“跑分” 這件事，相信各位讀者對(duì)此并不陌生?！安环軅€(gè)分” 已經(jīng)成為了某些手機(jī)發(fā)布時(shí)的保留節(jié)目。對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō)，最常用的跑分程序大概就是魯大師和安兔兔了。安裝一個(gè)程序，然后再點(diǎn)幾個(gè)按鈕，幾分鐘以后跑分結(jié)果就出來(lái)了，整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單輕松。
如果要跑分的平臺(tái)不是運(yùn)行 Windows 系統(tǒng)的 X86 平臺(tái)，也不是運(yùn)行安卓系統(tǒng)的 ARM 平臺(tái)，而是運(yùn)行國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)處理器平臺(tái)，用什么方法來(lái)衡量這些平臺(tái)上的處理器性能呢？這時(shí)，我們可以使用一個(gè)重量級(jí)的跑分程序 SPEC CPU 2006。
SPEC CPU 2006 包含 12 項(xiàng)整數(shù)測(cè)試，17 項(xiàng)浮點(diǎn)測(cè)試，共計(jì) 29 個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。測(cè)試以后會(huì)分別根據(jù)每一項(xiàng)的測(cè)試成績(jī)，用幾何平均算出最終的整數(shù)測(cè)試成績(jī)和浮點(diǎn)測(cè)試成績(jī)。根據(jù)編譯選項(xiàng)設(shè)置的不同，可以得到處理器的基礎(chǔ)（base）性能和峰值（peak）性能。對(duì)于 SPEC CPU 2006 的具體內(nèi)容，網(wǎng)上已經(jīng)有很多材料了，在此我不做贅述。在IT之家IT號(hào)這里，我著重介紹單核 peak 性能的測(cè)試。
一、三款國(guó)產(chǎn)處理器性能對(duì)比
使用 SPEC CPU 2006，我們可以對(duì)各種國(guó)產(chǎn)處理器的性能做一個(gè)評(píng)價(jià)。這里，我們首先對(duì)比三款國(guó)產(chǎn)處理器的 SPEC CPU 2006 性能。
飛騰 FT2000-4 處理器沒(méi)有官方的 SPEC CPU 2006 性能。網(wǎng)友 yygg100 使用飛騰的內(nèi)部測(cè)試配置文件，得到了 FT2000-4 處理器的整數(shù)峰值性能為 23.2 分；遺憾的是，在這個(gè)測(cè)試中并沒(méi)有進(jìn)行浮點(diǎn)性能的測(cè)試，該網(wǎng)友也沒(méi)有提供配置文件的細(xì)節(jié)。這個(gè)成績(jī)已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了飛騰在 2016 年的規(guī)劃，即到 2018 年 SPEC CPU 2006 性能達(dá)到 20～30 分。
兆芯則直接在官網(wǎng)上公開(kāi)了處理器的性能，目前 KX-6000 的性能為 3GHz 下單核整數(shù)性能 29.2 分，浮點(diǎn)性能則高達(dá) 38 分。由于兆芯處理器采用 X86 指令集，在進(jìn)行性能測(cè)試的時(shí)候兆芯可以使用 Intel 編譯器來(lái)獲得最高性能，這也是兆芯的生態(tài)優(yōu)勢(shì)之一。
龍芯 3A4000，采用 28nm 工藝，主頻 2.0 GHz 下，單核 peak 整數(shù)性能 21.1 分，浮點(diǎn)性能 21.2 分；單核 base 整數(shù) 19.1 分，浮點(diǎn) 18.7 分。我在去年試圖復(fù)現(xiàn)這個(gè)成績(jī)，沒(méi)有成功，即使超頻到 2.15GHz 的情況下，最終的成績(jī)也沒(méi)有超過(guò) 20 分，深感遺憾?，F(xiàn)在我想再試一下，以正視聽(tīng)。
圖 1 三款國(guó)產(chǎn)處理器的單核性能對(duì)比
二、影響處理器性能的因素
在性能評(píng)測(cè)中，影響性能的因素有很多，簡(jiǎn)單的講可以概括為以下幾個(gè)個(gè)部分：
處理器核的設(shè)計(jì)水平。處理器核的性能是決定處理器性能的最關(guān)鍵因素。在相同的主頻下，使用高效處理器核的處理器性能更好。
