高性能众核处理器申威26010 - 胡向东, 柯希明, 尹飞, 张新, 马永飞, 颜世云, 马超.pdf
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计 算 机 研 究 与 发 展
DOI
:
１０．７５４４∕issn１０００Ｇ１２３９．２０２１．２０２０１０４１
JournalofCom
p
uterResearchandDevelo
p
ment ５８
(
６
):
１１５５ １１６５
,
２０２１
收稿日期
:
２０２０
－
１２
－
２１
;
修回日期
:
２０２１
－
０４
－
２６
基金项目
:“
核高基
”
国家科技重大专项基金项目
(
２０１３ZX０１０２８Ｇ００１Ｇ００１
)
Thisworkwassu
pp
ortedb
y
theNationalScienceandTechnolo
gy
Ma
j
orPro
j
ectsofHe
g
ao
j
i
(
２０１３ZX０１０２８Ｇ００１Ｇ００１
)
．
高性能众核处理器申威
２６０１０
胡 向 东
柯 希 明
尹
飞
张
新
马 永 飞
颜 世 云
马
超
(
上海高性能集成电路设计中心
上海
２０１２０４
)
(
huxdisme＠vi
p
．sina．com
)
ShenweiＧ２６０１０
:
A Hi
g
hＧPerformanceMan
y
ＧCoreProcessor
HuXian
g
don
g
,
KeXimin
g
,
YinFei
,
ZhaoXin
,
MaYon
g
fei
,
YanShi
y
un
,
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(
Shan
g
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g
hＧPer
f
ormanceInte
g
ratedCircuitDesi
g
nCenter
,
Shan
g
hai
２０１２０４
)
Abstract BasedonthemultiＧcore
p
rocessorShenwei１６００
,
thehi
g
hＧ
p
erformanceman
y
Ｇcore
p
rocessor
Shenwei２６０１０ado
p
tsSoC
(
s
y
stemonchi
p
)
technolo
gy
,
andinte
g
rates４com
p
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g
Ｇcontrolcoresand
２５６com
p
utin
g
coresinasin
g
lechi
p
．Itado
p
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(
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p
uter
)
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g
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g
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g
n
,
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pp
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(
sin
g
leinstruction
multi
p
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inte
g
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g
Ｇ
p
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p
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p
eak
p
erformancefor
double
p
recision floatin
g
Ｇ
p
oint o
p
erations reaches ３．１６８TFLOPS．Shenwei ２６０１０
p
rocessor is
manufacturedusin
g
２８nm
p
rocesstechnolo
gy
．Thedieareaofthechi
p
ismorethan５００mm
２
,
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２６０coresofthechi
p
canrunstabl
y
withafre
q
uenc
y
of１．５GHz．Shenwei２６０１０
p
rocessorado
p
tsa
variet
y
oflow
p
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p
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g
nsonthearchitecturelevel
,
themicroarchitecturelevel
,
and
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,
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,
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g
toa
p
eakener
gy
Ｇefficienc
y
Ｇratioof１０．５５９GFLOPS∕W．Notabl
y
,
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p
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g
fre
q
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y
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gy
Ｇefficienc
y
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p
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p
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p
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g
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g
hfre
q
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g
n
,
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y
