基于國產CPU的服務器在電力行業中的研究與應用

郭玉霞

（北京國電通網絡技術有限公司 北京 100192）

2013年，斯諾登曝光美國“棱鏡計劃”，美國政府可以隨意調取科技IT 界八大巨頭數據，監控全球信息。貿易摩擦中，美國利用國內法律法規對華為等中國高科技公司供應鏈的隨意限制，顯示了科技霸權主義的威脅，以及國際科技跨國公司并不能擺脫本國政府的控制。我國在信息技術領域長期處于模仿和引進的地位，國際IT 巨頭占據了大量的市場份額，壟斷了國內的信息基礎設施，制定了國內IT 底層技術標準，并控制了整個信息產業生態。面對日益增加的安全風險，我國必須盡快實現自主可控［1-2］。

2016年3月4日，24 家專業從事軟硬件關鍵技術研究及應用的國內單位共同發起成立了“信息技術應用創新工作委員會”，簡稱“信創工委會”。工委會成立后，全國各地相繼又成立了大量的信創產業聯盟，催生了龐大的信息技術應用創新產業，稱為“信創產業”，簡稱“信創”。“信創”的核心本質是自主可控。信創產業生態體系龐大，從產業鏈角度看，其構成如圖1所示，主要由基礎硬件、基礎軟件、應用軟件、信息安全4 個部分組成，其中，芯片、整機、操作系統、數據庫、中間件是最重要的產業鏈環節［3-4］。

圖1 信創產業體系全景圖

1 國內研究水平綜述

1.1 自主國產CPU產業發展

在高端CPU 市場中，Intel 的X86 架構一直占據主導地位。Intel現階段占據了服務器市場90%以上的份額，其主要歸功于PC 時代的Wintel 聯盟，Intel 的X86架構在PC和服務器市場上有著很大的壟斷力。

2013年以來，在政策資金支持下，很多芯片設計機構，如紫光展銳、龍芯、飛騰、神威、赫塞等正變得越來越有競爭力。同時，一些新型企業，如兆芯、君正、海光等科研機構也進步發展，包括計算技術研究所、中國科學院、國防科大、江南計算機研究所、北京大學等，形成百家爭鳴的局面。

1.1.1 ARM架構

（1）天津飛騰。天津飛騰購買了ARMv8指令集的架構授權。2014年10月，飛騰第一款兼容ARM指令集的CPU——FT-1500A 面世，成為國產CPU的代表之作。2019年9月發布的FT-2000/4處理器，4核4線程，16nm 工藝打造，最高主頻為3.0GHz，最大功耗僅為10W，主要面向臺式機或者筆記本。目前，FT-2000/64已和國產銀河麒麟操作系統（PC 版）完成了全部適配工作。

（2）華為。華為公司購買的是一個架構授權，使其能夠設計自己的ARM處理器，自己可以掌握核心技術和知識產權，并有能力獨立開發ARM 處理器，很長一段時間沒有外部限制。

2019年1月，華為向業界發布基于ARM V8 指令集研發的高性能服務器CPU 鯤鵬920。鯤鵬920 處理器兼容ARM架構，采用7nm工藝制造，可以支持32/48/64 個內核，主頻可達2.6GHz，支持8 通道DDR4、PCIe4.0和100G RoCE網絡。

1.1.2 MIPS架構

龍芯是中國科學院領導的通用中央處理器，主要產品有龍芯1號、龍芯2號和龍芯3號。北斗衛星搭載龍芯1 號處理器發射升空，也有十幾顆北斗衛星以龍芯1E和龍芯1F號為主控芯片。龍芯2芯片2K1000處理器已應用于電力、通信、石油、交通等領域，性能可與國外芯片媲美。龍芯3A 處理器采用的是RISC 架構，兼容MIPS 指令，并具有本地四核設計，理論峰值為16Gflops，單瓦CPU的能效比為1.06Gflops/W，是目前X86 CPU的2倍多，已處于世界先進水平。

1.1.3 Alpha架構

Alpha 是DEC 公司制造的處理器架構，最早用于自己的工作站和服務器當中，支持UNIX、Linux 等系統。江南所的申威處理器使用的是Alpha 指令，主要用于超算處理器中，國內最強的超算神威太湖之光就使用了申威的處理器。江南計算所（軍方研究機構）買下了Alpha 架構的所有設計資料，制造了完全自主可控的國產Alpha處理器。

1.1.4 X86架構

（1）上海兆芯。上海的兆芯是一家X86 架構的國內芯片設計公司。目前可授權X86 的企業有Intel、AMD、VIA。兆芯是從Intel拿到授權，并在此基礎上自己研制了ZX-C 處理器，28nm4 核處理器，其主頻可達2G，并且支持國密算法加密。2017年，兆芯宣布其新一代ZX—D 系列4 核、8 核處理器已經流片成功。其KX-5000芯片的架構做到了8核，與英特爾的Core i3-6100處理器性能相似。

