进迭时空第三代高性能核X200研发进展

继X60和X100之后，进迭时空正在基于开源香山昆明湖架构研发第三代高性能处理器核X200。与进迭时空的第二代高性能核X100相比，X200的单位性能提升75%以上，达到了16 SpecInt2006/GHz，单核性能提升125%以上，达到了50 SpecInt2006/Core，主要应用于超级AI计算机、云计算、高阶自动驾驶等高性能计算场景。

X200是一款6发射、14级流水线的超标量乱序高性能RISC-V核。X200的整体特性如下：

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SpecInt2006 > 16分/GHz，单核频率可达3.2GHz @ 7nm

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支持RVV1.0，Vector Crypto 扩展以及进迭时空 IME 扩展

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支持RVH，AIA技术，并且能够与进迭时空自研IOMMU配合实现完整的虚拟化

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支持安全隔离技术，与进迭时空自研 IOPMP配合实现云计算级别的机密计算安全方案

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支持服务器级别RAS，Trace特性

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支持全芯片高效CHI互联，与进迭时空自研NoC总线配合最大128核心的并行互联

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将支持2025年定稿的最新 Profile 规范（RVA25）

X200 架构与微架构创新

基于开源香山，快速迭代

“昆明湖”是开芯院开发的第三代高性能核，整体性能对标 Arm N2，达到 SpecInt2006 性能15分/GHz。开芯院不仅开源了昆明湖全部的设计代码，还提供了昆明湖的验证环境、Golden model、性能分析工具（如完整的Simpoint Flow）以及经过部分对齐的昆明湖Gem5模型。基于开源的昆明湖性能模型和架构设计，可以大大减少了处理器设计过程中架构探索的时间，并在开源性能模型的基础上进一步做微架构创新和性能迭代。

取指前端：昆明湖采用了分支预测和指令缓存访问解耦（下称Decouple）的架构，最大限度减少分支指令对高带宽取指需求的影响。分支主预测器采用两级FTB 加TAGE-SC结构，配合XS-Gem5的前端建模，设计了合理的参数规格；

执行后端：昆明湖实现了基于推测的指令唤醒与发射、Move指令消除、基于Checkpoint检测点的指令恢复等多项机制，有效降低后端指令执行延迟，并提升推测错误时的恢复速度；

访存单元：昆明湖探索了多种预取机制，基于第一级数据缓存实现了Stride, Stream, SMS, SPB的混合预取算法，基于私有的二级缓存L2 Cache实现了BOP与Temporal的算法，在SpecInt2006基准测试上取得了出色的效果。

因为香山核的全套开源以及出色的微架构设计，进迭时空X200选择基于开源昆明湖研发第三代高性能CPU核。在昆明湖的架构上，进迭时空根据面向的计算场景，对部分模块进行了优化，进一步平衡了部分模块的PPA指标。X200 SpecInt2006能够达到16分/GHz，相较前代X100提升75%以上。

取指前端升级

取指前端作为CPU核流水线的起点，其效率直接决定了后级流水线的运行负荷，是影响指令吞吐量的关键瓶颈。近年来，Apple M2, AMD Zen4 等处理器架构均在取指前端进行了大量的优化。

X200的取指前端，基于 Decouple 架构，进一步改进了FTB的结构，提升分支指令的存储利用率；扩展了对2-Taken Branch 场景的支持，可实现每周期至多预测2个跳转分支。

相应的，X200优化了指令Cache的组织结构，支持两个独立的取指块并行取指。通过调整指令Cache Tag和Data的访问流水级，缓解了指令Cache的访问冲突，进一步提升整体的取指带宽。

