Loongson

Loongson ( chino simplificado :龙芯; chino tradicional :龍芯; pinyin : Lóngxīn ; lit. ' Núcleo de Dragón ' ) ^[¹^] es el nombre de una familia de microprocesadores de propósito general, compatibles con la arquitectura MIPS y posteriormente con la arquitectura LoongArch propia , así como el nombre de la empresa china sin fábrica propia ( Loongson Technology ) que los desarrolla. Los procesadores también se denominan procesadores Godson , ^[²^] que se describe como su nombre académico. ^[³^]

Historia

Los procesadores Godson , basados en la arquitectura MIPS , fueron desarrollados inicialmente en el Instituto de Tecnología Informática (ICT) de la Academia China de Ciencias (CAS). ^{[ 4 ]} El arquitecto principal fue Hu Weiwu . ^{[ 5 ]} El desarrollo del primer chip Loongson comenzó en 2001. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} El objetivo del proyecto Godson era desarrollar "microprocesadores de propósito general de alto rendimiento en China" ^{[ 2 ]} y lograr la autosuficiencia tecnológica como parte del plan Made in China 2025. ^{[ 5 ]} El desarrollo fue apoyado por financiamiento a través de los Planes Quinquenales 10.º y 11.º del Partido Comunista Chino . ^[⁷^]^[⁸^]

En 2010, la empresa se comercializó como una entidad independiente, ^{[ 5 ]} y en abril de 2010 Loongson Technology Corporation Limited se estableció formalmente y se instaló en Zhongguancun , Pekín , China. La empresa es una asociación público-privada entre ICT y el diseñador de chips BLX IC Design Corporation, con sede en Pekín. ^[⁶^] BLX, a su vez, fue una escisión de ICT y se fundó en 2002 con Jiangsu Zhongyi Group. Dado que Loongson es un diseñador sin fábrica propia , al menos algunos procesadores fueron fabricados y comercializados por STMicroelectronics . ^[⁶^]^[⁵^]

El South China Morning Post informó que desde 2020 Loongson se ha asociado con UnionTech y Sunway para desarrollar y promover el sistema operativo Deepin basado en Debian Linux con el fin de reducir la dependencia de China de Microsoft Windows . ^[⁹^]^[¹⁰^]

En 2021, Loongson presentó una oferta pública inicial en el mercado STAR de la Bolsa de Valores de Shanghái . ^{[ 5 ]}^{[ 11 ]} La empresa buscaba recaudar US$500 millones. ^{[ 11 ]} Los detalles de esta OPI sugirieron que Loongson había necesitado una financiación anual de 400 millones de RMB en sus primeros 10 años de existencia y que la empresa solo había alcanzado el punto de equilibrio en 2015. ^{[ 12 ]}

En abril de 2024, los procesadores Loongson recibieron un gran impulso cuando un distrito escolar en la ciudad de Hebi inició una prueba de 10 000 PC equipadas con el procesador Loongson 3A5000 y el sistema operativo Unity basado en Deepin . ^[¹³^]^[¹⁴^] Según The Register , este proyecto piloto se utilizará para promover el uso de computadoras Loongson y Linux dentro del sistema escolar chino, lo que podría resultar en la venta de 50 millones de computadoras Loongson a escuelas chinas cada año hasta 2030. ^[¹³^]

sanciones estadounidenses

En marzo de 2023, el Departamento de Comercio de los Estados Unidos agregó a Loongson a la Lista de Entidades de la Oficina de Industria y Seguridad para la adquisición de tecnología estadounidense en apoyo del Ejército Popular de Liberación (EPL). ^[¹⁵^]^[¹⁶^]

Arquitecturas de conjuntos de instrucciones

MIPS

Loongson comenzó utilizando la arquitectura del conjunto de instrucciones (ISA) MIPS64 . La microarquitectura interna fue desarrollada independientemente por ICT . Las primeras implementaciones de la familia carecían de cuatro instrucciones patentadas por MIPS Technologies (US4814976A, carga-almacenamiento no alineado) para evitar problemas legales. ^[¹⁷^]^[¹⁸^]

