從1999年開始舉辦的上海工業(yè)博覽會，在2007年正式更名為中國國際工業(yè)博覽會，展會發(fā)展至今20年，不僅一直倍受全球各類頂尖企業(yè)的關(guān)注，而且還由國務(wù)院批準(zhǔn)成為了唯一具有評獎功能的工業(yè)類展會。中國國際工業(yè)博覽會已經(jīng)成為企業(yè)公認(rèn)的向潛在客戶展示各類產(chǎn)品，體現(xiàn)企業(yè)最高實力的盛會。

毫無疑問，展會上有實力的企業(yè)可以說數(shù)不勝數(shù)，但在剛剛結(jié)束的第20屆中國國際工業(yè)博覽會上，一款國產(chǎn)x86處理器卻殺出重圍，獲得了工博會的最高獎項—金獎。我們知道，x86處理器領(lǐng)域的市場、技術(shù)長期被國外的企業(yè)壟斷，那么這款處理器到底有何實力，能夠擊敗眾多競爭對手，獲得整個行業(yè)的認(rèn)同呢？接下來就讓《微型計算機》來為您揭開這顆處理器的神秘面紗。

中國國際工業(yè)博覽會是由國家發(fā)展和改革委員會、商務(wù)部、工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、教育部、中國科學(xué)院、中國工程院、中國國際貿(mào)易促進(jìn)委員會和上海市人民政府共同主辦，中國機械工業(yè)聯(lián)合會協(xié)辦，上海世博(集團)有限公司承辦的中國最具影響力的國際工業(yè)品牌展。顯然這款處理器能獲得如此多專業(yè)、高層舉辦單位的認(rèn)可，就必定有它的不俗之處。而這款處理器就是由上海兆芯集成電路有限公司設(shè)計的最新一代開先KX-6000系列x86處理器。

事實上，《微型計算機》長時間以來一直在跟蹤報道國產(chǎn)兆芯x86處理器。與采用精簡指令集的龍芯、申威等國產(chǎn)處理器不同，兆芯研發(fā)的處理器兼容x86指令集，可以運行Windows、Linux和多款國產(chǎn)操作系統(tǒng)，并且能夠全面勝任日常辦公、影音播放、數(shù)據(jù)存儲、大眾娛樂等應(yīng)用。其產(chǎn)品在近幾年也實現(xiàn)了多代發(fā)展，從早期在市場上銷售的ZX-C處理器，到架構(gòu)設(shè)計上有大幅更新的開先KX-5000系列處理器，再到現(xiàn)在的KX-6000系列，兆芯x86處理器的技術(shù)水準(zhǔn)一直在不斷提升。

兆芯處理器的發(fā)展之路：從南北橋架構(gòu)到開先KX-5000系列

自2014年首次推出基于x86架構(gòu)的ZX-A雙核處理器后，兆芯接下來就完成了代號“張江”、4～8核心處理器ZX-C、ZX-C+處理器的設(shè)計與量產(chǎn)，并推向了市場，得到了廠商與政府部門的采用。ZX-C與ZX-C+兩類處理器均基于28nm CMOS工藝打造，主頻最高2.0GHz，兼容x86指令集，支持CPU虛擬化技術(shù)，ZX-C+處理器還支持SM3和SM4高速國密算法指令。

高速國密算法指令是由兆芯自主研發(fā)的一套算法指令集，不僅能大幅提升SM3和SM4兩種國密算法的運算速度，還讓密碼學(xué)相關(guān)應(yīng)用的開發(fā)以及部署和推廣更為方便，這是市面上其他國外x86處理器所不具備的。

當(dāng)然從技術(shù)上看，ZX-C、ZX-C+同國外產(chǎn)品還有比較明顯的差距：整個平臺還采用的是較為早期的南北橋架構(gòu)設(shè)計，處理器只是一個單純的計算核心，需要通過北橋、前端總線與顯卡、內(nèi)存進(jìn)行通信，同時緩存的同步也需要先將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖睒颉Ｋ韵到y(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的能力不僅會被前端總線狹小的帶寬所限制，訪問延遲也大為增加。

所以前端總線架構(gòu)的先天不足，在內(nèi)存、顯卡與緩存同步工作帶來的高延遲，以及前端總線帶寬限制都會對基于ZX-C+核心的多核處理器性能帶來較大的影響。因此上海兆芯集成電路有限公司再接再厲，在2017年底推出了采用SoC(System-on-Chip)設(shè)計、核心架構(gòu)名為“五道口”、代號ZX-D的新一代開先KX-5000系列處理器。

