Loongson

La première version de l’architecture Loongson fut un processeur 32 bits fonctionnant à une cadence de 266 MHz et commercialisé à partir de 2002.

Fabriqué avec la technologie CMOS et avec une finesse de gravure de 180 nm, ce processeur ne consomme que 0,5 watt[1], ce qui le rend idéal pour les architectures embarquées comme les caisses enregistreuses, où des performances élevés ne sont pas nécessaires. Sa conception intègre directement dans le circuit une protection contre les attaques informatiques du type « dépassement de tampon ». Les équipements de sécurité utilisant ce processeur atteignent donc les niveaux de sécurité élevés demandés par les entreprises et agences gouvernementales.

La deuxième version, en CMOS 180 nm, contient 13,5 millions de transistors. Le Godson 2C (ou Loongson 2C) et cadencée à 500 MHz, ce qui lui donne un niveau de performance de 8 à 10 fois celui du Loongson 1, soit environ le double des performances d’un processeur VIA 1,3 GHz, ou encore l’équivalent d’un Pentium III, cette vitesse étant suffisante pour la plupart des applications de bureau sous Linux[1].

La version Godson 2E ajouta le jeu d’instructions 64 bits MIPS III à l’architecture et contient 47 millions de transistors. Il est cadencé à une fréquence entre 800 MHz et 1 GHz et consomme de 5 à 7 watts. Il était alors équivalent en puissance à un Pentium III haut de gamme, ou à un Pentium 4 bas de gamme.

La version 2F est une évolution du Loongson 2E avec des capacités d’entrée/sortie étendues et une bande passante mémoire améliorée. Il comprend une interface 32 bits PCI/PCI-X ainsi que le support 64 bits des mémoires RAM DDR2. Un module permet une accélération vidéo au travers de l’interface PCI-PCI-X. Sa fréquence peut atteindre 1,2 GHz et il est sorti en novembre 2007.

Voici un résumé de ses principales caractéristiques :

• quatre étages superscalaires, Exécution out-of-order, basé sur l’architecture MIPS 64 bits ;
• petit-boutiste(Little-endian) ISA compatible MIPS III ;
• 5 unité d'exécution: 2 UAL, 2 UCVF (FPU), et une unité générateur d’adresse (AGU) ;
• L’extension SIMD est intégrée dans l’une des deux unités de calcul en point flottant ;
• 64 Ko de mémoire cache L1 séparés pour les instructions et les données ;
• 512 Ko de mémoire cache L2 de 4-way set-associative ;
• contrôleur de mémoire DDR2 64 bits intégré ;
• accélération vidéo de base intégrée ;
• gestion dynamique de la puissance électrique ;
• consommation maximale de 4 watts lorsque cadencé à 1 GHz.

Ce processeur a une puissance similaire à un Intel Atom 1,66 GHz tout en ayant une consommation similaire.

Le 26 décembre 2007, la République populaire de Chine dévoila à Hefei « KD-50-I », son premier supercalculateur à atteindre la puissance d’un téraflop (la puissance effective est d’environ 350 gigaflops). Ce supercalculateur fut conçu par la coopération d’équipes dirigées par l’académicien Chen Guoliang (陈国良), professeur de technologie en science informatique de l’Université des sciences et technologies de Chine, équipe principale du projet, avec l’institut de recherche en technologie informatique de l’Académie chinoise des sciences comme seconde équipe.

Le KD-50-I fut le premier supercalculateur fabriqué en Chine à utiliser des microprocesseurs domestiques chinois. Il possédait plus de 330 microprocesseurs Loongson-2F et sa taille était à peu près celle d’un réfrigérateur d’appartement (« Photo du KD-50 »^{(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?)}, 27 décembre 2007) et coûta moins de 800 000 RMB (environ 80 000 €). Le Loongson 2F est ainsi devenu le premier microprocesseur chinois utilisé dans un supercalculateur.

Cette évolution inclut les évolutions suivantes[2]:

• 4 cœurs de 1 GHz ;
• une cache L2 de 4 Mo ;
• un nouveau contrôleur mémoire intégré gérant la DDR2 et la DDR3 ;
• une consommation électrique moindre à puissance identique au 2F grâce au passage d’une gravure de 90 nm à 65 nm ;
• intégralement compatible avec MIPS 64 (le « 2F » était compatible avec le MIPS III avec l’extension 64 bits, ce qui n’est pas exactement le MIPS-64) ;
• le Loongson 3G ajoute aussi les instructions x86 introduites par le Loongson 3 ;
• ajout d’un contrôleur HyperTransport pour une liaison plus rapide aux périphériques non intégrés au processeur (comme le southbridge).