En 2007, MIPS Technologies e ICT llegaron a un acuerdo. STMicroelectronics compró una licencia de MIPS para Loongson, por lo que el procesador puede promocionarse como basado en MIPS o compatible con MIPS en lugar de como similar a MIPS . ^{[ 19 ]}^{[ 20 ]}^{[ 21 ]}

En junio de 2009, ICT obtuvo la licencia de las arquitecturas MIPS32 y MIPS64 directamente de MIPS Technologies . ^{[ 22 ]}

En agosto de 2011, Loongson Technology Corp. Ltd. obtuvo la licencia de las arquitecturas MIPS32 y MIPS64 de MIPS Technologies, Inc. para el desarrollo continuo de núcleos de CPU Loongson basados en MIPS. ^{[ 23 ]}^{[ 24 ]}

En enero de 2024, Loongson ganó un caso sobre los derechos de uso de la arquitectura MIPS. ^{[ 25 ]}

LoongISA

El Loongson 3A2000 en 2015 vio la adopción deLoongISA 1.0, un conjunto de instrucciones ampliado que es un superconjunto de MIPS64 versión 2.^{[ 26 ]}^{[ 8 ]} Se puede dividir en:

LoongEXT, extensiones de uso general, 148 instrucciones
LoongVZ, extensiones de virtualización para el sistema "VZ" introducidas en la versión 5 de MIPS64, 5 instrucciones
LoongBT, traducción binaria más rápida para x86 y ARM , 213 instrucciones
LoongSIMD, anteriormente LoongMMI (en Loongson 2E/F), para SIMD de 128 bits, 1014 instrucciones
Arquitectura MIPS SIMD (MSA), DSP y módulos VZ de MIPS Release 5

Las instrucciones LoongISA se introdujeron como parte de los núcleos GS464E. ^{[ 8 ]} Las instrucciones de traducción binaria tienen el beneficio específico de acelerar la emulación de la CPU Intel x86 a un costo del 5 % del área total del chip . Las nuevas instrucciones ayudan a un hipervisor QEMU a traducir instrucciones de x86 a MIPS con una penalización de rendimiento reportada de solo el 30 %. ^{[ 27 ]}^{[ 28 ]}

Arco largo

Loongson adoptó su propia arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA) de procesador en 2021 con el lanzamiento de la serie Loongson 3 5000 de computadora con conjunto de instrucciones reducido (RISC). ^{[ 29 ]}^{[ 30 ]} Un desarrollador de Loongson la describió como "... una nueva ISA RISC, que es un poco como MIPS o RISC-V . LoongArch incluye una versión reducida de 32 bits (LA32R), una versión estándar de 32 bits (LA32S) y una versión de 64 bits (LA64)". ^{[ 31 ]} La razón declarada era lograr que Loongson y China no dependieran de tecnología o autorización extranjera para desarrollar su capacidad de procesamiento, sin infringir ninguna patente tecnológica. ^{[ 32 ]}

La ISA ha sido denominada "una bifurcación de MIPS64r6" debido a la aparente falta de cambios a juzgar por los listados de instrucciones. ^{[ 33 ]}^{[ 34 ]} The Register informó en noviembre de 2021 que LoongArch podría combinar las mejores partes de MIPS y RISC-V, junto con instrucciones personalizadas. ^{[ 35 ]}

Núcleos

Loongson tiene tres familias principales de núcleos de procesador, algunos de los cuales están disponibles como núcleos IP : ^{[ 36 ]}