兆芯對開先KX-5000系列處理器內(nèi)核的流水線進(jìn)行了重新設(shè)計，其中開先KX-5000系列處理器的整數(shù)流水線相比ZX-C大幅減少了分支預(yù)測失敗的開銷，同頻性能更強，并保持工作頻率不變,而核心面積和功耗僅略微增加。

此外，CPU的L1及內(nèi)存訪問都實現(xiàn)了帶寬翻倍，并在末級緩存引入了先進(jìn)的替換算法，在相同緩存容量的情況下可大幅減少某些應(yīng)用程序的緩存缺失率。同時，開先KX-5000系列處理器緩存的性能與容量均有了很大提升。在開先KX-5000系列的8核心處理器中，每4顆核心共享4MB緩存，總計擁有8MB緩存。

更值得一提的是，基于“五道口”架構(gòu)的開先KX-5000系列處理器在架構(gòu)上實現(xiàn)了與北橋的完全融合，使得其緩存數(shù)據(jù)的一致性直接在處理器內(nèi)部就可以完成。這也就意味著處理器之間的交互不用再通過北橋，而是使用片內(nèi)高速點對點直連網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，降低了延遲并提高了帶寬，為將來更多核心的互聯(lián)提供了基礎(chǔ)（有點類似AMD處理器的ZEN架構(gòu)）。

兆芯開先KX-5000系列采用BGA封裝，直接焊接在主板上，將原北橋部分的內(nèi)存控制器、PCIe控制器、集成圖形核心全部整合在處理器內(nèi)部。這款處理器采用28nm工藝生產(chǎn)，工作頻率在2.0GHz。

同時開先KX-5000系列處理器在內(nèi)部整合了PCIe控制器、DDR4內(nèi)存控制器，也使得它成為國產(chǎn)處理器中首款可以支持DDR4內(nèi)存的產(chǎn)品。處理器可通過內(nèi)部的高帶寬直連總線訪問內(nèi)存、顯卡。其中內(nèi)存訪問帶寬提升了1～2倍，能夠有效地發(fā)揮出DDR4內(nèi)存的優(yōu)勢，對于處理器多核及多線程應(yīng)用有顯著的提升。

不過相對于國外產(chǎn)品，開先KX-5000系列處理器仍然存在不足，首要問題就是它仍采用較老的28nm工藝生產(chǎn)，因此這款處理器的工作頻率與ZX-C、ZX-C+系列處理器類似，最高頻率只能達(dá)到2.0GHz，與國外產(chǎn)品相比有明顯差距。其次也是由于工藝的影響，它的融合度并不高，僅僅只整合了原主板北橋功能部分，內(nèi)部并沒有集成如USB控制器、SATA控制器這些南橋功能模塊，所以就電腦平臺而言，它仍然需要搭配兆芯的ZX-200 IO擴展芯片才能正常使用。

兆芯也設(shè)計了配套的ZX-200 IO擴展芯片，可以提供多個PCIe、USB、SATA、M.2接口，既可作成主板上的芯片組，也可單獨設(shè)計成獨立擴展卡，插在普通主板上，為用戶提供更多的接口。

各款早期兆芯處理器與主板芯片組—其中ZX-A是兆芯最早的x86處理器，ZX-B采用與ZX-A相同的微架構(gòu)，但在國內(nèi)代工流片。開先ZX-C與ZX-C+系列四核心處理器采用了新一代微架構(gòu)，是后期市場上的主力產(chǎn)品。型號為FC-1080的ZX-C+開勝處理器是一款面向服務(wù)器的八核心處理器，而ZX-100S則是為以上CPU設(shè)計的配套主板芯片組。

兆芯ZX-C處理器的內(nèi)部架構(gòu)圖，四顆核心清晰可見。

16nm降臨 3.0GHz+高融合度打造更強中國芯

上海兆芯集成電路有限公司沒有因為眼前所獲得的一點成績停滯不前，而是繼續(xù)開啟高速研發(fā)模式，并最終在2018年推出了采用“陸家嘴”架構(gòu)、代號ZX-E的開先KX-6000系列x86處理器。

