海光X86服务器芯片深度解读

来源：内容翻译自「anandtech」，谢谢。

2016年，AMD通过一系列合资和创建公司的方式，将其第一代Zen x86处理器的设计许可销售给了中国。其目标是双重的：中国希望为高性能x86计算提供“本土化”解决方案，而AMD当时需要现金注入。

Hygon Dhyana系列处理器可覆盖从商用到服务器等领域。由于其基于Zen 1的设计，因此，可以认为其性能与Ryzen 1000和Naples EPYC,一致，此前，没有人公开测试过这些硬件。多亏了与我们的朋友Wendell Wilson在YouTube频道Level1Techs上的合作，我们才对Hygon CPU进行了首次全面的评测。

从源头讲起

市场上主要有三家x86处理器供应商：英特尔，AMD和盛威。英特尔和AMD在高性能计算领域已经竞争了数十年，其他竞争者因为没有被授权，所以无法进入到这个领域。由于x86架构拥有多项专利，英特尔不希望其他人加入触动其市场主导地位。但令事情复杂化的是，AMD的64位x86版本目前正在被很多参与者使用。因此，英特尔和AMD之间展开了竞争。与此同时，盛威也有所行动，但它的市场份额很小。

AMD经历了许多风风雨雨。在Bulldozer CPU架构年代，成本大幅度下降，性能也不是很好，而英特尔在笔记本，台式机，商用和企业等所有领域均取得了显着进步。彼时，英特尔CPU凭借其设计以及市场主导策略占据了有利地位，而此时的AMD缺少竞争产品，另外，AMD收购了图形IP公司ATI，之后，AMD几乎破产。在前首席执行官Rory Read的领导下，AMD开始变得稳定，在现任首席执行官Lisa Su博士的主持下，AMD将大量投资投入了x86 CPU设计。另一方面，AMD的债务一度高于其有形资产，公司甚至不得不出售其总部大楼，并从新业主那里租回大楼，以筹集资金维持运营。

这种“生存”策略的另一个要素是对AMD x86 IP的转授权，在这种授权下中国创造了Hygon Dhyana x86处理器。有人会说这是AMD生存的基石，但是，普遍的共识是，这一份转授权最终使AMD在最初2.93亿美元的交易中只获得了大约2亿美元。当时，AMD已经凭借Ryzen 1000系列处理器迅速进军消费市场，该系列处理器提供了8个核心，在性能上有一定的竞争力，AMD通过其性价比击败了英特尔，这使AMD有足够的资金在关键领域进行再投资。转授权最终为AMD提供了更多的安全保障，这取决于第一代Ryzen产品组合的成功。

AMD的尽职调查

简单地说“AMD转授X86设计中的IP”在一段时间内听起来有些牵强。如果AMD或英特尔相信让别人出售其CPU设计的机会是有利可图的，为什么要等到2015/2016年才实现呢?虽然AMD从中赚了一些钱，但它没有违反任何英特尔-AMD的许可协议。最重要的是，它没有违反美国任何有关出口高性能计算知识产权的法律。

最后一点很重要。美国政府根据其性能为英特尔，AMD和其他公司生产的每个CPU赋予了价值。有些是不同FLOP和功耗上组合，某些超过特定阈值的被认为过于强大，无法在市场上出售。这包括了AMD 和英特尔需要提供非发展规划路线图以外的，需要根据需求改变核心数量/频率的半定制处理器。

AMD当时发表了以下声明：

从2015年开始，AMD在成立合资企业之前，努力并积极地向美国国防部，商务部和美国政府内的其他多个机构进行了简要介绍。AMD没有收到任何机构对组建合资企业或技术转让的任何反对意见，并且这些技术的性能低于其他商用处理器。事实上，在合资企业成立和技术转让之前，商务部通知AMD，提议的技术不受限制或以其他方式禁止转让。鉴于这一明确反馈，AMD推进了合资企业的发展。

AMD已经联系了国防部，以及所有相关部门，并且已经得到了批准。新的微架构被认为性能很低，不符合任何出口禁令。AMD还得到了非常明确的确认，即“提议的技术不受限制，也不被禁止转让”，这是一个相当严厉的声明。在这一点上应该清楚的是，AMD可能已经提交了一个修改版的IP给美国相关部门，而不是我们在Ryzen 1000系列中看到的微架构。