（2）海光（Hygon）。天津海光屬于一家國產的擁有X86授權的芯片設計公司。2016年，AMD 宣布與中國天津海光投資公司達成協議，將X86 技術授權給海光公司。到2018年7月，我國國產Dhyana X86處理器開始生產，在業界得到了一定的關注，這也標志我國的國產處理器芯片技術不斷增強。現今，我國CPU 廠商如表1所示。

表1 國產C P U 主要廠商

1.2 基于國產CPU的服務器

1.2.1 基于鯤鵬CPU（ARM）的服務器

2019年1月，華為推出采用ARM 架構的鯤鵬CPU驅動的旗艦系列“泰山”（TaiShan）服務器系列，分別是邊緣服務器、均衡服務器、存儲服務器、高密度服務器及高性能服務器。

TaiShan 200 服務器基于鯤鵬920 處理器，包含2280E 邊緣型、1280 高密型、2280 均衡型、2480 高性能型、5280存儲型和X6000高密型等產品型號。TaiShan 100 服務器基于鯤鵬916 處理器，包含2280 均衡型和5280存儲型等產品型號。

1.2.2 基于飛騰CPU（ARM）的服務器

CEC中國長城科技集團股份有限公司推出了基于飛騰FT2000+/64CPU的擎天DF720 系列、擎天ZF720系列、擎天ZF520 系列等基于飛騰CPU的服務器。聯想、浪潮信息、同方、曙光等廠商也推出了基于飛騰CPU的服務器產品。

1.2.3 基于龍芯CPU（MIPS）的服務器

曙光信息產業股份有限公司推出了曙光2U 雙路機架式服務器L620-G30、2U四路機架式服務器L820-G30 解決方案；浪潮電子信息產業股份有限公司推出了浪潮英信服務器NF3200L；同方股份有限公司推出了同方超強TL621-V3 通用機架式服務器。這些服務器產品的CPU 都是基于龍芯新一代3A4000或3B4000處理器。

1.2.4 基于海光CPU（X86）的服務器

曙光信息產業股份有限公司推出了曙光2U 雙路機架式服務器天闊H620 系列，配置2 顆Hygon 7151 CPU，X86架構的CPU兼容性方面較好。

2 基于國產CPU的服務器在電力行業的應用

2.1 磐石服務器

我國自主研發了磐石系列服務器，該系列服務器采用最新一代飛騰處理器，基于國產CPU 架構機架式服務器，實現了基于國產處理器架構的自主可控，可以廣泛應用在數據庫、云計算、分布式存儲、業務處理等多種場景，如圖2所示。其特點如下。

圖2 磐石服務器應用場景

（1）高性能：采用飛騰處理器，具有多線程計算能力強、IO通道帶寬高等特性。

（2）高擴展：支持8/12/24盤等多樣存儲配置，最大支持7個PCIe插槽的靈活IO擴展能力。

（3）易管理：BMC 全面監測系統健康，可實現核心部件的監測診斷；支持自動部署、提升部署及運維管理的效率。

（4）高可靠：通過降額設計和關鍵部件的冗余，以及磁盤RAID保護技術，有效提高系統穩定性和可靠性指標。

（5）高效節能：采用高效電源模塊，提高能源利用效率；支持智能風扇調速，節能降噪的同時，提高風扇的使用壽命。

（6）自主安全：采用國產自主安全中文固件和國產中文操作系統，支持PKS立體防護體系。

2.2 應用優勢

能源電力行業作為關系國計民生的基礎行業，高度重視核心技術產品自主可控。基于國產CPU磐石服務器，通過集成國產自主可控的CPU技術，在保證安全可控的基礎上，實現了國產設備同時滿足功能、性能、可靠性及兼容性的要求。根據國家電網公司業務應用的特點，結合“國網芯”硬件加密技術，國產CPU服務器與電力應用的運行安全能夠完美結合，研制的國產服務器通過了阿里云、華為云的兼容認證，實現了云平臺對國產服務器的納管能力，為國產服務器的大規模應用打下了基礎。

3 結語

加強自主核心技術產品信創研發是實現核心技術領先、支撐實現“國際領先”戰略目標的重要保障。服務器作為數據中心和上層應用運行和計算的基礎，處于至關重要的地位。如今，基于國產CPU的磐石系列服務器已在國家電網公司取得了試點應用，完成了國家電網公司國網信息通信產業集團協同辦公系統模塊、職工書屋系統等試點應用的兼容適配及遷移上線，是探索國產化替換的良好開端。通過行業應用，拉動構建國產化信息技術軟硬件底層架構體系和全周期生態體系，從而改變核心關鍵技術受制于人的局面。