與以往的兆芯處理器相比，開先KX-6000系列x86處理器最大的進(jìn)步就是采用了先進(jìn)的16nm生產(chǎn)工藝。更先進(jìn)的生產(chǎn)工藝不僅帶來更小的晶體管面積，也預(yù)示著晶體管間電阻的降低，處理器工作電壓、電流更低，從而使驅(qū)動它們所需要的功率、產(chǎn)生的熱量也大幅減少，可以達(dá)到更高的工作頻率，并最終在開先KX-6000系列x86處理器上實現(xiàn)了3.0GHz的工作頻率，基本跟上了國外產(chǎn)品的步伐。

同時更小的晶體管面積也就意味著在相同空間下，處理器可以放入更多的功能模塊，因此在開先KX-6000系列x86處理器上，兆芯終于完成了“功能完全體”的設(shè)計。一顆處理器內(nèi)不僅集成了內(nèi)存控制器、PCIe 3.0控制器、DirectX 11顯示核心，還整合了USB、SATA控制器、HD AUDIO音頻芯片、視頻編解碼器、HDMI/DP視頻輸出模塊。

借助16nm生產(chǎn)工藝，開先KX-6000系列x86處理器不僅集成了內(nèi)存控制器、PCIe 3.0控制器、DirectX 11顯示核心，還整合了USB、SATA控制器、HD AUDIO音頻芯片、視頻編解碼器、HDMI/DP視頻輸出模塊,無需主板芯片組，是一個真正意義上的單芯片解決方案。

也就是說，根本無需主板芯片組，只要一顆處理器就可提供一臺電腦主要需要的各類接口、功能。這一步可以說已經(jīng)走在了英特爾、AMD兩大國外處理器廠商的前面，畢竟現(xiàn)在絕大部分英特爾、AMD桌面級處理器都不具備I/O功能，電腦還必須搭配主板芯片組才能正常工作。

兆芯可獨立完成處理器以及配套的圖形處理器、芯片組三大部分的研發(fā)設(shè)計。

具體規(guī)格方面，開先KX-6000系列x86處理器提供了16條PCIe 3.0通道，兩個SATA 3.0接口、2個USB 3.1 GEN1與4個USB 2.0接口，已經(jīng)可以保證電腦連接各類擴展設(shè)備。當(dāng)然如果用戶需要更強大的擴展能力，也可考慮搭配兆芯ZX-200 IO擴展芯片，該芯片可以提供額外的PCIe通道、USB 3.1 GEN2接口，以及SATA 3.0、M.2等多個接口。

型號為ZX C960的內(nèi)置顯示核心雖然只支持到DirectX 11 API，但它具備4K視頻（H.264、H.265）解碼的能力，足以滿足一般辦公、影音播放。此外在前輩開先KX-5000系列處理器的基礎(chǔ)上，開先KX-6000系列x86處理器強化了內(nèi)存控制器的性能，最高可支持雙通道DDR4 3200內(nèi)存，從而為系統(tǒng)提供更高的內(nèi)存帶寬、更低的訪問延遲。

由于開先KX-6000系列x86處理器仍處在工程測試階段，因此現(xiàn)在暫時只曝光了一個型號——兆芯開先KX-U6880，其工作頻率就是3.0GHz。根據(jù)技術(shù)資料顯示，這一款處理器的性能已經(jīng)可以與第七代酷睿處理器，采用4核心4線程設(shè)計的Core i5-7400匹敵，那么事實是否如此呢？

兆芯開先KX-U6880處理器實際產(chǎn)品展示

由于開先KX-U6880處理器目前還處于工程測試階段，并未上市，因此上海兆芯集成電路有限公司只展示了一臺樣機，我們暫時還無法見到處理器的真身，不過從這臺樣機內(nèi)部的構(gòu)成，我們已經(jīng)可以基本證實兆芯開先KX-U6880處理器的一些主要特性。

首先可以看到這臺主機的主板就與其他主板明顯不同——盡管它提供了PCIe、PCI、M.2插槽，但主板上卻顯得非常“空曠”，主板上沒有芯片組，同樣也就沒有與之匹配的散熱模塊，這也就證明這些擴展接口均是由兆芯開先KX-U6880處理器所提供。第二點目前兆芯開先KX-U6880處理器采用的是BGA封裝，處理器上只安裝了一個非常簡易的鋁制風(fēng)冷散熱器，這顯示出處理器的發(fā)熱量并不高。

