兆芯总工程师王惟林：新一代国产通用CPU三大突破得之不易

通用CPU是IC行业内最具代表性的高集成度产品之一，其研发难度之高、资源投入之多均属行业前列，却又与信息技术的发展息息相关。2019年6月，兆芯推出的新一代通用CPU KX-6000/KH-30000系列处理器，在采用16nm工艺，将主频提升到3.0GHz的同时，性能也进一步迈入国际主流水准，为国产通用CPU的发展树立了重要的里程碑。新一代通用CPU的成功发布与量产，128mm Die面积上集成的20亿颗晶体管，凝聚着无数的辛勤付出与汗水，作为CPU研发团队的负责人，兆芯副总经理/总工程师王惟林对国产通用CPU的发展与突破，有着更深的体会。

兆芯副总经理/总工王惟林工作照

除了周期长投入大，更重要的是寻找平衡

王惟林表示，一颗通用CPU从微架构设计到最终发布量产，是一个时间、人力、物力各方面投入巨大的过程。在整个芯片的研发历程之中，微架构的设计开发占据着巨大的比重。这项工作的实施既要考虑到未来的产品方向、技术趋势以及工艺的变化演进等因素，还要结合对功能、性能、频率、功耗等方面的预期进行综合的考虑，在这些需求中间寻找到一个最佳的平衡点。“比如说，在某些单项参数方面，我们已经可以做到比现有数值好很多。但是考虑到最终客户的需求、产品的稳定性、应用场景的功耗控制等，通常都会做一些取舍。”

国产处理器研发历程

国产处理器研发历程

微架构确定之后会进入到具体的设计阶段，在这一阶段，一方面要根据目标市场，进行更详细、更密集的性能、频率、功耗等方面不断验证、优化，另一方面基于未来IO的标准、规格，进行芯片组功能的设计研发，特别是IP的研发测试也极为消耗时间和精力。“整个产品设计阶段，需要经历数次RTL代码、时序等方面的优化，以及从电路级、到模块级、芯片级，乃至系统级的验证测试，而这些还不包括芯片流片之后的功能、性能、适配、良率等方面的更进一步测试和优化工作，”王惟林在说起这些需要日复一日重复的设计环节时语气凝重，依然有重重的责任感。

此外，CPU的设计研发工作中，设计方法的研究也是非常重要的组成，每一代工艺对应的设计实现的方法在不断演进，高性能的CPU的设计方法也需要不断提升，这样才能够基于目标工艺，让最终的产品在频率和功耗等方面达到最优。

互联改进、频率提升、自主IP，新一代通用CPU三大突破得之不易

兆芯新一代通用CPU KX-6000/KH-30000系列处理器有三项技术突破的过程令王惟林印象尤为深刻，一是片内、片间互联的改进，二是频率的提升，三是DRAMC DDR4 3200控制器自主IP的成功开发。

ZPI（Zhaoxin Processor Interconnect）兆芯自主开发的全新片间互连技术

片内互联方面，兆芯的研发团队基于上一代KX-5000系列处理器片内互联带宽、传输效率、内部延迟等方面存在的问题，通过建立多种仿真模型进行了大量的测试和优化。片间互联ZPI 2.0是兆芯自主设计的一套方案。“互联架构的设计研发以及测试验证，这些工作大约占据了整个芯片研发工作四分之一的工作量。”在整个互联协议、内核间数据一致性上，研发团队需要进行大量的、非常复杂的测试和研究。

至于用户最关注的主频提升，王惟林表示，从上一代产品的2.0GHz提升到KX-6000/KH-30000系列处理器的3.0GHz，除了对流水线的优化，物理实现的优化，设计过程中遇到了很多的问题。

“处理器频率和设计规模不断提升，高速和高密，高功耗会使系统内的环境更加恶劣电磁环境的干扰和系统内部的相互窜扰，严重地威胁着处理器的稳定性、可靠性和安全性。最典型的就比如PI（电源完整性）、SI（信号完整性）在3.0GHz下的抖动和损失，为了解决这个问题，整个团队在后端、微架构、电路、逻辑设计等方面都进行了特别的处理，并开发了新的功能，比如频率根据电学抖动自适应等。”

新一代通用CPU中还集成了很多兆芯自主研发的IP，其中 DRAMC DDR4 控制器支持3200MHz，达到了行业的主流标准。从上一代2400MHz到3200MHz，频率的提升同样带来了SI方面的很多问题，针对这些问题，相关的设计团队在IP设计、电路和PCB板设计方面也都花费了巨大的精力来改进优化，直到最终各项指标达到预期。

兆芯新一代处理器集成的IP（部分）

正视差距，上紧发条，全力追赶

肯定成绩也要正视差距，谈及未来发展，王惟林信心满满

就国内而言，兆芯新一代通用处理器在频率、性能、IO标准等方面均处于前列，但放到国际上看，依然存在这很大的差距。在谈及国产通用CPU与国际同类产品的差距时，王惟林表示，我们也知道差距所在和努力的方向，但由于人力、时间、资金等外部因素的影响，让兆芯在芯片研发过程中，只能一次性的解决一些问题，并且很难有试错的机会，没有办法精雕细琢和深入研究，只能尽全力一点点追赶上去。“方法和流程，如同材料学和飞机发动机一样，需要大量的试错和基础预研。但是兆芯一直处于赶路状态，要确保每一颗芯片成功，很多现实压力让你没有时间也没办法进行试错，找出某些关键问题的更优解。”

“与国际厂商相比，我们在研发投入、人力资源方面都远远不足，但依旧要保持正常的研发周期，团队所要付出的时间成本就更加显著，唯有给自己拧紧“发条”，加班加点自然也就变得稀松平常，再然后也成了一种习惯，“王惟林说。

关于接下来的工作重心，王惟林表示，兆芯目前正在积极准备下一代的产品，希望在微架构方面能取得更大的突破，“在KX-6000/KH-30000系列处理器的基础上，单核性能得到显著的提升，同时进一步优化片内、片间互联的性能，并且在内存、IO规格支持上达到国际同期主流水准，力求打造出一款更好用的电脑芯，在满足用户需求的同时，加速缩短与国际领先水平的差距，“谈及未来目标，王惟林信心满满。