合资企业中的合资企业

所有这一切的最终目标是能够向中国提供AMD的Zen 1 CPU版本，与过去十年或更长时间的情况一样，中国希望减少对美国技术和知识产权的依赖，以实现自给自足。AMD的合资企业为Hygon Dhyana设计的工作方式基本上是一个非常迂回的方式。

负责监督该业务的合资企业的名称为THATIC，即天津海光先进技术投资有限公司。该公司由AMD和包括中国科学院在内的多家中国企业共同拥有，但AMD拥有至少51％的股份。

为了执行所需步骤，创建了两家公司-这些公司将由AMD和THATIC共同拥有（请注意，AMD也拥有THATIC的一部分）。这些公司是：

HMC：海光微电子有限公司
Hygon：成都海光集成电路设计有限公司

在这些公司中

HMC由AMD拥有51％的股份，由THATIC拥有49％的股份。
Hygon拥有AMD 30％的股份，THATIC拥有70％的股份。

这些公司在链中扮演着不同的角色。HMC与AMD合作进行设计，GlobalFoundries进行制造，而Hygon与HMC合作则添加了协同设计和封装，然后将其销售到中国。

授权IP与转授权X86不同

当THATIC合资企业成立时，人们产生了很多困惑。最大问题是，AMD是否以某种方式将完整的x86架构许可给了一家中国公司，从而使他们能够构建功能全面的定制x86 CPU。

AMD所做的是向HMC许可了单核设计以及SoC布局。这样，AMD工程师和高管参与了HMC，因此从技术上讲，他们仍然存在。通过这些核的设计和SoC布局，HMC将平面图（而不是RTL）发送给Hygon进行更新。Hygon向HMC提交了更新，该更新被AMD工程师批准或拒绝。HMC再进行整合更改，然后从Hygon接受订单以进行制造。在Hygon的订单下，HMC带着设计去了GlobalFoundries并订购了晶圆。然后，HMC将晶圆卖给了Hygon，后者将CPU封装成各种配置并将其出售到中国市场。Hygon还可以帮助设计新平台的主板。

具体来看，可以细分为以下步骤：

AMD通过建议的SoC布局将核的设计授权给HMC
HMC为Hygon提供平面图
Hygon建议更改HMC
HMC的AMD工程师批准/拒绝更改
HMC向Hygon提供了最终的平面图，准备接受订单
Hygon向HMC订购晶圆/硅芯片
HMC接近GlobalFoundries进行制造
GlobalFoundries在新设计上达到了特定的频率/良率
HMC将完整的晶圆出售给Hygon
Hygon在中国进行封装
Hygon向中国出售完整的CPU

因为HMC是为Hygon提供IP，所以尽管底层设计来自AMD，但现在可以将CPU分类为“中国”的。

当AMD宣布创建THATIC时，它谈到了将其Zen核IP转授权给合资企业。它被描述为多年的合作伙伴关系，但是在一次贸易展览会上证实，AMD只是对其IP的单个版本进行转授权，并且没有计划对任何其他产品进行转授权。

当时，假定AMD已对其Zen核IP的子版本进行了再授权，该版本已经与Ryzen 1000系列处理器和 EPYC Naples处理器一起发布。但是，正如本次测评的一部分所示，AMD似乎在对合资企业进行设计之前对其设计进行了一些性能更改-特定指令的吞吐量，这低于从直接来自AMD的处理器中看到的吞吐量。

不仅如此，在步骤清单中，第（4）点最合适。Hygon要求针对中国市场进行特定更改。在每个人都为“为中国政府创造后门”之前，我们知道由于Linux内核更新而进行的一些修改。与西方国家相比，在中国使用了不同的密码算法，因此更改了它们的硬件加速功能，并使用了不同的微码来实现这些功能。该测评的一部分是尝试找出是否还有其他更改。

在各种布局更改后的最终产品就是Hygon Dhyana x86内核，这是“针对中国的更新Zen内核”，Hygon将该软件包打包用于嵌入式，商业和企业系统。在Computex 2018上，我们看到中国服务器供应商Sugon参与了该项目，该公司展示了其基于32核Hygon CPU构建的服务器。遵循在线基准数据库的用户还看到了针对8核商业和嵌入式版本的提交，这些版本可能用于政府和教育部门的部署。