處理器主頻。采用同樣的處理器核，更高的處理器主頻能夠有更好的性能。優(yōu)秀的制造工藝能夠顯著提高處理器的主頻。比如，同樣采用 FT663 內(nèi)核，采用 40nm 工藝的飛騰 FT2000-2 處理器主頻只有 1.0 GHz，而采用 16/14 nm 工藝的 FT2000-4 處理器主頻高達(dá) 2.6 GHz。采用優(yōu)秀的物理設(shè)計(jì)，也能夠顯著提高處理器的主頻，比如龍芯 3A3000 處理器和龍芯 3A4000 處理器都采用 28 nm 工藝流片，前者主頻只有 1.5 GHz，而后者的主頻提高到了 2.0 GHz。
處理器的緩存大小。眾所周知，Intel 的處理器閹割緩存以后就變成了奔騰。更大的處理器緩存，有助于提高處理器的性能。比如，龍芯 3A2000 處理器共享 3 級(jí)緩存為 4M，龍芯 3A3000 處理器的共享三級(jí)緩存提高到了 8M，使得 3A3000 處理器的性能有了更多提升。
內(nèi)存的訪存速度。有部分應(yīng)用是訪存密集型的，對(duì)這些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，提高內(nèi)存的訪存性能能夠有效提高處理器性能。影響內(nèi)存性能的因素有內(nèi)存的頻率、內(nèi)存通道的數(shù)目。如果主板上有多個(gè)處理器，還需要考慮每個(gè)處理器和內(nèi)存的距離。
編譯器和編譯選項(xiàng)。優(yōu)秀的編譯器，加上與應(yīng)用特征匹配的編譯選項(xiàng)，能夠顯著提高計(jì)算的性能。在 Intel 平臺(tái)上，要全面發(fā)揮處理器的性能，最佳選擇是使用 Intel 編譯器；如果使用開(kāi)源的 GCC 編譯器，往往不能充分發(fā)揮處理器的能力。比如，兆芯 KX6000 處理器 SPEC CPU 2006 峰值性能整數(shù) 29.2 分，浮點(diǎn) 38 分，就是使用 Intel 編譯器測(cè)出來(lái)的。此外，還有大量的編譯選項(xiàng)提高二進(jìn)制文件性能，選擇合適的編譯選項(xiàng)是提高性能的重要手段。比如，對(duì)于支持 avx 指令的處理器，在使用 GCC 進(jìn)行編譯的時(shí)候開(kāi)啟 - mavx 選項(xiàng)，可能會(huì)顯著提高程序的性能。
操作系統(tǒng)內(nèi)核。過(guò)于古老的操作系統(tǒng)內(nèi)核可能無(wú)法很好的支持新處理器的特性。如果操作系統(tǒng)內(nèi)核編譯的時(shí)候沒(méi)有設(shè)定正確的選項(xiàng)，也可能無(wú)法支持新的處理器特性。以龍芯處理器為例，龍芯 3A4000 處理器增加了 MSA 指令，支持 128 位向量操作，如果操作系統(tǒng)內(nèi)核不支持 MSA，那么所有啟用了 MSA 指令的二進(jìn)制文件都無(wú)法正常運(yùn)行，也就無(wú)法發(fā)揮處理器的性能。
程序運(yùn)行依賴的底層函數(shù)庫(kù)。程序運(yùn)行依賴的 libc 庫(kù)和 libm 庫(kù)，對(duì)處理器性能的發(fā)揮也有影響。高性能的數(shù)學(xué)庫(kù)能夠加快底層數(shù)學(xué)函數(shù)的計(jì)算，提高計(jì)算性能。如果是進(jìn)行矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理，那么高性能的 BLAS、LAPACK 庫(kù)、FFT 庫(kù)也能提高程序的運(yùn)算速度。
三、龍芯 3A4000 處理器的 SPEC CPU 2006 性能調(diào)優(yōu)
在對(duì)龍芯 3A4000 進(jìn)行性能測(cè)試的時(shí)候，我測(cè)試了操作系統(tǒng)內(nèi)核、內(nèi)存性能、主頻、編譯選項(xiàng)等對(duì)操作系統(tǒng)性能的影響。
1. 編譯器優(yōu)化選項(xiàng)
首先，我考察了編譯器的各種優(yōu)化選項(xiàng)對(duì)性能的影響。此時(shí)，我的測(cè)試環(huán)境是龍芯 3A4000 處理器，主頻 1.8GHz, 配單根 8GB 2400MT/s 內(nèi)存條。操作系統(tǒng)為龍夢(mèng) Fedora 28，內(nèi)核版本為 5.4.60，編譯器版本為 GCC 8.4。我簡(jiǎn)單嘗試了 O2、O3、Ofast 三個(gè)優(yōu)化選項(xiàng)，得到的 SPEC CPU 2006 性能如圖 2 所示。
