Loongson

Loongson (кит. 龙芯, букв. «Драконий чип») — семейство микропроцессоров, разрабатываемых Китайской академией наук (CAS) и компанией Loongson Technology Corporation Limited. Процессоры Loongson относятся к классу RISC-архитектур (архитектура с сокращённым набором команд) и являются одним из ключевых элементов китайской государственной программы по достижению технологической независимости в области полупроводниковых технологий. В отличие от многих других китайских процессоров, основанных на лицензированных архитектурах ARM или x86, Loongson изначально разрабатывался на базе собственной архитектуры, прошедшей эволюцию от MIPS-совместимости до полностью оригинальной системы команд LoongArch.

История

Ранние годы и архитектура MIPS (2001–2010)

Разработка процессоров Loongson началась в 2001 году в Институте вычислительных технологий (ICT) Китайской академии наук под руководством профессора Ху Вэйу (胡伟武). Первым чипом стал Loongson-1 (Godson-1), выпущенный в 2002 году по технологии 180 нм. Он имел тактовую частоту 266 МГц и предназначался для встраиваемых систем. В 2003 году был представлен Loongson-2, который уже работал на частоте 500 МГц и поддерживал набор инструкций MIPS-III. В 2006 году вышла версия Loongson-2F, которая стала первым массово производимым процессором этого семейства и использовалась в китайских образовательных компьютерах «Лунсинь» (龙芯电脑).

Переход к Loongson-3 и многопоточность (2010–2015)

В 2010 году была представлена серия Loongson-3, которая впервые реализовала многопоточность (SMT) и многопроцессорность. Процессоры этой серии, такие как Loongson-3A (4 ядра, 1 ГГц) и Loongson-3B (8 ядер, 1.1 ГГц), были ориентированы на серверный и настольный сегменты. В этот период Китай активно искал альтернативы западным процессорам, и Loongson начал использоваться в государственных учреждениях, военных системах и суперкомпьютерах. В частности, на базе Loongson-3B был построен суперкомпьютер «Шэньвэй-1000» (神威·1000), который в 2011 году занял 10-е место в рейтинге TOP500.

Разработка собственной архитектуры LoongArch (2015–2021)

В 2015 году компания Loongson Technology Corporation Limited была выделена из состава Китайской академии наук в качестве самостоятельного коммерческого предприятия. В этот период стало очевидно, что архитектура MIPS, на которой базировались процессоры Loongson, теряет рыночную поддержку. В 2018 году компания объявила о начале разработки собственной системы команд — LoongArch. В 2021 году был представлен первый процессор на новой архитектуре — Loongson-3A5000. LoongArch является полностью совместимой с MIPS на уровне эмуляции, но включает более 2000 собственных инструкций, оптимизированных для современных вычислительных задач.

Современный этап (2021 – настоящее время)

В 2022 году вышли процессоры Loongson-3C5000 (16 ядер, 2.0–2.2 ГГц) для серверов и Loongson-3A6000 (4 ядра, 2.5 ГГц) для настольных ПК. В 2023 году был анонсирован Loongson-3A7000 с 8 ядрами и частотой до 3.0 ГГц, который по производительности приблизился к процессорам Intel Core i5 10-го поколения. В 2024 году компания представила Loongson-3E7000 — первый чип, изготовленный по техпроцессу 12 нм (ранее использовались 28 нм и 14 нм). Процессоры Loongson активно внедряются в китайские государственные учреждения, образовательные учреждения и оборонную промышленность. В 2023 году было объявлено о создании на базе Loongson-3A6000 первого китайского ноутбука с полностью отечественным программным обеспечением (ОС «Кайлинь» — Kylin).

Архитектура и система команд

LoongArch

LoongArch (龙架构) — это собственная система команд (ISA) компании Loongson, разработанная с нуля. Она относится к классу RISC-V-подобных архитектур, но не является её клоном. Ключевые особенности LoongArch:

• Поддержка 64-битных вычислений (LoongArch64) и 32-битного режима (LoongArch32) для совместимости.
• Более 2000 инструкций, включая расширения для векторных вычислений (SIMD), криптографии, виртуализации и управления памятью.
• Полная обратная совместимость с MIPS на уровне эмуляции (через специальный слой трансляции).
• Открытость: LoongArch является открытой спецификацией, что позволяет другим китайским компаниям разрабатывать совместимые процессоры без лицензионных отчислений.

