国产自主计算机软硬件技术发展综合

鄢斌， 谷会涛

(海军计算技术研究所，北京 100841)

国产自主计算机软硬件技术发展综合

鄢斌， 谷会涛

(海军计算技术研究所，北京 100841)

为了摆脱计算机关键软硬件技术受制于人的局面，在国家“核高基”重大专项的支持下，近年来国产高性能处理器、操作系统等软硬件技术发展迅速。本文对当前关键的国产处理器、操作系统、办公软件、中间件和数据库产品进行了总结，提出了基于龙芯3A的计算平台方案。最后对国产软硬件的技术进行了分析，提出了发展建议。

自主可控；计算机系统；高性能处理器；操作系统

0 引言

长期以来，我国计算设备大量采用国外软硬件产品，高性能处理器和操作系统等核心技术对我们完全封闭，技术受制于人且存在安全隐患。因此研究计算机软硬件关键技术，摆脱技术受制于人的局面，提高信息安全防护能力成为迫切的需求。

近年来，在国家“核高基”重大专项的支持下，研制出以龙芯、飞腾、申威等为代表的高性能处理器，以及以中标麒麟操作系统和达梦数据库等为代表的基础软件等，表明我国已初步具备了完成计算机核心部件国产化的研制能力。

本文对当前主流的国产处理器、操作系统、办公软件、中间件和数据库产品进行了总结，提出了基于国产关键元器件的计算设备方案，并对国产关键软硬件的技术进行了分析，提出了发展建议。

1 研究现状

1.1 国产高性能处理器

1.1.1 龙芯处理器

龙芯[1]是中国科学院计算所自主研发的通用CPU，采用类MIPS指令集，目前已发展到龙芯3系列处理器。龙芯3A是一款4核处理器芯片，采用65 nm工艺制造，最高工作主频为1 GHz，主要面向服务器和高性能机应用。龙芯3A片内集成四个64位的四发射超标量GS464高性能处理器核，两个定点、两个浮点、一个访存部件；每个处理器核包括2个全流水的64位双精度浮点乘加部件；访存部件支持128位存储访问，虚地址和物理地址各为48位。龙芯3A的接口主要包括两个DDR2/DDR3内存接口，两个16 bits/四个8 bits HT1.0接口，一个32位PCI/PCIX接口，一个LPC接口。

1.1.2 飞腾处理器

飞腾系列处理器[2]包括FT－1000、FT－1000A和FT－1500等系列处理器。其中FT－1000高性能通用64位CPU，为多核多线程体系结构，兼容SPARC V9指令集，主频1 GHz。单芯片集成8个处理核心，每核心可并行执行8个线程。片上集成4 MB二级Cache、4个DDR3存储控制器、1个8x PCIE2.0接口和3个直连接口，支持2～4路CPU直连构成SMP系统。

1.1.3 申威处理器

申威系列处理器[3]已发展到第三代，其代表产品为申威1 600。申威1 600处理器是国内首款单节点16核的高性能微处理器，集成16个RISC 64位核心，65 nm制程工艺，最高工作频率1.2GHz，浮点运算能力高达140.8GFLOPS＠1.1GHz。申威1 600采用低功耗设计，设有标准及省电模式，工作功耗35～70W左右。

1.2 国产操作系统研究现状

国产通用操作系统主要有中标麒麟、中科方德和红旗操作系统，它们都支持国产主流处理器，提供简单易用的图形化桌面环境、丰富的应用软件以及完善的开发环境，与Window2000 professional、Windows XP性能相当。其中中标麒麟操作系统[4]基于开源Linux，对其内核和核外环境进行了安全、高可用等增强改进，全面对国际主流x86处理器，以及国产处理器，如龙芯、飞腾、申威系列等国产处理器进行支持。支持Java、C、C＋＋等多种编程和脚本语言，支持Qt、Eclipse等多种集成开发环境。

1.3 办公软件

典型的国产国产办公软件有永中Office、金山WPSOffice以及中标普华Office[5]。其中中标普华Office，基于国产龙芯、飞腾处理器和中标麒麟操作系统进行了整体性能优化，并提供强大的文档处理能力，全面兼容微软Office2003及2007/2010文档。WPS办公套件支持的文件格式兼容微软办公软件的文件格式，全面采用国际标准化内核，支持多种语言文字。

1.4 中间件

典型的国产中间件[6]有东方通、金蝶和中创等多种，完整支持J2EE规范，多层结构应用的部署、运行平台；提供多层结构(互联网)应用的配置、启动等。

1.5 数据库软件

典型的国产数据库软件[7]有金仓、达梦、神通等，支持SQL通用数据库查询语言，提供标准的ODBC、JDBC、OLEDB/ADO和. Net Provider等数据访问接口。其中人大金仓自主研发的大型通用数据库管理系统金仓数据库KingbaseES，支持目前的所有主流硬件平台以及OLTP和OLAP等典型应用，产品已稳定运行于Windows、Linux、中标麒麟以及Unix等主流操作系统平台，并与中标麒麟、红旗、凝思、东方通、金蝶中间件等国内主要操作系统和中间件厂商完成产品兼容性认证。

2 基于国产软硬件的计算平台架构设计

通过分析处理器应用模式、性能、操作系统支持、稳定性等方面给出处理器选型依据。并以龙芯3A处理器为基础，提出通用计算平台基本架构。

2.1 处理器选型分析

飞腾、龙芯、申威系列处理器是以高性能计算为设计目标，采用多核多线程SoC体系结构，适用于构建大规模并行科学计算、事务处理、web服务等需要高性能计算的服务器系统。表1给出了五款芯片的性能比较。