圖 2 采用 O2、O3、Ofast 選項(xiàng)時(shí)的處理器性能對(duì)比
這個(gè)性能看起來(lái)實(shí)在是不怎么樣。從 O2 到 O3 再到 Ofast，程序的性能有些許的提升，但距離龍芯官方生成的 20 分還差的很遠(yuǎn)。接下來(lái)，我們可以通過(guò)進(jìn)一步編譯器參數(shù)來(lái)對(duì)處理器的性能進(jìn)行優(yōu)化。我采用的主要編譯器參數(shù)和作用如下表所示。
編譯器參數(shù) | 作用 |
-march=loongson3a | 開(kāi)啟針對(duì)龍芯 3A 處理器的優(yōu)化 |
-mabi=n32 | 使用 N32 的 ABI |
-funroll-all-loops | 循環(huán)展開(kāi) |
-mmsa | 使用 MIPS SIMD 指令 |
-flto | 開(kāi)啟鏈接時(shí)優(yōu)化 |
-ftree-parallelize-loops | 開(kāi)啟自動(dòng)并行 |
-fprofile-generate, -fprofile-use | 使用 profile guided optimization |
對(duì)每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的編譯參數(shù)，都進(jìn)行了調(diào)整，最終得到的 peak 性能分?jǐn)?shù)提高到了整數(shù) 18.09 分，浮點(diǎn) 17.64 分，相對(duì)于僅使用 Ofast 參數(shù)的性能分別提高了 34% 和 24%。圖 3~ 4 對(duì)比了只使用 Ofast 參數(shù)的性能和 peak 性能的對(duì)比。
圖 4 peak 性能和僅采用 Ofast 選項(xiàng)的性能對(duì)比
從測(cè)試的結(jié)果看，僅僅依靠編譯選項(xiàng)的調(diào)整，就可以大幅提高應(yīng)用程序運(yùn)行的速度。對(duì)于部分測(cè)試的性能，甚至有數(shù)倍的性能提升。比如，456.hmmer 測(cè)試項(xiàng)目的分?jǐn)?shù)從 11.7 分提高到 27.4 分，性能是之前的 2.3 倍，這主要是因?yàn)閱⒂昧?MIPS 的 SIMD 指令；436.cactusADM 測(cè)試項(xiàng)目的分?jǐn)?shù)從 2.5 分提高到 7.3 分，性能是之前的 2.9 倍。
2. 操作系統(tǒng)內(nèi)核的選擇
除了編譯選項(xiàng)的調(diào)整，操作系統(tǒng)內(nèi)核也對(duì)應(yīng)用程序的性能有著非常大的影響。采用同樣的編譯選項(xiàng)，我分別使用 Fedora 28 的 5.4.60 內(nèi)核以及龍芯提供的 4.19.161 內(nèi)核進(jìn)行了性能測(cè)試。使用 4.19.161 內(nèi)核，進(jìn)一步提升了程序的性能，整數(shù) / 浮點(diǎn)性能分別從 18.09 分 /17.64 分，提高到了 18.8 分 / 19.92 分，性能的提升分別為 4% 和 13%。
如圖 5 所示，429.mcf 性能從 20.56 分提高到了 24.9 分，性能提高了 21%。而性能提升最為明顯的項(xiàng)目是 436.cactusADM，分?jǐn)?shù)從 7.3 分提高到了 44.9 分，性能暴漲到原來(lái)的 6.15 倍，簡(jiǎn)直像開(kāi)掛了一樣。這也表明龍芯公司在操作系統(tǒng)內(nèi)核的優(yōu)化上，也做了很多工作。
圖 5 操作系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)性能的影響
3. 內(nèi)存性能
進(jìn)一步，我對(duì)比了內(nèi)存性能對(duì)系統(tǒng)性能的影響。當(dāng)系統(tǒng)增加一根內(nèi)存條，組成雙通道以后，整體的性能再次提升，整數(shù) / 浮點(diǎn)性能分別提升到了 19.60 分和 20.99 分，相比之前的測(cè)試分別又提高了 4.3% 和 5.5%。其中，性能提升較大的項(xiàng)目如圖 6 所示。很明顯，這些項(xiàng)目也是訪存密集型的。在對(duì)內(nèi)存性能進(jìn)行調(diào)優(yōu)以后，1.8 GHz 主頻的龍芯 3A4000 處理器的浮點(diǎn)性能已經(jīng)超過(guò)了 20 分。
