266	MIPS-II 32-bit	不適用	2001	1	180	22	71.4	1.0	未知	8	8	不適用	不適用	0.6	19/25		不适用		不适用		不适用		^[5]^[4]
	FCR_SOC	266	MIPS-II 32-bit	不適用	2007	1	180	未知	未知	未知	未知	8	8	不適用	不適用	0.6	不适用				不适用		不适用		^[9]^[10]
	2B	250	MIPS-III 64-bit	不適用	2003	1	180	未知	未知	未知	未知	32	32	不適用	不適用	未知	52	58	不适用		不适用		不适用
	2C	450	MIPS-III 64-bit	不適用	2004	1	180	13.5	41.5	未知	未知	64	64	不適用	不適用	未知	159	114	不适用		不适用		不适用
	2E	1000	MIPS-III 64-bit	GS464 (r1)（原型）	2006	1	90	47	36	7	1.2	64	64	512	不適用	未知	503	503	不适用		不适用		不适用
龍芯1	1A	300	MIPS32	GS232	2010	1	130	22	71.4	1.0	未知	16	16	不適用	不適用	0.6	未知		未知		未知		未知		^[15]
	1B	266	MIPS32	GS232	2010	1	130	13.3	28	0.6	未知	8	8	不適用	不適用	未知	未知		未知		未知		未知		^[16]
	1C	300	MIPS32	GS232	2013	1	130	11.1	28.3	0.5	未知	16	16	不適用	不適用	未知	未知		未知		未知		未知		^[17]
	1C101	8	MIPS32	GS132R	2018	1	130	未知	未知	未知	未知	不適用	不適用	不適用	不適用	未知	未知		未知		未知		未知		^[18]
	1D	8	MIPS32	GS132	2014	1	130	1	6	3 × 10^−5	未知	不適用	不適用	不適用	不適用	未知	未知		未知		未知		未知		^[19]
龍芯2	2F	1200	MIPS-III 64-bit	GS464 (r1)	2007	1	90	51	43	5	1.2	64	64	512	不適用	3.2	未知		未知		未知		未知		^[20]
	2G	1000	MIPS64	GS464 (r2)	2012	1	65	未知	未知	未知	1.15	64	64	4096	不適用	未知	未知		未知		未知		未知		^[21]
	2GP	800	MIPS64	GS464 (r2)	2013	1	65	82	65.7	8	1.15	64	64	1024	不適用	3.2	未知		未知		未知		未知
	2I
	2H	1000	MIPS64	GS464 (r2)	2012	1	65	152	117	5	1.15	64	64	512	不適用	4	未知		未知		未知		未知
	2K1000	1000	MIPS64 Release 2 LoongISA1.0	GS264	2017	2	40	1900	79	5	1.1	32	32	2562	1024	8	未知		未知		未知		未知		^[22]
龍芯3	3A1000	1000	MIPS64 Release 2	GS464 (r2)	2009	4	65	425	174.5	10	1.15	64	64	256x4	不適用	16	不适用		568	788	不适用		2.4	2.3	^[23]
	3B1000	1000	MIPS64 Release 2	GS464v	2010	4+4	65	>600	未知	20	1.15	64	64	128x8	不適用	128	未知		未知		未知		未知		^[24]
	3B1500	1200–1500	MIPS64 Release 2	GS464v	2012	4+4	32	1140	142.5	30（典型） 60（向量）	1.15–1.25	64	64	128x8	8192	150	未知		未知		未知		未知
	3A1500-I	800–1000	MIPS64 Release 2 LoongISA1.0	GS464E	2015	4	40	621	202.3	15	1.15–1.25	64	64	256x4	4096	16	未知		未知		6		未知		^[25]
	3A2000
	3B2000
	3A3000	1500	MIPS64 Release 2 LoongISA1.0	GS464E	2016	4	28	>1200	155.78	30	1.15–1.25	64	64	256x4	8192	24	未知		1100	1700	11	10	36	33	^[26]^[27]
	3B3000
	3A4000	1800-2000	MIPS64 Release 5 LoongISA 2.0	GS464EV(GS464v)	2019	4	12	未知	未知	<30W@1.5GHz <40W@1.8GHz <50W@2.0GHz	0.95-1.25	64	64	256x4	8192	128	21.1	21.2	61.7	58.1	未知		未知		^[28]
	3B4000					4	14	未知	未知		0.95-1.25
	3A5000	2300-2500	LoongArch	GS464V	2021	4	12/14	未知	未知	35W@2.5GHz	未知	64	64	256x4	16384	160	26.6	未知	80	未知	未知		未知		^[29]
	3B5000							未知	未知		未知
	3C5000L	2200	LoongArch	GS464V	2021	16	12/14	未知	未知	150W@2.2GHz	未知	64	64	256x16	16384x4	560	未知								^[30]
	3C5000L-LL	2000	LoongArch	GS464V	2021	16	12/14	未知	未知	125W@2.0GHz	未知	64	64	256x16	16384x4	512	未知
	3D5000	2000	LoongArch	GS464V	2023	32	12/14	未知	未知	160W@2.0GHz	未知	64	64	256x32	65536	1024	未知								^[31]
	3A6000	2500	LoongArch	LA664	2023	4	未知	未知	未知	未知	未知						未知				43.1	54.6	155	140