表1 国产高性能处理器性能比较

通过上面的分析和比较，龙芯3B、FT1500和SW1600具有高吞吐率计算能力，适合应用于需要处理大量数据和计算的服务器中。龙芯3A和FT1000能够有效满足对功耗、稳定性有特殊要求的应用环境，可以无间歇稳定提供数据处理服务，适用于构建自主可控计算平台中终端计算机。国产高性能处理器基本上能和主流国产操作系统、中间件、数据库和办公软件适配较好。

2.2 基于龙芯的计算单元架构

基于龙芯3A的计算单元采用龙芯3A处理器＋AMD RS780E北桥＋SB710南桥架构，可扩展多路接口。龙芯3A处理器用于完成运算、控制功能，通过HT高速总线与北桥AMD RS780E互联，南桥通过A－Link总线与北桥互联。基于龙芯3A的计算平台架构框图如图1所示。

图1 龙芯3A计算单元架构框图

AMD M780E北桥集成ATIM72显示内核，可以支持双屏显示，显存容量可达128 MB，分辨率最大可支持2 560x1 600显示接口，支持LVDS、TDMS、DVI、VGA视频输出；提供1个PCIExpress×16(或者2个PCIEX8)和6个PCIEX1等PCIE总线接口。

SB710南桥可以提供12个USB2.0接口、集成SATA Host控制器，可以提供6个SATA接口，用于扩展外部存储器；SB710集成了支持AC97功能的声卡，通过音频编码芯片提供音频采集、音频输出功能；支持32位66 MHz PCI总线接口，用于扩展PCI总线功能模块。

该主板设计采用2个SO－DIMM DDR3内存条，存储容量可达8 GB。

3 国产关键软硬件技术分析

3.1 技术差距分析

国产基础软硬件差距主要表现在:

1)处理器产业化配套程度不高，配套芯片及解决方案不够丰富；

2)外设与主机提供的接口兼容性验证不够全面，外设与接口不够丰富；

3)计算机整机相关的高性能存储与图像处理芯片主要依赖国外，较大程度上影响了国产自主整机系统应用推进。

4)固件已支持多款国产处理器计算平台，但与各款处理器及其配套芯片组的适配还不够完善；

5)服务器/桌面操作系统均已实现了向国产芯片(龙芯、飞腾等)的移植，完成了初步的适配工作，还需在性能优化、定制裁剪、外设驱动、应用开发支持等方面进行开发与扩展；

6)国产数据库、国产办公软件针对国产处理器和操作系统的兼容适配工作亟需完善。

3.2 发展建议

在科研生产过程中，在同等功能与性能条件下，加大对国产化的支持。开展计算平台体系结构技术创新，采用开放式体系结构，构建基于国产关键软硬件的综合化信息处理平台和高性能任务计算平台。

建立国产关键软硬件的技术与应用联盟，打造装备自主化发展的完整产业链，形成技术体系和标准规范，从而提升我国信息系统的自主可控能力。

4 结语

近年来，随着科技水平的逐步提高，我国科研人员打破技术壁垒，突破了高性能处理器和操作系统等一系列技术难题。本文对近些年国内成功研制并在逐步推广应用的主流的国产处理器、国产操作系统、办公软件、中间件和数据库软件的特点及主要功能性能进行了总结。以龙芯3A为例，给出了基于国产关键元器件的自主可控计算设备方案。本文最后对比国外成熟产品，对国产关键软硬件本身存在的技术差距及相关配套产品的差距进行了分析，并给出了国产软硬件的发展建议。

[1] GAO Xiang，CHEN Yun－ji，WANG Huan－dong.System Architecture of Godson－3 Multi－Core Processor[J].Journal of Computer Science and Technology，2010，25(2):181—191.

[2] YAND X J，LIAO X K，LU K，etal.The TianHe－1A Supercomputer:Its Hardware and Software[J].Journal of Computer Science and Technology，2011，26(3):344-351.

[3] 林和安，小洛夫.浅谈近来国产CPU的成就[J].中无通讯，2012，61(5):27－32.

[4] 吴庆波，戴华东，泉源.麒麟操作系统层次式内核设计技术[J].国防科技大学学报，2009，31(2):76－80.

[5] 倪光南.国产办公软件的现状和机遇[C]//OA办公自动化国际学术研讨会.北京:中国仪器仪表学会，2008:5－6.

[6] 中创软件.中国软件产业发展研究报告[R].2010.

[7] 赵永升，唐新亭.国产数据库技术发展研究[J].福建电脑，2006，(3)，36－37.

Developm ent of Domestic Com puter Software and Hardware Technology

YAN Bin，GU Hui－tao
(Navy Computing Technology Institute，Beijing 100841，China)

In order to get rid of the situation that computer key technologies are under the control of by others，with the support of state important special project，the domestic computer software and hardware technologies recently enjoys rapid development，including high－performance processor，operating system and so on.Some current key products，such as home－made processor，operating system，office software，middleware and database are summarized，and a computer platform based on godson－A processor is proposed. Finally，domestic hardware and software technologies are analyzed，and some development proposals also given.

independently－controllable；computer system；high performance processor；operating system

TP393

A

1009－8054(2015)08－0082－03

鄢 斌(1967—)，女，硕士，高工，主要研究方向为信息安全及计算机体系结构；

2015－03－24

谷会涛(1980—)，男，博士，工程师，主要研究方向为信息安全及集成电路设计。■