Serie GS464: núcleo MIPS64 con emisión fuera de orden superscalar de cuatro vías . ^[³⁷^] El diseño se originó a partir del procesador Loongson 2F. ^[⁸^] Se utilizó ampliamente por primera vez en el procesador Loongson 3A, antes de ser utilizado también en la serie Loongson 2. ^[³⁷^]^[³⁸^]
- El GS464V se introdujo por primera vez en 2010 con el Godson 3B, y es un GS464 con capacidades vectoriales. ^{[ 7 ]}^{[ 39 ]}
- GS464E es una versión mejorada del GS464. ^{[ 40 ]} Su desarrollo comenzó en 2012 tras detectarse deficiencias en el procesador GS464. ^{[ 8 ]} El núcleo presenta múltiples mejoras, incluyendo cachés más grandes y una mejor predicción de bifurcaciones, entre otras, y fue optimizado. ^{[ 8 ]} El núcleo se amplió para admitir LoongISA (extendiendo la arquitectura MIPS64 R2). ^{[ 40 ]}
- GS464EV es un desarrollo de la serie GS464, utilizada por primera vez por el procesador 3A4000 ^{[ 41 ].}
LA464 es el desarrollo del GS464 para dar soporte a LoongArch. Si bien el núcleo inicial del 3A5000 se denominó GS464, debido a conjuntos de instrucciones incompatibles, Loongson cambió el nombre del núcleo del 3A5000 a LA464 en su documentación en agosto de 2021. ^{[ 42 ]}
LA664 es la arquitectura de los procesadores de la serie 3A6000/3C6000.

La comunidad ha señalado que la nomenclatura de las microarquitecturas de Loongson no es consistente, ya que se ha observado que diferentes productos tienen el mismo núcleo de procesador, aunque los conjuntos de instrucciones no sean exactamente compatibles. ^{[ 42 ]}

Familias de procesadores

Loongson ha construido 4 familias de procesadores a partir de sus núcleos arquitectónicos. ^{[ 28 ]} Estas son: ^{[ 28 ]}

Godson-1, para electrónica de consumo y aplicaciones integradas.
Godson-2, procesadores de un solo núcleo para aplicaciones integradas y ordenadores personales de bajo rendimiento ^{[ nota 1 ]}
Godson-3, procesadores multinúcleo para ordenadores de alto rendimiento, computación de alto rendimiento y servidores ^{[ nota 2 ]}
Procesadores Loongson 3 y LoongArch

Ahijado-1

El primer procesador Loongson, el Godson-1, fue diseñado en 2001, lanzado en 2002 y es una CPU de 32 bits que funciona a una velocidad de reloj de 266 MHz . ^{[ 6 ]}^{[ 3 ]}^{[ 28 ]} Está fabricado con un proceso CMOS de 0,18 micras , tiene 8 KB de caché de datos, 8 KB de caché de instrucciones y una unidad de punto flotante de 64 bits, capaz de 200 MFLOPS de doble precisión. ^{[ 43 ]} Los chips de la serie Godson-1 utilizan los núcleos GS132 o GS232. ^{[ 44 ]}

Loongson X es una versión reforzada contra la radiación del núcleo GS232 utilizado en el Godson-1. ^{[ 8 ]}

Godson-2 / Loongson 2

El Loongson 2 es una familia de procesadores compatibles con MIPS III. ^{[ 45 ]}^{[ 3 ]} Agrega capacidad de 64 bits a la arquitectura Loongson. ^{[ 6 ]}^{[ 28 ]} Los procesadores Loongson 2 posteriores migraron a ser compatibles con MIPS64, debido a que compartían el núcleo GS464 con la serie Loongson 3. ^{[ 8 ]}

El plan de desarrollo para el Godson-2 era desarrollarlo de una CPU a un SOC. ^{[ 3 ]}^{[ 7 ]} El 2E (2006) era una CPU, el 2F (2007) integraba el puente norte, el 2G (2008) tenía un enlace de hipertransporte entre la CPU/puente norte y una GPU/puente sur integrada, y el 2H (2009) integraba todas estas funciones en un SOC. ^{[ 3 ]}^{[ 7 ]} El diseño del 2F fue la base del núcleo GS464. ^{[ 8 ]} El 2G utiliza un único núcleo GS464; ^{[ 7 ]} el 2H utiliza el núcleo GS464V, como una versión de un solo núcleo del Godson 3B inicial. ^{[ 39 ]}