1. 龙芯一般把最高层级缓存(LLC)称为 Shard-cache 或 Secondary-cache。
2. 这里的 victim cache 可以认同为和 L1i/L1d 为同一级的，也就是说，龙芯官方宣称的二级缓存可以理解为和一级缓存为同一级缓存，官方宣称的三级共享缓存才是二级缓存(Shared-cache/Secondary-cahce)。

软件生态

 

3A4000處理器於2020年產的一塊主板上

操作系统

目前能在龙芯上使用的操作系统有：

Linux

参见：Linux发行版比较 § 架构支持

• Android
• AOSC OS
• Arch Linux
• LFS
• Debian
• 深度操作系统 （Deepin）
• Fedora
• Gentoo
• gNewSense
• 紅旗Linux
• Loongnix
• Loonux
• Mandriva Linux
• Parabola GNU/Linux-libre
• 普华 Linux
• 统一操作系统（UOS）

BSD

• FreeBSD
• NetBSD
• OpenBSD

实时操作系统(RTOS)

• LoongOS
• LoongWorks
• 锐华嵌入式实时操作系统 ReWorks
• RT-Thread
• VxWorks
• Windows CE
• 翼辉 SylixOS 实时操作系统

编译器

GNU编译器套装是龙芯平台上软件开发的主要编译器。^[32][33]同时中国科学院计算技术研究所也为龙芯2平台移植了Open64。^[34]

开源社区

基于龙芯的产品已经成为Debian和Golang语言的MIPS架構编译服务器。在2019年，龙芯是唯一在市场零售的桌面级MIPS CPU。^[35][36][37]

龙芯中科、龍夢以及其他一些个人内核开发者一直在Linux主线内核（kernel.org）提交并维护龙芯相关的代码，并为MIPS架构实现了ftrace（英语：ftrace），zboot等功能。

应用

个人电脑产品

 

Gdium筆記本

 

2006年第一代福珑盒子迷你機

自从龙芯2F发布以来，有数款笔记本电脑都采用了此种低功耗处理器，例如江苏龙梦逸珑笔记本电脑（YeeLoong）、深圳一本通电脑有限公龙腾笔记本电脑EBT700，有800x480分辨率。采用龙芯2F处理器，主频1GHz、EMTEC生产的Gdium笔记本电脑。龍夢也设计了使用龙芯2F的一体机，迷你计算机，台式机等产品。

步入3A/3B时代之后，龍夢继续设计制造了许多龙芯的台式机，一体机，笔记本等设备。同时也有其他厂商发布了使用龙芯处理器的电脑，其中包括清華同方、联想 、浪潮、曙光、方正、百信这些OEM/ODM厂商，各自推出了基于龙芯3号系列CPU和龙芯桥片的个人台式机、一体机和笔记本电脑，但以上產品多見於政府國企採購而少見於民用市場。^[38] 2021年初相隔十三年後第二代福珑盒子2.0迷你機量產，其效能已達到民用低階辦公需求開始在網路購物等少量渠道投放市場，配合UOS等新型國產化Linux操作系統使用。^[39][40]