访存及互联设计优化

访存及互联往往是CPU核中最复杂的部分，访存单元的设计也极大地影响了CPU核的性能。

X200的访存单元优化了整体访存流水线，支持了Load/Store复用流水线，平衡了性能和资源的消耗。针对整个访存通路，通过指令提前唤醒和流水线优化，极致优化访存延迟，L1 Cache的Load To Use Latency控制在4个周期，2M Priave L2 Cache控制在10个周期，Cluster Level Cache控制在~30个周期；针对应用场景，进一步调优预取算法；核级别和簇级别均支持超深的Outstanding能力，面向AI等大数据量搬运场景，允许更多事务在下个层次的内存系统中并行，减少整体内存的访问延迟。

在互联的设计上，从核互联成簇以及多簇之间的互联，均使用了CHI的标准协议，最高可支持到CHI.F协议，核间根据簇中核的规模，使用 Ring/Mesh Bus进行互联，在提升可扩展性的同时，进一步提升簇内总线的频率与带宽。支持Cache Stash的功能，能够通过主动的缓存预存，降低关键数据包的获取延迟。

向量及AI单元优化

X200支持RISC-V Vector1.0及Vector Crypto指令集，VLEN支持256/512/1024可配，数据处理宽度支持4x128/4x256可配。矢量整型指令支持SEW=8/16/32/64；矢量浮点指令支持SEW=FP16/BF16/FP32/FP64。访存处理宽度上支持3x128/3x256的可配，并支持矢量访存指令的非对齐访问。

同时，X200支持符合RV规范的IME扩展的 AI 增强指令

（INT4/INT8/FP8/FP16/BF16/FP32），提供灵活易用的融合 AI 算力。此外，X200可配地通过接口扩展的方式支持AME扩展，以提供更加定制化的AI算力。

在此基础上，X200针对常见的应用场景，结合算法特点，对向量/AI处理能力和能效进行优化，并重点对向量访存和向量计算资源的均衡和协同、复杂访存pattern以及复杂元素置换操作在乱序核中的的实现等方面进行深度调优。同时，考虑到大带宽向量带来的庞大资源投入，X200基于对大量算法的模拟分析，评估并权衡不同指令对资源/功耗开销以及性能回报，做了不同层次的向量可配性，以满足不同应用场景的性能和PPA需求。

新扩展指令集支持

RISC-V是一个高速发展、充满活力的指令集，2024年，RISC-V共批准(Ratified)了23个规范，RISC-V正快速在各个场景下，拉近与x86、Arm之类成熟指令集的距离。X200面向应用领域的需求，进一步对RISC-V最新的扩展进行了支持：

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支持QoS规范（CBQRI, QoSID），进一步提升高优先级数据的延迟表现，增强系统的稳定性和实时性

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支持Svadu, Zacas扩展，分别降低多核间页表更新的代价，减少多核抢锁的概率，提升多核系统的效率

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支持CFI扩展，使用Shadow Stack和 Landing Pad技术保护内存，降低系统被攻破的概率

X200 也将持续跟进RISC-V的最新扩展以及 Profile，将会支持今年定稿的最新Profile（预计为 RVA25）。

服务器级特性优化

X100已经实现了完整虚拟化、符合云计算场景的安全功能、符合计算机7*24小时稳定工作的RAS特性等。X200在X100的基础上，在完整实现这些功能的同时，也将做进一步增强。重点面向云服务应用场景，通过优化TLB及Walk Cache的组织形式，减少虚拟化多级地址翻译带来的性能损失；扩展Trace以及HPM（高性能计数器）功能，配合自研总线进行系统级优化，提升性能分析、问题定位的跟踪效率；支持更多RAS信息上报，配合全通路CHI总线支持，进一步提升总线的稳定性，配合进迭时空服务器管理固件，能够提升服务器系统可发现错误、可纠正错误、可管理错误能力。

借助于香山昆明湖出色的架构和微架构基础，进迭时空开展了X200的研发工作，并实现了对第二代处理器核X100的大幅性能提升。当前，X200已经完成了代码开发并进入了持续的PPA优化阶段，预计将在2025年Q4季度研发完毕，基于X200的高性能计算芯片将在2026年底面市。

更多X200的设计细节将在后续的公司微信公众号中陆续做介绍，敬请大家期待。