我们应该指出，我们曾多次问过AMD Hygon Dhyana设计与原始Zen 1内核有什么不同。由于“ AMD”在所有这些方面的作用有限，我们被告知，如果我们能够掌握一个，如果我们在测试中发现设计变更，他们可能会考虑确认或拒绝。尽管AMD与Ryzen和EPYC处理器系列一样开放，但在谈论Hygon时却形成了鲜明的对比。

首批Hygon CPU于2018年进入中国市场，但是几乎无法采购。Hygon CPU从未打算出售给西方国家，而CPU的性质和与采用这种CPU的公司则意味着，我们可能找不到人会为我们的测评提供样品。

2019年，美国创建了被视为对美国市场潜在安全威胁的中国公司的``实体清单''。结果，与这些公司（在美国创造至少25％的产品或IP）的任何商业互动均受到限制。THATIC是名单上的公司之一，这意味着AMD不再可以向合资企业授予任何其他IP许可。THATIC仍然可以访问其获得许可的原始IP，并且可以继续对其进行管理（尽管没有AMD的协助），但是该禁令还限制了HMC从GlobalFoundries订购晶圆的能力，如果不取消，整个过程将陷入困境。

与Wendell合作：采购Hygon CPU

在这篇综述中，我们在Wendell Wilson的实验室中测试了两个远程系统。Wendell Wilson是Level1Techs YouTube频道富有魅力的主持人。有消息来源问我们是否想要购买系统，我们收集的是来自美国Hygon或Sugon子公司的旧工程样品，该子公司正在进行生产后分析和性能测试。该子公司现已解散，这是实体清单禁令的连锁反应，该公司内部的工程硬件(我们不知道)已被出售。由于地点的关系，温德尔提出让他们住在这里，拍一些照片和视频，而我们两人都做了业绩评估。来自LinusTechTips频道的Linus团队也被邀请参与——你可以在这里看到制作的视频。

最终，我们使用了两种系统进行测试-一台商用“ Hygon Dhyana”和一台企业“ Hygon Dhyana Plus”。

商业系统看起来像普通的8核Ryzen 1000系列系统，但是它实际上是BGA设计，无法升级。实际上，这似乎是早期的工程示例，因为CPU甚至都没有与之关联的数字。安装点也有一些有趣的事情，我们将在适当的时候进行介绍。

企业系统是双32核Hygon 2U服务器。这些CPU表示它们是'7185'型号，我们知道这是Hygon提供的最高核心数量，也是性能最高的32核心部件之一。将其中两个放入服务器看起来非常像2P EPYC Naples设计。

应当指出，我们在贸易展览会上确实见过Hygon处理器，您可能会在底部看到一些中文文字—— “ 用芯来计算未来 ”。

在接下来的几页中，我们将更详细地研究这两个系统，然后研究我们发现的与多年前我们已经测试过的Ryzen 1000和EPYC Naples处理器相比，在核心和SoC级别上的根本区别。

Hygon系统：8核Dhyana和双32核Dhyana Plus

Hygon已知发布的所有版本可以归结为两个平台:一个包含单个8核的Zen 1 die，类似于桌面处理器(或EPYC 3000);另一个是一组由4个die构建的服务器处理器，类似于Naples。

我们要测试的8核工程样本系统没有提供任何确切的SKU编号-在CPU上显示“ C86”，这意味着“中国x86”。其余的编号可能与硅片所来自的晶圆和批次相关，但我们没有相关的资料。

主板使用microATX，它非常像一个服务器主板，DDR4插槽是水平而不是垂直的，以便在服务器机箱中引导气流通过系统。首先从插座开始，我们有一个无插槽的BGA设计，这样的CPU不能升级，因为它是绑定到主板上的，类似于我们看到的笔记本电脑和嵌入式系统。安装孔是在这里让我惊讶的事情——这些不是AM4安装孔，我们通常看到的消费者版本的Ryzen，但这些安装孔是英特尔安装孔。我猜有人肯定有很多旧的英特尔散热器。要么这样做，要么会使Hygon的合作伙伴更轻松地找到特定的服务器级冷却器。