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g
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,
Shenwei２６０１０haseffectivel
y
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g
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q
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,
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,
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p
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g
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p
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y
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p
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g
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”
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;
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p
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;
com
p
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g
core
;
low
p
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g
n
;
ener
gy
Ｇefficienc
y
Ｇration
摘
要
申威
２６０１０
高性能众核处理器在多核处理器申威
１６００
基础上
,
采用片上系统
(
s
y
stemonchi
p
,
SoC
)
技术
,
在 单 芯 片 内 集 成
４
个 运 算 控 制 核 心 和
２５６
个 运 算 核 心
,
采 用 自 主 设 计 的
６４
位 申 威
RISC
(
reducedinstructionsetcom
p
uter
)
指令系统
,
支持
２５６
位
SIMD
(
sin
g
leinstructionmulti
p
ledata
)
整数
和浮点向量加速运算
,
单芯片双精度浮点峰值性能达
３．１６８TFLOPS．
申威
２６０１０
处理器基于
２８nm
工
艺流片
,
芯片
die
面积超过
５００mm
２
,
芯片
２６０
个核心稳定运行频率达
１．５GHz．
申威
２６０１０
处理器从结
构级
、
微结构级到电路级
,
综合 采 用多 种 低功 耗 设计 技 术
,
峰值 能 效比 达
１０．５５９GFLOPS∕W．
芯片 运 行
频率和能效比均超过同时期国际同类型处理器
．
申威
２６０１０
通过在高频率设计
、
稳定可靠性设计和成品
率设计等方面的技术创新
,
有效解决了芯片在实现高性能目标中所遇 到的高 频率目 标
、
功耗墙
、
稳定可
靠性和成品率等难题
,
成功大规模应用于国产
１０
万万亿次超级计算机系统
“
神威
太湖之光
”,
有效满足
了科学与工程应用的计算需求
．
关键词
申威指令集
;
运算控制核心
;
运算核心
;
低功耗设计
;
能效比
中图法 分类号
TP３３８
Fi
g
．１ TheoverallstructureofShenwei２６０１０
图
１
申威
２６０１０
总体结构图
为了 满 足 国 产超 级计 算机 研 制 对 国 产 高 性 能
CPU
(
central
p
rocessin
g
unit
)
的 迫 切 需 求
,“
十 一
五
”
期间
,
在
“
核高基
”
国家 科 技重 大 专项 的 支持 下
,
申威处理器研发团队 完成 了高 性 能多 核
CPU
芯片
申威
１６００
的研发
[
１
]
,
申威
１６００
被 成 功 应 用 于 第 一
台全部基于国产
CPU
芯片构 建 的国 产 千万 亿 次超
级计算机系统
“
神威
蓝光
”
．
“
十 二 五
”
期 间
,
申 威 研
发团队继续在国家
“
核高 基
”
重大 专 项的 支 持下
,
成
功完成 了高 性 能众 核 处理 器 申威
２６０１０
的 研 发
．
为
了在性能和稳定可靠性等方面满足构建国产新一代
超级计算机系统的 需 求
,
芯片 研 发团 队 在高 性 能多
核处理器申威
１６００
研发成果和技术基础上
,
突破了
芯片结构设计
、
低功耗设计
、
稳定可靠性和成品率设
计等多个方面的关键技术
,
最终于
２０１４
年完成芯片
研制
,
并大规 模 应 用 于 国 产
１０
万 万 亿 次 计 算 机 系
统
———“
神威
太湖之 光
”,
该系统 从
２０１６
年
６
月开
始连续
４
次蝉联全球超 级计算 机排行 榜
To
p
５００
冠
军
,
基于该系统的应用 课 题
２
次斩 获 超级 计 算应 用
最高奖
———“
戈登
贝尔奖
”
．
申威
２６０１０
芯片采用片上系统
(
s
y
stemonchi
p
,
SoC
)
技术
,
片上集成了
４
个运算 控制核 心和
２５６
个
运算核心
,
以及
４
路
１２８
位
DDR３
存储 访 问接 口 和
８
通路
PCIＧE３．０
等
I∕O
接口
．
该芯片采用
２８nm
工艺
流片
,
晶体管数量达到
５０
亿
,
die
面积超过
５００mm
２
,
已接近芯片代 工 生 产 极 限
．
处 理 器 核 心 工 作 频 率 达
到
１．５GHz
,
双精度 浮点 峰值 性 能达
３．１６８TFLOPS
,
峰值功耗近
３００W．
要实 现 芯片 的 性能
、
功耗 和 稳定
可靠性等多个方面 技 术指 标
,
芯片 研 发在 结 构和 微
结构
、
正确性
、
低功 耗
、
稳定 可 靠性 和 成品 率 等方 面
遇到了巨大的挑战
,
本文 主 要阐 述 应对 这 些挑 战 的
设计方法
．
１
结构与组成
１．１
总体结构
申威
２６０１０
处 理 器 采 用 分 布 共 享
SoC
芯 片 架
构
[
２Ｇ３
]
,
全芯片共集成了
４
个运算控制核心和
２５６
个
运算核心
,
以及
４
路
１２８b
的
DDR３
存 储 器 控 制 接
口和
８
通路
PCIＧE３．０
等
I∕O
接口
,
总体结构 如图
１
所示
．
申威
２６０１０
片上包 含
４
个核 组
、
１
个系 统 接口
６５１１
计算机研究与发展
２０２１
,
５８
(
６
)
of 11
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