Procesadores Godson 3 / Loongson 3 MIPS

La familia de procesadores Loongson 3 son "...CPU multinúcleo diseñadas para computadoras de escritorio, servidores y clústeres de alto rendimiento". ^{[ 46 ]}^{[ 28 ]} Fueron diseñados como los primeros procesadores Loongson con múltiples núcleos. ^{[ 37 ]} Inicialmente, los procesadores fueron diseñados para usar LoongISA, es decir, la ISA MIPS64 versión 2 con extensiones adicionales. ^{[ 37 ]} Los diseñadores también intentaron optimizar la traducción x86 en el chip. ^{[ 3 ]}

Serie 1000

El primer procesador de producción fue el Loongson 3A, que utilizaba 4 núcleos GS464. ^{[ 37 ]}^{[ 27 ]}

Los diseñadores señalaron que producirían un chip 3B con capacidades de procesamiento y vectoriales mejoradas, con 8 núcleos, y un 3C para aplicaciones de servidor con hasta 16 núcleos. ^{[ 7 ]}^{[ 28 ]} Se observó que el Loongson 3B de 8 núcleos utilizaba el núcleo GS464V mejorado, con capacidades vectoriales extendidas. ^{[ 39 ]} Posteriormente, se lanzó el Loongson 3C, que utilizaba 16 núcleos GS464V. ^{[ 39 ]}

El 3B1000, y el relacionado 2I, fallaron como procesadores debido a errores de diseño. ^{[ 26 ]} En mayo de 2013 se suspendió el desarrollo del 3C, en favor del desarrollo del procesador 3A2000. ^{[ 26 ]}

Series 1500 y 2000

En 2015, se lanzaron los procesadores 3A1500 y 3B2000, que utilizaban los núcleos GS464E mejorados. ^{[ 8 ]} El núcleo con microarquitectura mejorada permitía un mejor rendimiento, supuestamente tres veces más rápido que el 3A1000, además de introducir el conjunto de instrucciones mejorado LoongISA. ^{[ 8 ]} El 3A1500 estaba destinado a aplicaciones integradas, mientras que el 3B2000 estaba destinado a servidores y PC. ^{[ 8 ]}

Serie 3000

En 2017, Loongson lanzó el 3A3000. Se informa que el rendimiento del 3A3000 es equivalente al del procesador Intel J1900 (lanzado en 2013). ^{[ 41 ]}

Serie 4000

A finales de 2019 se lanzaron las series 3A y 3B 4000. Utilizaban la microarquitectura GS464EV mejorada. ^{[ 41 ]}

Procesadores Loongson 3 LoongArch

Serie 5000, transición a LoongArch

En julio de 2021 se lanzó la serie Loongson 3 5000. ^{[ 30 ]} Esta serie de procesadores fue la primera de Loongson con su propia arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA), denominada "LoongArch". ^{[ 30 ]} Los procesadores anunciados incluían el 3A5000, una CPU de escritorio de cuatro núcleos, y el 3C5000L, una CPU de servidor de dieciséis núcleos basada en cuatro 3A5000 en un solo paquete. ^{[ 33 ]}^{[ 29 ]}^{[ 35 ]} Se informó que ambas CPU se fabricaban con un proceso de 12 nm. Si bien inicialmente se observó que el procesador utilizaba los núcleos GS464V, debido a la incompatibilidad con versiones anteriores, los núcleos se renombraron a LA464 en agosto de 2021. ^{[ 42 ]}

The Register informó que "se dice que el 3A5000 es un 50% más rápido y un 30% más eficiente energéticamente" que el anterior 3A4000.^{[ 35 ]} Phoronix informó que la CPU 3A5000 estaba "aproximadamente a la par con procesadores como el Intel Core i3 8109U / Core 2 Quad Q9500 / Core i5 750 (aproximadamente lo último en tecnología en 2008), o el Phytium FT-2000 basado en Armv8 ".^{[ 30 ]}