從測(cè)試的結(jié)果也可以看出，462.libquantum 測(cè)試對(duì)訪存性能非常敏感，將內(nèi)存從單通道升級(jí)到雙通道，性能提升了 66%。
圖 6 內(nèi)存對(duì)性能的影響
4. 處理器主頻
以上的測(cè)試都是在 1.8 GHz 主頻下完成的。實(shí)際上，龍芯 3A4000 處理器睿頻頻率可以到 2.0 GHz。而使用龍芯內(nèi)核開(kāi)發(fā)者 flygoat 提供的龍夢(mèng) A1901 主板內(nèi)核超頻補(bǔ)丁，還可以進(jìn)一步提升龍芯 3A4000 處理器的主頻到 2.2 GHz。
提高主頻的話，龍芯 3A4000 處理器的性能究竟可以提升到什么程度？從下圖 7 可以看出，在 2.0GHz 主頻下，整數(shù)性能和浮點(diǎn)性能分別為 21.3 分和 22.9 分，這已經(jīng)超過(guò)了龍芯官方提供的整數(shù) 21.1 分、浮點(diǎn) 21.2 分的 peak 性能。我所測(cè)試的 A1901 主板，3A4000 處理器可以穩(wěn)定在 2.1GHz 主頻下，在此主頻下整數(shù)性能和浮點(diǎn)性能分別為 22.2 分和 23.8 分。
圖 7 不同主頻下龍芯 3A4000 處理器的性能
然而，這并非是龍芯 3A400 處理器的性能極限。我在測(cè)試中使用的是 GCC 8.4 編譯器，其中對(duì)龍芯 3A4000 中指令的支持并不完善。比如，龍芯 3A4000 中實(shí)現(xiàn)了 256 位向量操作指令 LASX，但我在跑分的時(shí)候只用到了 128 位的向量操作指令 MSA。如果編譯器中的編譯選項(xiàng)對(duì)龍芯處理器進(jìn)行了深度的調(diào)優(yōu)，整個(gè)系統(tǒng)的性能還有進(jìn)一步提升的空間。
經(jīng)過(guò)上述的測(cè)試，我對(duì)系統(tǒng)的硬件、軟件等方面進(jìn)行了多種調(diào)優(yōu)，通過(guò)優(yōu)化編譯器選項(xiàng)、操作系統(tǒng)內(nèi)核、內(nèi)存性能，以及對(duì)處理器的超頻，將 SPEC CPU 2006 的性能從最初的整數(shù) 13.1 分、浮點(diǎn) 12.2 分，提高到了最終的整數(shù) 22.2 分、浮點(diǎn) 23.8 分（2.1 GHz）。這些優(yōu)化的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于類似的系統(tǒng)同樣適用。
四、針尖對(duì)麥芒：飛騰 FT2000/4 vs 龍芯 3A4000 處理器
我們了解了龍芯 3A4000 處理器的性能，那么和友商的飛騰 FT2000-4 處理器相比，龍芯 3A4000 的差距有多大呢？
項(xiàng)目 | 龍芯 3A4000 | 飛騰 2000-4 |
處理器核 | GS464V | FTC663 |
指令集 | LoongISA | ARM V8 |
處理器核數(shù) | 4 | 4 |
處理器主頻 | 2.0 | 2.6 |
工藝 | 28nm | 14nm |
功耗 | 30～50W | 10～15W |
內(nèi)存控制器 | DDR4 最高 2400MT/s | DDR4 最高 3200MT/s |
可以看出，采用先進(jìn)工藝的 FT2000-4 處理器在主頻和功耗上大幅領(lǐng)先龍芯 3A4000 處理器。那么處理器的真實(shí)性能有多大的差距呢？最近，貼吧網(wǎng)友 yygg100 對(duì) FT2000 處理器的 SPEC CPU 2006 的 peak 性能進(jìn)行了測(cè)試，得到了在 2.6GHz 主頻下單核 peak 整數(shù)性能 23.2 分的成績(jī)。雖然他的測(cè)試并不完善，只有整數(shù)性能測(cè)試，沒(méi)有浮點(diǎn)性能測(cè)試的數(shù)據(jù)，但這依舊是目前已知的 FT2000 處理器單核性能的最高值。