Микроархитектура

Процессоры Loongson используют суперскалярную микроархитектуру с внеочередным выполнением команд (out-of-order execution). Современные модели (начиная с 3A5000) имеют следующие характеристики:

• Кэш-память: L1 (64 КБ инструкций + 64 КБ данных на ядро), L2 (256 КБ на ядро), L3 (8–16 МБ, общий для всех ядер).
• Поддержка многопоточности: SMT-2 (два потока на ядро) начиная с серии 3A5000.
• Интегрированный контроллер памяти: поддержка DDR4-3200 (на 3A5000) и DDR5-4800 (на 3A7000).
• Интерфейсы: PCIe 4.0 (16 линий), USB 3.0, SATA 3.0, HDMI 2.0.

Классификация и модели

Серия Loongson-1

• Loongson-1A (2002): 180 нм, 266 МГц, одно ядро, для встраиваемых систем.
• Loongson-1C (2006): 130 нм, 400 МГц, с поддержкой DSP и контроллеров периферии.

Серия Loongson-2

• Loongson-2F (2006): 90 нм, 1.0 ГГц, одно ядро, для образовательных ПК.
• Loongson-2G (2010): 65 нм, 1.2 ГГц, с поддержкой DDR2.

Серия Loongson-3

• Loongson-3A (2010): 65 нм, 4 ядра, 1.0 ГГц, для настольных ПК.
• Loongson-3B (2012): 28 нм, 8 ядер, 1.1 ГГц, для серверов.
• Loongson-3A3000 (2017): 28 нм, 4 ядра, 1.5 ГГц, с поддержкой DDR3.
• Loongson-3A4000 (2019): 28 нм, 4 ядра, 1.8 ГГц, с улучшенной производительностью.
• Loongson-3A5000 (2021): 14 нм, 4 ядра, 2.3–2.5 ГГц, первый на LoongArch.
• Loongson-3C5000 (2022): 14 нм, 16 ядер, 2.0–2.2 ГГц, серверный.
• Loongson-3A6000 (2022): 14 нм, 4 ядра, 2.5 ГГц, для настольных ПК.
• Loongson-3A7000 (2023): 12 нм, 8 ядер, 3.0 ГГц, с поддержкой DDR5.
• Loongson-3E7000 (2024): 12 нм, 8 ядер, 3.2 ГГц, с интегрированным GPU.

Применение

Государственный и корпоративный сектор

Процессоры Loongson используются в китайских государственных учреждениях, где требуется замена западных решений (Intel, AMD). В 2023 году правительство Китая обязало все государственные органы перейти на отечественные процессоры к 2027 году. Loongson является одним из основных поставщиков для этой программы. Чипы устанавливаются в:

• Настольные ПК (например, «Лунсинь-3A6000» и ноутбуки на базе ОС «Кайлинь»).
• Серверы (модели 3C5000 и 3E7000) для обработки данных в облачных сервисах и базах данных.
• Системы управления (промышленные контроллеры, АСУ ТП).

Образование

Loongson-2F и более поздние модели используются в китайских школах в рамках программы «Цифровое образование» (数字教育). В 2022 году было объявлено о поставке 1 миллиона компьютеров на базе Loongson-3A5000 в сельские школы.

Оборонная промышленность

Процессоры Loongson применяются в системах вооружения, радиолокационных станциях, системах навигации и управления беспилотными летательными аппаратами. В открытых источниках сообщается, что чипы Loongson-3B использовались в суперкомпьютерах для моделирования ядерных испытаний.

Научные вычисления

На базе Loongson был построен суперкомпьютер «Шэньвэй-1000» (2011) и более поздние кластеры, такие как «Тяньхэ-2» (частично на Loongson). В 2023 году компания анонсировала специализированный процессор Loongson-3D для задач искусственного интеллекта и машинного обучения.