En abril de 2023, Loongson lanzó el procesador 3D5000 para centros de datos y computación en la nube, basado en la arquitectura del conjunto de instrucciones LoongArch. ^{[ 47 ]}

Serie 6000

En 2022, Loongson anunció sus procesadores de la serie 6000. ^{[ 48 ]} La compañía afirmó que la arquitectura de procesador actualizada utilizaría nuevos núcleos "LA664" ^{[ 48 ]} y que el rendimiento de un solo núcleo rivalizaría con el de la arquitectura Zen 3 de AMD y la arquitectura Tiger Lake (Core de 11.ª generación) de Intel (lanzada en 2020). ^{[ 48 ]}

En noviembre de 2023, Loongson presentó el procesador 3A6000. ^{[ 49 ]} El procesador se fabrica mediante un proceso de 14 nm o 12 nm y admite el estándar de memoria DDR4, bastante antiguo. ^[⁵⁰^] The Register informó que Loongson había demostrado pruebas de rendimiento que sugerían que el procesador 3A6000 era competitivo con un procesador Intel Core de décima generación (lanzado en 2019). ^[⁴⁹^]

Según informes, el 3C6000 de Loongson estaría disponible en el cuarto trimestre de 2024. ^{[ 51 ]} La CPU es un chip monolítico con 16 núcleos; cuenta con la microarquitectura propietaria LA664 derivada de MIPS que admite la tecnología de multihilo simultáneo (SMT). ^{[ 51 ]} El procesador 3C6000 cuenta con cuatro interfaces de memoria DDR4-3200. Según informes, el rendimiento de la CPU es comparable al del procesador Intel Xeon Silver 4314 de 16 núcleos, que se lanzó en el segundo trimestre de 2021. ^{[ 51 ]}

Serie 7000

En 2024, Loongson supuestamente comenzó su transición al proceso de 7 nm, que se dijo que potencialmente proporcionaría un aumento del 20% al 30% en el rendimiento de la CPU 3A7000. ^{[ 52 ]} Los chips de 7 nm, que podrían salir a la venta en 2025, probablemente se producirán completamente en China, debido a las sanciones estadounidenses. ^{[ 52 ]} En noviembre de 2025, un analista informó que la familia de CPU 3D7000 probablemente saldría a la venta en 2027, utilizaría una tecnología de proceso sub-10 nm y utilizaría chiplets con más de 32 núcleos. ^{[ 53 ]} Se dijo que Loongson había declarado que la compañía ya había comenzado el trabajo de diseño de IP y que el producto final incluiría tecnología moderna, por ejemplo DDR5 y PCIe 5.0 . ^{[ 53 ]}

Software compatible

Ahijado

Sistemas operativos

Los procesadores Godson están diseñados principalmente para usar el sistema operativo Linux . ^{[ 54 ]} En teoría, cualquier sistema operativo compatible con la arquitectura MIPS debería funcionar. Windows CE se adaptó a un sistema basado en Godson con un esfuerzo mínimo. ^{[ 55 ]} En 2010, Lemote adaptó una distribución de Android a la plataforma Godson. ^{[ 56 ]}

Las máquinas Godson se utilizan en la infraestructura de compilación de paquetes e integración continua de Debian y Golang , respectivamente. Esto se debe en parte a la posición de Loongson como el único proveedor que produce CPU MIPS de grado de aplicación para el mercado minorista. ^{[ 57 ]}

Soporte del compilador

La Colección de Compiladores GNU (GCC) es el compilador principal para el desarrollo de software en la plataforma Loongson. ^{[ 58 ]}^{[ 59 ]}

Antes de 2021, el soporte de LLVM seguía siendo inadecuado debido a la falta de soluciones alternativas para las erratas de CPU de Loongson en MIPS. ^{[ 60 ]}^{[ 42 ]}

ICT también adaptó Open64 a la plataforma Loongson II. ^{[ 61 ]}