采用兆芯開先KX-U6880處理器的整機系統(tǒng)，打開側(cè)面板后，可以看到主板上沒有芯片組，顯得相當(dāng)“空曠”。

同時主板上的處理器供電電路也顯得非常簡單，可以隱約看見散熱器下大概有三顆貼片電感，外部有幾顆一體式封裝的MOSFET，以及幾顆三洋SEPC固態(tài)電容，總之其處理器供電電路遠(yuǎn)比一般普通主板簡潔，也凸顯出盡管目前兆芯還未公開開先KX-U6880處理器的TDP，但它的功耗肯定不會太高，所以對主板供電不會帶來太大的壓力，設(shè)計比較簡單。

處理器供電電路的設(shè)計也較為簡潔，凸顯出開先KX-U6880處理器的低功耗。

匹敵Core i5-7400，兆芯開先KX-U6880處理器性能實測

接下來作為中國最具影響力的大眾IT硬件媒體，《微型計算機》有幸獨家獲得了對兆芯開先KX-U6880處理器測試的機會，我們在現(xiàn)場將它的性能與Core i5-7400進(jìn)行了對比。由于時間有限我們僅進(jìn)行了部分測試與體驗。

首先從六項性能測試來看，相對Core i5-7400處理器，兆芯開先KX-U6880處理器在性能上顯然有明顯的優(yōu)勢—它不僅在《魯大師》處理器基準(zhǔn)性能測試中較Core i5-7400領(lǐng)先約12.5%，在實際的應(yīng)用性計算中也擁有明顯的優(yōu)勢。如在7-Zip壓縮與解壓縮性能測試上，兆芯開先KX-U6880處理器的速度比Core i5-7400快了7.7%，在使用相同4K片源將其轉(zhuǎn)碼為1080p H.264視頻時，兆芯開先KX-U6880的轉(zhuǎn)碼時間比Core i5-7400少用了多達(dá)13秒。

兆芯開先KX-U6880處理器的壓縮與解壓縮性能明顯領(lǐng)先Core i5-7400

值得注意的是，這段4K片源的片長僅42秒，在處理如此短的視頻時就能節(jié)約13秒的時間，在處理更長的視頻片源時，兆芯開先KX-U6880顯然還能帶為用戶節(jié)省更多的工作時間，從而有力提高工作效率。

值得注意的是，除了在Fritz Chess國際象棋算力測試這款體現(xiàn)處理器科學(xué)運算性能的測試中，兆芯開先KX-U6880擁有9.4%的領(lǐng)先幅度外，在TrueCrypt加密軟件的基準(zhǔn)測試中，兆芯開先KX-U6880的AES算法加解密速度相對于Core i5-7400也領(lǐng)先了10.3%。在使用復(fù)雜的AES-Twofish-Serpent級聯(lián)加密算法時，其加解密速度領(lǐng)先幅度更提升到12.1%。這對于采用兆芯處理器的國內(nèi)企事業(yè)單位來說顯然是一個重大利好，畢竟在這些涉密單位，采用中國自己產(chǎn)的處理器對機密文件進(jìn)行加密、解密在安全性上更有保證。

兆芯開先KX-U6880處理器的各種算法加解密速度均超過Core i5-7400

而現(xiàn)在對比國外同級產(chǎn)品，我們自己的處理器還擁有更快的加解密速度，也就意味著國產(chǎn)x86處理器不僅能提供更好的安全性，還能帶來更高的工作效率。在這些應(yīng)用環(huán)境中，使用像兆芯開先KX-U6880這樣的處理器替代國外處理器完全是理所當(dāng)然。

稍有落后的是，可能因為是工程版處理器的原因，在CINEBENCH R11.5處理器渲染性能測試中，兆芯開先KX-U6880的渲染速度還稍有落后，不過幅度不大，只有不到6%。

接下來我們還通過完美解碼播放器，體驗了兆芯開先KX-U6880處理器的視頻播放能力。而從測試結(jié)果來看，目前這款工程版產(chǎn)品已經(jīng)具備非常不錯的硬解能力，不管是播放VC1還是x264編碼的影片，不管碼率有多高，兆芯開先KX-U6880處理器都可以硬解播放這些影片，即便碼率已經(jīng)達(dá)到70Mb/s以上，其CPU占用率也只有2%～5%。