服务器/存储/云终端

龙芯处理器被广泛应用于服务器，存储，云等领域。其中，有曙光、同方 、龙梦、浪潮、宝德、方正、百信这些OEM/ODM厂商，推出了基于龙芯处理器的服务器、存储和云终端，在政务市场上得到大规模的应用。^[41]

网络设备

一些厂商推出了基于龙芯处理器的交换机、路由交换、服务器密码机和签名验证服务器。^[42]

嵌入式產品

 

龙芯在第二十届中国金融发展论坛上的产品展览

龙芯产品（CPU和SoC）已经广泛运用于网安、能源、交通、金融、物联网。工控等领域。其中，金融方面有直接搭载龙芯CPU和桥片的金融自助设备，包括自动柜员机（ATM）、存取款一体机（CRS）^[43]和终端工控主机；交通方面有基于龙芯的交通信号机，基于龙芯1D的交通行人灯，基于龙芯1C/1D的道路交通环境检测系统，基于龙芯服务器的城市交通智能控制系统软件，基于龙芯3A3000/2K的ETC/MTC工控计算机和基于龙芯计算机的ETC/MTC收费应用支撑系统^[44]；网络安全方面有许多基于龙芯的防火墙、交换机、网闸、网关^[45]；物联网方面有基于龙芯的门禁、门锁等^[46][47][48]；工控方面有基于龙芯的工控PLC、数控机床；能源方面有基于龙芯1D芯片的三川智慧的水表、热表。

行业应用/IP授权

2014年，海信获得龙芯GS232 IP核授权，发布了Hi-View Pro画质引擎芯片，是中国电视企业第一块画质芯片，核心由龙芯CPU核、海信高清画质引擎共同组成。^[49]2019年4月22日，国科微和龙芯签订协议，龙芯授权IP核给国科微，国科微下一代产品GK2302将采用龙芯的IP核来作为主控芯片中的CPU。^[50]到现在为止，基于龙芯的IP授权大于1000万颗。

高性能机/超级计算机

2007年12月，中国科学技术大学和中国科学院计算技术研究所成功研制集成了336颗64位龙芯2F处理器的中國国产首台万亿次高性能计算机KD-50-I，其理论峰值计算能力达到1.008万亿次。项目由中科大教授陈国良院士主持。该计算机成本控制在80万人民币以下^[51][52]。2010年4月，中国科学技术大学宣布成功开发了基于龙芯3A的KD-60-1，新的超级计算机是刀鋒伺服器的集群，具有80多个龙芯3A处理器，理论计算峰值达到万亿次^[53]。2012年12月，中国科学技术大学与深圳大学合作研制完成集成了10颗龙芯3B处理器的KD－90^[54]。

2011年，中科院计算所与曙光公司研制完成了第一款完全由中文组件制造的超级计算机曙光6000，采用8000至10000颗八核心龙芯3B处理器^[55]。

航天

龙芯中科2013年後開始研发人造衛星使用的抗宇宙輻射晶片，龙芯中科已掌握抗辐照加固技术、工艺及设计规范，设计研制了抗辐照处理器，其性能达到国外抗辐照处理器的指标。^[6] 2021年至少有30顆北斗衛星在軌運行。^{[56][无关引用][57][无关引用]}

参考文献

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标注

1. 龙芯/龙芯2系列处理器的开发和命名主要是按字母顺序进行的。
2. 龙芯/龙芯3系列处理器似乎是根据细分和代号命名的。这一细分市场往往是A（通用PC）、B（看似高核心数）和C（服务器处理器）。第一个系列处理器的代数从1000开始，然后通常增加到下一个1000。有些处理器可能是两代产品之间的处理器，其名称为x5000。

另见

•  中华人民共和国主题
•  计算机科学主题
•  信息技术主题

• 龙芯中科
• LoongISA
• 中國計算機科學大事年表
• 中国超级计算机行业
• 863计划
• 中芯国际
• MIPS架构
• 申威处理器
• 北京君正
• 飞腾处理器

外部連結

•  中华人民共和国主题
•  计算机科学主题
•  信息技术主题

• 北京神州龙芯集成电路设计有限公司（页面存档备份，存于互联网档案馆）
• 狗剩百科，龙芯非官方百科（页面存档备份，存于互联网档案馆）

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