CPU具有六相电力输送系统，并且由于这是纯CPU产品，因此没有集成图形。左下方是IPMI控制器提供的2D图形形式，这是我们在服务器系统中通常看到的经典ASPEED AST2500芯片。与其他microATX主板不同，这里没有典型的四插槽设计，而是三插槽设计，带有两个全长PCIe 3.0插槽（能够支持x16 / x0或x8 / x8）和一个开放式PCIe x4插槽。

通常，这些CPU确实不需要芯片组，因为它们在芯片上具有SoC级别的IO功能，尽管在Ryzen 1000系列首次推出时，Ryzen CPU可与X370芯片组配对。Hygon并未使用这些芯片组，而是将CPU与Lattice Semiconductor FPGA配对以用作各种芯片组。这给主板提供了一套奇特的组合IO，包括SATA端口，四个双LED显示屏，许多自定义的连接器和按钮以及许多我们不知道的未记载的东西。例如，主板上似乎有两块电池——大概是为了保持开机时间，而另一块似乎更持久，并且为什么不存在。

这是我们在上面放置了等效的AM4消费级Ryzen CPU的主板，以显示其尺寸。

相比之下，双插槽服务器有点像野兽。据我们了解，这些服务器是为计算和存储而构建的，每个CPU与四个分支连接器配对，该分支连接器具有四个U.2驱动器或16路SATA连接。CPU具有八通道内存功能，但是由于一些原因，我们不得不在四通道模式下对其进行测试。

在这种情况下，CPU也称C86，但型号上也有7185，表示32核CPU。其carry case为红色，这在Naples EPYC CPU中则为蓝色，Threadripper CPU为橙色，Rome EPYC CPU为绿色。对于这些CPU，红色可能是对中国人的致敬，但是我们没有一个与之交谈的人能够证实这一点。

该服务器实际上是Sugon设计，具有12个前面板2.5英寸驱动器插槽。对于8核系统，将其放入标准台式机壳中并配备CPU散热器。这两种系统都通过远程桌面访问进行了测试，因为当我回到伦敦时，Wendell将它们托管在他在肯塔基州的实验室中。

尝试探测CPU时，CPU-Z似乎没有太多线索。该软件在8核用户端上提供了此接口，显示了3.2 GHz频率，但只有一个核，除了对AVX，AVX2和FMA3的支持外，没有其他细节。对于服务器CPU，CPU-Z完全无法运行。我们能够确定的是，该软件认为每个内核都是一个单独的插槽，而且看来对于Hygon型号，在AMD消费类CPU上访问此数据的一些常用方法已经全部更改，以逃避使用常规方法进行检测，或符合不同标准。有趣的一点是，虽然CPU-Z检测到AVX和AVX2，但我们的某些软件无法检测到，因此我们不得不恢复为SSE检测，以使该软件甚至运行。

Hygon CPU：中文加密，不同的性能

最重要的问题是与标准的Ryzen和EPYC CPU相比，这些处理器究竟发生了什么变化。说它们是重新定义的处理器，就像一些人怀疑的那样，是完全错误的——我们可以通过Linux内核更新提供的不同加密引擎来判断。但我们也发现了其他的差异。

从总体上看，我们可以确定，其内核的layout是相同的，缓存大小，TLB大小和端口分配都相同，在此基础级别上没有差异。CPU仍然为L1指令高速缓存提供64 KB 4路，为L1数据高速缓存提供32 KB 8路，为L2高速缓存提供512 KB 8路，为L3高速缓存提供8 MB 16路。 Zen 1核心。TLB条目如下：

L1D + L1I：4K / 2M / 1G 64个条目
L2D：4K 1536项6路，2M 1536项3路，没有1G
L2I：4K / 2M 1024条目8路，无1G

L1的内存访问时间为4个周期，L2的为12个周期，L3的为37-40个周期。存储潜伏在284-307个周期内测量。

L1读取速度的测量约为每个时钟32个字节（总计805 GB / s，每个内核约100 GB / s），而写入速度测量的每个时钟约为16字节（总计408 GB / s，每个内核约51 GB / s））。8核的DDR4内存速度使读取速度为38.5 GB / s，写入速度为35.8 GB / s。