Malgré son nom, le Loonson 2G se rapproche bien plus d’un Loongson 3A que du Loongson 2F.

Le Loongson 3 est conçu pour fonctionner à une cadence d’entre 1 et 1,2 GHz avec quatre cœurs dans sa version A et huit dans sa version B[3]. En avril 2010, le Loongson 3A est sorti avec le support de la SDRAM DDR3.

Le Loongson 3 ajoute aussi 200 nouvelles instructions à l’architecture MIPS pour simplifier l’émulation de l’architecture x86, facilitant ainsi la transition à partir de cette plateforme. Une autre amélioration du Loongson est l’ajout de deux contrôleurs Hyper Transport qui permettent l’interconnexion entre les processeurs et ainsi la création d’environnements multiprocesseurs complexes (il existe des prototypes de cartes mère à 8 processeurs).

En mai 2010, le premier supercalculateur KD-60 à base de Loongson 3A commençait ses premiers tests. Constitué de 80 processeurs Loongson 3A, sa puissance théorique est d’un téraflop pour une consommation électrique de 2 381 W[4].

Le Loongson 3B est une évolution du Loongson 3A et ses améliorations par rapport à son prédécesseur sont:

• le passage de 4 à 8 cœurs ;
• le remplacement des unités de calcul à virgule flottante traditionnelles par de nouvelles unités de calcul à virgule flottante vectorielle de 256 bits haute-performance augmentant considérablement la puissance de calcul théorique par rapport au 3A dans le cadre de calculs de nombres réels. On parle de 128 GFLOPS[5] par processeur pour seulement 50 watts, soit 16 GFLOPS pour environ 7 watts par cœur.

Le Loongson 3B 1500 est sorti en 2013 et les nouveaux apports furent[6]:

• passage du processus de gravure à 32 nm ;
• support 8 cœurs par processeur grâce à la consommation électrique optimisée et la meilleure miniaturisation ;
• passage à une fréquence maximale de 1,2 à 1,5 GHz pouvant alors atteindre 150 GFLOPS grâce à la diminution de la taille des connexions (et ainsi la diminution de la latence) permise par le nouveau processus de gravure ;
• 9 niveaux de superpipeline ;
• 64 Ko de cache de niveau 1 séparées pour les instructions et les données, 128 Ko de cache de niveau 2 et 8 Mo de cache de niveau 3 ;
• support de la RAM DDR2 et DDR3 avec ECC ;
• Gère les bus PCI, LPC, SPI, UART et GPIO ;
• inclusion d’un circuit HyperTransport 2.0 ;
• le processeur est contenu dans un BGA 40 × 40 mm de 1 121 broches et compatible avec le Loongson 3A.

Le Loongson 3A 2000 et 3B 2000 fut annoncé en septembre 2015. Basé sur l’architecture GS464E, il s’agit d’une architecture 64 bits améliorant notamment le nombre de pipelines et la prédiction des embranchements. Ils proposent[7]:

• un jeu d’instructions MIPS64 version 3 ;
• LoongBT, une technologie d’émulation binaire permettant d’exécuter du code x86 ou ARM ;
• LoongVM, des instructions de machines virtuelles ;
• LoongSIMD, des instructions pour opérations arithmétiques avec des vecteurs de 128 et 256 bits.

Les 3A 3000 et 3B 3000 devraient suivre en 2016 avec un processus lithographique de 28 nm[7].

GNU Compiler Collection (GCC) est le principal compilateur utilisé dans le développement logiciel pour la plateforme « Loongson ». Des optimisations spécifiques pour Loongson ont été ajoutées à GCC 4.4[14]. Les options -march=loongson2z​ -march=loongson2f​ et, plus récemment, -march=loongson3a​[15], peuvent être utilisées pour bénéficier pleinement des optimisations disponibles.

ICT a aussi porté Open64, un compilateur optimisé avancé pour les platesformes Loongson II[16].

Les logiciels libres sous la plateforme Linux peuvent être portés très simplement. Les applications à code source ouvert les plus communes (comme OpenOffice.org, Mozilla Firefox, Pidgin et MPlayer) ont été portées pour l’architecture MIPS[17] et les applications écrites en Java sont également supportées[18] via les JDK d’Oracle, OpenJDK et IcedTea (en)[19].