基于国产CPU的服务器在电力行业中的研究与应用

郭玉霞

（北京国电通网络技术有限公司 北京 100192）

2013年，斯诺登曝光美国“棱镜计划”，美国政府可以随意调取科技IT 界八大巨头数据，监控全球信息。贸易摩擦中，美国利用国内法律法规对华为等中国高科技公司供应链的随意限制，显示了科技霸权主义的威胁，以及国际科技跨国公司并不能摆脱本国政府的控制。我国在信息技术领域长期处于模仿和引进的地位，国际IT 巨头占据了大量的市场份额，垄断了国内的信息基础设施，制定了国内IT 底层技术标准，并控制了整个信息产业生态。面对日益增加的安全风险，我国必须尽快实现自主可控［1-2］。

2016年3月4日，24 家专业从事软硬件关键技术研究及应用的国内单位共同发起成立了“信息技术应用创新工作委员会”，简称“信创工委会”。工委会成立后，全国各地相继又成立了大量的信创产业联盟，催生了庞大的信息技术应用创新产业，称为“信创产业”，简称“信创”。“信创”的核心本质是自主可控。信创产业生态体系庞大，从产业链角度看，其构成如图1所示，主要由基础硬件、基础软件、应用软件、信息安全4 个部分组成，其中，芯片、整机、操作系统、数据库、中间件是最重要的产业链环节［3-4］。

图1 信创产业体系全景图

1 国内研究水平综述

1.1 自主国产CPU产业发展

在高端CPU 市场中，Intel 的X86 架构一直占据主导地位。Intel现阶段占据了服务器市场90%以上的份额，其主要归功于PC 时代的Wintel 联盟，Intel 的X86架构在PC和服务器市场上有着很大的垄断力。

2013年以来，在政策资金支持下，很多芯片设计机构，如紫光展锐、龙芯、飞腾、神威、赫塞等正变得越来越有竞争力。同时，一些新型企业，如兆芯、君正、海光等科研机构也进步发展，包括计算技术研究所、中国科学院、国防科大、江南计算机研究所、北京大学等，形成百家争鸣的局面。

1.1.1 ARM架构

（1）天津飞腾。天津飞腾购买了ARMv8指令集的架构授权。2014年10月，飞腾第一款兼容ARM指令集的CPU——FT-1500A 面世，成为国产CPU的代表之作。2019年9月发布的FT-2000/4处理器，4核4线程，16nm 工艺打造，最高主频为3.0GHz，最大功耗仅为10W，主要面向台式机或者笔记本。目前，FT-2000/64已和国产银河麒麟操作系统（PC 版）完成了全部适配工作。

（2）华为。华为公司购买的是一个架构授权，使其能够设计自己的ARM处理器，自己可以掌握核心技术和知识产权，并有能力独立开发ARM 处理器，很长一段时间没有外部限制。

2019年1月，华为向业界发布基于ARM V8 指令集研发的高性能服务器CPU 鲲鹏920。鲲鹏920 处理器兼容ARM架构，采用7nm工艺制造，可以支持32/48/64 个内核，主频可达2.6GHz，支持8 通道DDR4、PCIe4.0和100G RoCE网络。

1.1.2 MIPS架构

龙芯是中国科学院领导的通用中央处理器，主要产品有龙芯1号、龙芯2号和龙芯3号。北斗卫星搭载龙芯1 号处理器发射升空，也有十几颗北斗卫星以龙芯1E和龙芯1F号为主控芯片。龙芯2芯片2K1000处理器已应用于电力、通信、石油、交通等领域，性能可与国外芯片媲美。龙芯3A 处理器采用的是RISC 架构，兼容MIPS 指令，并具有本地四核设计，理论峰值为16Gflops，单瓦CPU的能效比为1.06Gflops/W，是目前X86 CPU的2倍多，已处于世界先进水平。

1.1.3 Alpha架构

Alpha 是DEC 公司制造的处理器架构，最早用于自己的工作站和服务器当中，支持UNIX、Linux 等系统。江南所的申威处理器使用的是Alpha 指令，主要用于超算处理器中，国内最强的超算神威太湖之光就使用了申威的处理器。江南计算所（军方研究机构）买下了Alpha 架构的所有设计资料，制造了完全自主可控的国产Alpha处理器。

1.1.4 X86架构

（1）上海兆芯。上海的兆芯是一家X86 架构的国内芯片设计公司。目前可授权X86 的企业有Intel、AMD、VIA。兆芯是从Intel拿到授权，并在此基础上自己研制了ZX-C 处理器，28nm4 核处理器，其主频可达2G，并且支持国密算法加密。2017年，兆芯宣布其新一代ZX—D 系列4 核、8 核处理器已经流片成功。其KX-5000芯片的架构做到了8核，与英特尔的Core i3-6100处理器性能相似。