密码的变化

对于加密更改，Linux内核更新中详细介绍了这些更改。更新围绕AMD的虚拟化功能或SEV的安全加密进行。通常，对于EPYC处理器，SEV由AMD定义的加密协议控制，在这种情况下为RSA，ECDSA，ECDH，SHA和AES。为了生成正确的密钥，SEV使用这些方法。但是，在Hygon Dhyana设计中，SEV被构建为使用称为SM2，SM3和SM4的算法。

如更新中所述，SM2基于椭圆曲线加密，并且需要额外的私钥/公钥交换。SM3是类似于SHA-256的哈希算法，SM4是类似于AES-128的分组密码算法。为了支持这些算法所需的额外功能，其他命令被放入Linux内核中。在说明中指出，这些算法已在Hygon Dhyana Plus（可能是大型CPU）处理器上成功测试，但也已在AMD的EPYC CPU上成功测试。

放慢指令

我们能够确定的最大设计更新是指令吞吐量。我们认为之前没有提到Dhyana Plus和EPYC之间的区别，我们做了额外的检查以确保我们的软件显示正确的数据，但只是故意使某些指令变慢了。这具有一些相当严重的含义，尤其是取决于它何时在信道中发生。

我们认为情况是，为了使AMD导出其SoC设计，它还必须共享与CPU解释指令的方式有关的微代码，并被告知要减慢某些关键指令（或完全禁用它们）的顺序，这些工作要合资企业与中国公司一起进行。

在我们的测试中，我们发现，尽管Hygon和EPYC之间的整数性能相似，但是某些浮点指令（即DIV和SQRT）并未在Hygon CPU中进行流水线处理。这意味着吞吐量和延迟减少了。许多简单的MMX / SSE指令降低了吞吐量：

这些说明对于基本任务非常重要。通过同时限制这些指令的吞吐量，意味着这些CPU无法进行并行计算，从而最终降低性能。

但是，最大的变化也许是服务器“ Dhyana Plus”处理器和消费者“ Dhyana”版本之间的差异。Dhyana Plus大大减少了随机数的产生。关键指令RDRAND和RDSEED具有各种导致速度慢/快的原因。比较如下：

这是完全不同的，尤其是在RDSEED中。我们看到，用于生成随机数算法的种子生成RDSEED在服务器芯片上的速度慢了10倍以上，而用于实际生成基于硬件的随机数的RDRAND则比标准Ryzen快-在服务器芯片上也是如此。有趣的是，在Ryzen Mobile和Ryzen Desktop APU上也看到了服务器芯片的RDSEED相同的延迟。

对于RDRAND，拥有更快的随机数生成器可以说明两件事：要么实际上更快，要么随机算法的周期性较低。最好的伪RNG具有最大的周期性，因此在这种情况下RDRAND很快使我们得出结论，周期性很低，会产生质量较低的随机数。

对于RDSEED，它慢10倍的事实有点不同。RDSEED旨在从板上的各种传感器中获取信息，并输出一个随机值以初始化RDRAND-每个周期仅应调用一次。较慢的RDSEED要么意味着它从更多来源获取数据（这是一件好事），要么是故意放慢了它（一件坏事）。

实际上，可以在我们的Dhyana Plus系统的BIOS中启用/禁用RDRAND和RDSEED。

有趣的是，该菜单称为“ Moksha通用选项”。Moksha是通常与“启蒙”或“释放”相关的词。这要么是文字游戏，要么是有人在翻译中从非上下文的汉语到英语词典中进行挖掘。

关于AVX和AVX2的性能，即使CPU能够将自己标识为具有AVX和AVX2支持，但尝试实际测量这些指令却失败了–在我们的指令转储中，它们被列为“受支持的，已禁用”。关于受支持的功能，Zen 1通常将AESNI，SHA，CLMUL，FMA4，BMI和BMI2列为受支持的指令-Hygon CPU不支持这些指令。