Программная экосистема

Операционные системы

Процессоры Loongson поддерживают несколько операционных систем, разработанных в Китае:

• Kylin (麒麟) — ОС на базе Linux, используется в государственных учреждениях.
• UOS (UnionTech OS) — дистрибутив Linux, ориентированный на корпоративный сектор.
• Deepin — популярная китайская ОС, адаптированная для LoongArch.
• Loongnix — собственная ОС компании Loongson, основанная на Fedora.

Компиляторы и инструменты

Компания Loongson разработала собственный компилятор LoongCC (на основе GCC) и поддерживает адаптацию LLVM для LoongArch. В 2023 году была выпущена версия GCC 13.2 с полной поддержкой LoongArch. Также доступны инструменты для эмуляции x86-приложений (через QEMU и собственный слой трансляции).

Прикладное ПО

Большинство китайских приложений (офисные пакеты WPS, браузеры, мессенджеры WeChat и QQ) имеют версии для LoongArch. Однако поддержка западного ПО (Adobe, Microsoft Office) ограничена и требует эмуляции.

Критика и ограничения

Производительность

Несмотря на прогресс, процессоры Loongson по-прежнему уступают ведущим западным аналогам (Intel Core i7/i9, AMD Ryzen 7/9) по производительности на одно ядро. В тестах SPEC CPU 2017 Loongson-3A7000 показывает результат около 30–40% от уровня Intel Core i5-12400. Это связано с использованием устаревших техпроцессов (12 нм против 7 нм у Intel и AMD) и менее агрессивной микроархитектурой.

Программная совместимость

Экосистема LoongArch остаётся фрагментированной. Многие западные приложения и игры не поддерживают эту архитектуру. Для их запуска требуется эмуляция, что приводит к снижению производительности на 30–50%. В 2024 году компания Loongson объявила о разработке аппаратного ускорителя для эмуляции x86, но его коммерческая доступность пока не подтверждена.

Зависимость от западных технологий

Хотя Loongson позиционируется как полностью отечественный процессор, на начальных этапах он использовал лицензированные блоки от MIPS Technologies (США) и Synopsys (США). С переходом на LoongArch эта зависимость была устранена, но производство чипов по-прежнему осуществляется на заводах TSMC (Тайвань) и SMIC (Китай), которые используют западное оборудование (ASML, Applied Materials). В 2023 году США ввели санкции, ограничивающие поставки оборудования для производства чипов по техпроцессу менее 14 нм в Китай, что может замедлить развитие Loongson.

Рыночная доля

По данным на 2024 год, доля процессоров Loongson на мировом рынке микропроцессоров составляет менее 0.1%. Основные продажи приходятся на государственный сектор Китая. В коммерческом сегменте (розничные ПК, серверы) Loongson практически не представлен из-за низкой производительности и отсутствия поддержки со стороны разработчиков ПО.

Перспективы развития

В 2025 году компания Loongson планирует выпустить процессор Loongson-3F8000 по техпроцессу 7 нм (на мощностях SMIC с использованием китайского оборудования DUV). Ожидается, что этот чип будет иметь 16 ядер, частоту до 3.5 ГГц и производительность на уровне Intel Core i7-12700. Также разрабатывается специализированный процессор для ИИ Loongson-4A с интегрированными нейронными ускорителями. В долгосрочной перспективе Loongson стремится стать основой для китайской национальной вычислительной инфраструктуры, включая суперкомпьютеры, облачные серверы и системы «Интернета вещей».

Источники

• Официальный сайт Loongson Technology Corporation Limited (loongson.cn)
• «Loongson: The Dragon Chip» — статья в журнале IEEE Micro, 2022
• «China’s Semiconductor Industry: The Case of Loongson» — доклад Центра стратегических и международных исследований (CSIS), 2023
• «LoongArch: A New RISC ISA from China» — технический отчёт Китайской академии наук, 2021
• «Performance Analysis of Loongson-3A5000 Processor» — тесты в журнале «Computer Engineering and Science», 2022
• «Санкции США и китайские процессоры» — статья в газете «Жэньминь жибао», 2024