（2）海光（Hygon）。天津海光属于一家国产的拥有X86授权的芯片设计公司。2016年，AMD 宣布与中国天津海光投资公司达成协议，将X86 技术授权给海光公司。到2018年7月，我国国产Dhyana X86处理器开始生产，在业界得到了一定的关注，这也标志我国的国产处理器芯片技术不断增强。现今，我国CPU 厂商如表1所示。

表1 国产C P U 主要厂商

1.2 基于国产CPU的服务器

1.2.1 基于鲲鹏CPU（ARM）的服务器

2019年1月，华为推出采用ARM 架构的鲲鹏CPU驱动的旗舰系列“泰山”（TaiShan）服务器系列，分别是边缘服务器、均衡服务器、存储服务器、高密度服务器及高性能服务器。

TaiShan 200 服务器基于鲲鹏920 处理器，包含2280E 边缘型、1280 高密型、2280 均衡型、2480 高性能型、5280存储型和X6000高密型等产品型号。TaiShan 100 服务器基于鲲鹏916 处理器，包含2280 均衡型和5280存储型等产品型号。

1.2.2 基于飞腾CPU（ARM）的服务器

CEC中国长城科技集团股份有限公司推出了基于飞腾FT2000+/64CPU的擎天DF720 系列、擎天ZF720系列、擎天ZF520 系列等基于飞腾CPU的服务器。联想、浪潮信息、同方、曙光等厂商也推出了基于飞腾CPU的服务器产品。

1.2.3 基于龙芯CPU（MIPS）的服务器

曙光信息产业股份有限公司推出了曙光2U 双路机架式服务器L620-G30、2U四路机架式服务器L820-G30 解决方案；浪潮电子信息产业股份有限公司推出了浪潮英信服务器NF3200L；同方股份有限公司推出了同方超强TL621-V3 通用机架式服务器。这些服务器产品的CPU 都是基于龙芯新一代3A4000或3B4000处理器。

1.2.4 基于海光CPU（X86）的服务器

曙光信息产业股份有限公司推出了曙光2U 双路机架式服务器天阔H620 系列，配置2 颗Hygon 7151 CPU，X86架构的CPU兼容性方面较好。

2 基于国产CPU的服务器在电力行业的应用

2.1 磐石服务器

我国自主研发了磐石系列服务器，该系列服务器采用最新一代飞腾处理器，基于国产CPU 架构机架式服务器，实现了基于国产处理器架构的自主可控，可以广泛应用在数据库、云计算、分布式存储、业务处理等多种场景，如图2所示。其特点如下。

图2 磐石服务器应用场景

（1）高性能：采用飞腾处理器，具有多线程计算能力强、IO通道带宽高等特性。

（2）高扩展：支持8/12/24盘等多样存储配置，最大支持7个PCIe插槽的灵活IO扩展能力。

（3）易管理：BMC 全面监测系统健康，可实现核心部件的监测诊断；支持自动部署、提升部署及运维管理的效率。

（4）高可靠：通过降额设计和关键部件的冗余，以及磁盘RAID保护技术，有效提高系统稳定性和可靠性指标。

（5）高效节能：采用高效电源模块，提高能源利用效率；支持智能风扇调速，节能降噪的同时，提高风扇的使用寿命。

（6）自主安全：采用国产自主安全中文固件和国产中文操作系统，支持PKS立体防护体系。

2.2 应用优势

能源电力行业作为关系国计民生的基础行业，高度重视核心技术产品自主可控。基于国产CPU磐石服务器，通过集成国产自主可控的CPU技术，在保证安全可控的基础上，实现了国产设备同时满足功能、性能、可靠性及兼容性的要求。根据国家电网公司业务应用的特点，结合“国网芯”硬件加密技术，国产CPU服务器与电力应用的运行安全能够完美结合，研制的国产服务器通过了阿里云、华为云的兼容认证，实现了云平台对国产服务器的纳管能力，为国产服务器的大规模应用打下了基础。

3 结语

加强自主核心技术产品信创研发是实现核心技术领先、支撑实现“国际领先”战略目标的重要保障。服务器作为数据中心和上层应用运行和计算的基础，处于至关重要的地位。如今，基于国产CPU的磐石系列服务器已在国家电网公司取得了试点应用，完成了国家电网公司国网信息通信产业集团协同办公系统模块、职工书屋系统等试点应用的兼容适配及迁移上线，是探索国产化替换的良好开端。通过行业应用，拉动构建国产化信息技术软硬件底层架构体系和全周期生态体系，从而改变核心关键技术受制于人的局面。