对于诸如AES之类的事情，我们有一个直接的基准测试，这些CPU不支持AES的事实意味着我们的性能出现了下降：

还应注意，通过探测寄存器来查找AMD CPU功耗的典型方法在这里也失败了。这些似乎完全从CPU中删除了。

以Windows为基准

对于这两个系统，我们都安装了Windows：在小型8核Dhyana系统上安装了Windows 10 Pro，在大型双核32核Dhyana Plus服务器上安装了Windows 10 Enterprise。由于AVX / AVX2无法正常工作，因此我们的测试范围受到限制。如前所述，某些软件甚至都不希望在一个系统或另一个系统上运行，例如服务器上的CPU-Z。

从数字上我们可以看到，由于时钟速度的原因，我们的8核Dhyana处理器介于6核Ryzen 5 1600X和8核Ryzen 6 1800X之间，但在某些测试中，它甚至受到Athlon 200GE的冲击。双32核Dhyana Plus服务器似乎一团糟，经常被Ryzen 7 1800X击败，或者现在可以很容易地被Ryzen 9 3950X击败。但在Corona（一种基于内存/ NUMA不可知整数的渲染器）环境下，他们表现的很出色，看起来就像是天作之合。

结语

美国制造的每个处理器都必须达到一定的性能水平，才被认为适合出口。这样的产品，公司都拥有与硬件性能有关的文档，这些文档由美国法律的度量标准决定。这些指标包括原始处理能力（以千兆位触发器（GFLOP）为单位），调整后的峰值性能（APP）和/或复合理论性能（CTP）。根据不同的地区，这些指标中的一项或多项可能适用。

解决这个问题的一种方法是，如果您不能导入CPU，那么就需要授权来构建它。但更重要的是，如果您可以调整授权并在设计中加入自定义输入，那么您可以将硬件重新标记为一个简单的设备，并在一定程度上具有合理性。这就是为什么AMD的核心设计之一经过修改后，成为了面向中国市场的“中国”x86 CPU。这种做法最大的好处不是避免进口问题，而是附带的“中国”标签。同样，我们假设使用这些CPU的人们在购买商品上没有选择权。

我们发现这些处理器已经从Zen 1设计中进行了多种更改。说它们是Zen 1 SoC的抄本，这是很多人怀疑的事实，这是不对的——设计方面已经发生了足够的变化，可以说这些部件已经重新做出调整，主要是因为其性能比Zen 1同类产品差。整数性能基本相同，但是浮点性能已降低——普通指令的吞吐量只有一半，并且随机数生成已调整为既慢又会产生质量较低的随机数。加密引擎也已被替换，这些CPU中没有使用加速常见的AES指令，而是使用了针对中国安全性的指令，例如SM2，SM3和SM4。在我们的测试中尽管处理器在探测时显示AVX / AVX2支持，但这似乎已被禁用。我们怀疑这更多是固件错误，而不是Hygon CPU的限制。

AMD能够将其第一代Zen核心设计的编辑版本转换为“中国”设计的x86 CPU的方法非常复杂。首先，与其他中国公司THATIC成立合资公司，然后组建两家公司HMC和Hygon，两家公司在AMD和THATIC之间的持股比例不同，这些公司的分工不同，也就以便于其核心技术仍掌握在AMD手中，但AMD允许合资企业的中方进行修改。然后必须批准这些请求，然后HMC从GlobalFoundries委托芯片，而后Hygon打包并将其出售给Sugon等公司。我们将在第一部分的概述中对此进行详细介绍。

AMD不愿意讨论处理器的安排或更改的任何更详细的细节，有一次，我在台北国际电脑展上看到一台Hygon Dhyana处理器，原因是与Hygon供应商的一次沟通失误，那个让我拍照的人在事后突然停止了与我的沟通。从这些讨论中，我们花了一年多的时间才拿到用于测试的芯片，因为目前美国的实体名单禁令覆盖了其中一家合资公司。这基本上扼杀了这个项目，并导致其中一家美国子公司被封存，让一些曾经受到严密控制的零部件泄露到市场上。

总体而言，这些Hygon CPU为中国提供了英特尔市场的替代产品，并且可以说比通过进口限制而购买的速度更快。AMD在迫切需要的时候赚了一些钱，但是随着Zen 2平台的成功，我不认为AMD在接下来的十年中需要做类似的事情。AMD及其合资企业THATIC与合资公司之间的协议，只是针对单一核心设计Zen 1，而非Zen 2，这限制了其竞争力。

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