在利用內(nèi)置顯示核心播放高碼率視頻時，借助硬件解碼功能，處理器的占用率很低。

最后我們還在AIDA64系統(tǒng)穩(wěn)定性測試?yán)锿瑫r開啟處理器、FPU、CACHE烤機測試，測試采用兆芯開先KX-U6880處理器的平臺在最高負(fù)載下的功耗。測試表明，在處理器待機狀態(tài)下，整個平臺（不包括顯示器）的功耗在44W左右，處理器滿載后，平臺最大功耗在105W左右，從而可推算出盡管頻率提升到3.0GHz，但開先KX-U6880處理器的TDP很可能仍保持在65W，16nm生產(chǎn)工藝帶來的優(yōu)勢得以顯現(xiàn)。

兆芯開先KX-6000處理器支持多種操作系統(tǒng)，面向消費級應(yīng)用。

同時對于注意運營成本的企事業(yè)單位來說，新一代的兆芯開先KX-U6880處理器顯然也交出了一份滿意的答案，即便在極端的滿負(fù)載環(huán)境下，它的功耗也只有100W出頭，就算是按105W這個滿載功耗計算，一臺電腦每天工作8小時、市電資費0.8元/千瓦時的話，一臺電腦每天產(chǎn)生的電費也就在0.67元左右，其運營成本是非常低的。

進(jìn)步神速 正式版更值得期待

雖然MC只在有限的時間對新一代兆芯處理器開先KX-U6880進(jìn)行了測試，測試產(chǎn)品也還是工程版產(chǎn)品，但從這款處理器的表現(xiàn)中，我們不難看出它能夠獲得中國國際工業(yè)博覽會絕對是實至名歸的。畢竟盡管我國處理器在專業(yè)、超算領(lǐng)域都有亮眼的表現(xiàn)，但在專注消費級應(yīng)用的x86處理器領(lǐng)域，長時間以來都被國外兩家公司所壟斷。

僅僅只用幾年時間，兆芯就實現(xiàn)了在x86處理器技術(shù)上的大幅追趕。

除了上海兆芯集成電路有限公司外，幾乎沒有其他任何一家國內(nèi)公司推出過完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的x86處理器，原因無外乎就是難度太大，兩大對手的產(chǎn)品太強，企業(yè)難以很快在經(jīng)濟上見到成效。

但值得稱贊的是，兆芯并沒有因為這種種的困難而放棄，畢竟從國家的角度來看，有些事情我們不能因為短期內(nèi)不能產(chǎn)生巨大的效益就不做，如果有一天國外廠商對x86處理器的出口也設(shè)立種種刁難條款，如果貿(mào)易戰(zhàn)波及IT硬件領(lǐng)域，x86處理器價格大幅上漲（實際上近期已經(jīng)發(fā)生，英特爾x86處理器價格猛漲的情況），更關(guān)鍵的是我們?nèi)绾伪ＷC在涉密單位，乃至整個國內(nèi)企業(yè)的電腦中盡量杜絕可能存在的后門、提升安全性，那么發(fā)展自己的x86處理器就是最佳的選擇。

而從新一代兆芯開先KX-U6880處理器初露頭角的表現(xiàn)來看，毫無疑問是令人滿意的。從2015年還是采用傳統(tǒng)南北橋架構(gòu)的ZX-C系列處理器，到現(xiàn)在可以匹敵Core i5-7400第七代酷睿、融合各類I/O功能、支持DDR4內(nèi)存的兆芯開先KX-U6880處理器，我們僅僅用了幾年就大幅縮短了在x86處理器上的技術(shù)差距。

當(dāng)然在單核處理器性能上我們肯定還存在差距，現(xiàn)在需要8打4才能與對手匹敵，但就兆芯現(xiàn)在如此高速的發(fā)展速度來看，我們完全可以充滿信心地期待在未來幾年，上海兆芯集成電路有限公司在處理器技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)更多的突破。最后需要提及的是，本次測試的兆芯開先KX-U6880處理器也只是工程版產(chǎn)品，明年將會正式發(fā)布量產(chǎn)，工程師還在不斷測試、調(diào)優(yōu)，并針對各類軟件進(jìn)行優(yōu)化，相信在最終量產(chǎn)時，這款處理器在性能上也會給我們帶來更多的驚喜。