我們將這個(gè)數(shù)據(jù)與龍芯 3A4000 在 2.0GHz 下的性能進(jìn)行了對(duì)比，龍芯 3A4000 性能為 21.3 分。由于龍芯處理器工藝落后，主頻較低，主頻只有飛騰處理器的 77%，而整數(shù)性能達(dá)到了飛騰處理器的 92%。
圖 8 龍芯 3A4000 和飛騰 FT2000-4 處理器整數(shù)性能對(duì)比。
從圖中可以看出，在 12 項(xiàng)測(cè)試中，飛騰處理器在 8 個(gè)項(xiàng)目上性能強(qiáng)于龍芯 3A4000，其中 libquantum 這一項(xiàng)的性能差距最大，龍芯處理器性能只有 FT2000 的 58%，因?yàn)轱w騰處理器不僅主頻較高，而且內(nèi)存頻率為 2666MT/s，相比龍芯 3A4000 的 2400MT/s 有明顯的優(yōu)勢(shì)。
而在 429.mcf,445.gobmk，456.hmmer, 458.sjeng 這 4 個(gè)項(xiàng)目上，2.6 GHz 的飛騰 2000 處理器性能弱于 2.0 GHz 的 3A4000 處理器。隨著龍芯 3A5000 處理器的上市，飛騰 2000 處理器的單核性能領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)將會(huì)逐漸消失。
五、對(duì)龍芯 3A5000 的展望
龍芯 3A5000 處理器已經(jīng)流片，很快就要發(fā)布了。龍芯 3A5000 處理器將采用臺(tái)積電 12nm 工藝流片，處理器主頻有望提高到 2.5 GHz 以上，和友商處理器的主頻差距進(jìn)一步縮小。據(jù)稱，龍芯 3A5000 的 SPEC CPU 2006 性能將達(dá)到 25~30 分。
根據(jù)我對(duì)龍芯 3A4000 處理器的性能測(cè)試，如果把龍芯 3A5000 處理器視為 3A4000 的簡(jiǎn)單升級(jí)版，僅僅提高主頻，內(nèi)存頻率和緩存都不變，采用圖 7 中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)擬合，我預(yù)測(cè)龍芯 3A4000 處理器在 2.5 GHz 主頻時(shí) peak 性能約為整數(shù) 25.9 分、浮點(diǎn) 26.7 分。龍芯 3A5000 會(huì)將三級(jí)緩存大小加倍，提高內(nèi)存的頻率 (有望達(dá)到 3200MT/s），還會(huì)進(jìn)一步提升處理器的性能，我們可以假設(shè)有這些調(diào)整可以帶來(lái) 5% 的性能提升；龍芯 3A5000 處理器采用了 Loongarch 指令集，擺脫了 MIPS 指令集的歷史包袱，根據(jù)胡偉武研究員的報(bào)告，僅僅是指令集的更新，就可以讓性能提升 16.6% 和 9.4%，我們可以保守估計(jì)有 9% 的性能提升。龍芯 3A5000 也有望使用真正的 256 位向量指令，而非 MSA 中的 128 位向量，程序運(yùn)行速度可以進(jìn)一步提高，可以保守估計(jì)這能帶來(lái) 2% 的性能提升。
根據(jù)上面的計(jì)算，我認(rèn)為龍芯 3A5000 處理器的 SPEC CPU 2006 單核 peak 性能可以達(dá)到整數(shù) 30 分、浮點(diǎn) 30 分。屆時(shí)，龍芯處理器將在單核性能上追平或趕超其他國(guó)產(chǎn)處理器。2021 年下半年，16 核龍芯 3C5000 以及 64 核龍芯 3E5000 的流片，也將提高龍芯處理器的多核性能，有助于龍芯擴(kuò)展服務(wù)器市場(chǎng)。
致謝
本次測(cè)試借用了網(wǎng)友 gueenet 的龍芯 3A4000 主機(jī)，對(duì)他的慷慨和信任我深表感謝！在對(duì)內(nèi)核的性能測(cè)試中得到了陳華才、flygoat 的指導(dǎo)。對(duì) SPEC CPU 2006 性能的探索，受到了網(wǎng)友 yygg100 所發(fā)視頻的啟發(fā)，對(duì)他的視頻分享一并表示感謝。封面圖由龍芯吧 Windows1089 提供。
參考資料：
IT之家對(duì) SPEC CPU 感興趣的朋友，可以參考 https://github.com/zevanzhao/loongson-notes 中的文檔，進(jìn)行龍芯平臺(tái)下 SPEC CPU 2006 的跑分。
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