【香山双周报 95】20260202 期
欢迎来到香山双周报专栏，我们将通过这一专栏定期介绍香山的开发进展。本次是第 95 期双周报。
香山团队的高性能 DDR4 内存控制器 IP 白杨正式发布了！如果还没有看过，欢迎大家阅读我们的白杨发布文章了解更多细节。在这里，我们与大家独家分享一个小故事。香山于 1 月 31 日在 HPCA 2026 上作 tutorial，其中有涉及到白杨的介绍。演讲的前一天晚上，白杨还在为开源作最后的准备，在第二天 tutorial 开始前才将仓库转为 public，~~果然 DDL 是第一生产力~~。
在上周，我们引入了新的 GCC15 和 XSCC 编译器。这两个编译器相比现有的 GCC12 有着 10% 以上的性能提升，现在香山的 SPEC CPU2006 性能已经达到了 18.5 分/GHz。这一期双周报中，我们为不同编译器进行了对比分析。在之后的开发中，我们将逐渐切换到 GCC15 和 XSCC 编译器，同时更加注重编译器和硬件的协同优化。不同编译器的具体分数仍然在性能评估一节，欢迎大家持续关注！
关于香山近期开发进展，前端方面，MBTB 引入了 LRU 替换算法，并使用 TAGE-SC 的精确预测结果进行更新，以提升分支预测的准确率。后端方面，添加了 I2F 功能单元以支持 FMV 和 FCVT 的 i2f 类型指令，并对整数 IQ 添加 og1Payload 以优化选择时序。访存与缓存方面，Sbuffer 中的超时判断逻辑得到了修复，并通过 csr 中的 SMBLOCKCTL 配置超时阈值。更多细节请见近期进展一节。
编译优化
一直以来，双周报中性能评估采用的都是使用 GCC12 编译的祖传切片。这些切片对于性能相对较低的昆明湖 V2 时代已经足够了，但随着昆明湖 V3 性能的不断迭代和编译技术的发展，原有的切片已经无法充分展现香山的性能潜力。在上周，我们使用 GCC15 和 XSCC 两个编译器对 SPEC CPU2006 进行了重新编译，并对比了不同编译器和优化选项下的性能表现。结果如下图所示：
可以看到，仅仅是切换编译器，就能在总分上提高约 12%。其中，GCC15 在打开 -ffast-math 这一优化选项后，对浮点测试程序的提升更是能达到接近 20%。而对于 libquantum 子项，XSCC 可以实现惊人的约 110% 的提升，~~不愧是刷分专用子项~~。
还有一个很有意思的现象，XSCC 在 GCC 这个子项上有约 20% 的性能倒退。XSCC 是基于 LLVM 的编译器，~~LLVM 不擅长优化 GCC 听起来意外地合理啊~~。
近期进展
前端
- RTL 新特性
- MBTB 使用 LRU 替换算法，并使用 TAGE-SC 的精确预测结果进行更新，尽可能使有用的分支留在 MBTB 中（#5525）
- 实现 SC BW 表（#5528）
- 支持 RAS 在 S1 提供预测结果（#5366）
- Bug 修复
- 增加 BPU 训练流水控制信号的复位，避免 X 态（#5539）
- 修复有符号饱和计数器错误溢出的问题（#5545）
- 修复有符号饱和计数器 isWeakPositive 方法判断错误的问题（#5551）
- 时序/面积优化
- 移除 MBTB 跨页时不读 SRAM 的限制，避免读 valid 时序路径和写 ready 时序路径串在一起导致时序不好（#5541）
- 调试工具
- 修复一些性能计数器条件（#5536，#5568）
后端
- RTL 新特性
- 添加 I2F FU 以支持 FMV 和 FCVT 的 i2f 类型（#5557, #5577）
- 支持 Smcntrpmf 扩展（#4286）
- 时序/面积优化
- 在 csrToDecode 与 Decode 之间增加一拍（#5542）
- 将 ALU 的数据处理从 Bypass 阶段转移到 ALU 内部（#5562）
- 对整数 IQ 添加 og1Payload，利用只在 OG1 中使用的信号以优化 IQ 选择时序。（#5570）
- Bug 修复
- 修复了来自功能单元写回的 redirect.valid 信号，以及 TopDown 中的 mis_pred 和 total flush 问题（#5538）
- 修复了 NewCSR 中 RegNext 的重复使用问题（#5441）
- 修复了 ROB 中 flushpipe 对 redirect.interrupt 的错误假设（#5583）
- 代码质量
- 重构所有 resps 信号，简化代码逻辑（#5537）
- 优化 resps 信号的代码质量（#5550）
- 移除 IsssueQueue 中部分冗余代码，调整唤醒 pdest 宽度，添加 ROB bankNum 参数（#5051）
- 重构 vialuf 以支持快速唤醒（#5136）
- 删除 Datapath 中的无用代码（#5567）
- 重构写回至 ROB 和 Regfile 的Bundle（#5535）
- 整合信号，使用 EnqRObUop 代替 DynInst 以减去多余的信号（#5560）
- 删除无用的 IntToFP 功能单元（#5586）
- 结构调整
- 删除 fudian 子模块，从现在起昆明湖 V3 将不再使用 fudian 仓库内容作为子模块（#5585）
访存与缓存
- RTL 新特性
- MDP、MMU、LoadUnit、StoreQueue、L2 等模块重构与测试持续推进中
- Bug 修复
- 修复了 Sbuffer 中的超时判断逻辑，通过 csr 中的 SMBLOCKCTL 配置超时阈值（#5573）
- 调试工具
- 持续改进 CHI 基础设施 CHIron
- 开发用于新版 L2 Cache 的验证工具 CHI Test。持续推进中
性能评估
处理器及 SoC 参数如下所示：
| 参数 | 选项 |
|---|---|
| commit | 4e78369f4 |
| 日期 | 2026/01/29 |
| L1 ICache | 64KB |
| L1 DCache | 64KB |
| L2 Cache | 1MB |
| L3 Cache | 16MB |
| 访存单元 | 3ld2st |
| 总线协议 | CHI |
| 内存延迟 | DDR4-3200 |
性能数据如下所示：
| SPECint 2006 | GCC12 @3GHz | GCC15 @3GHz | XSCC @3GHz | SPECfp 2006 | GCC12 @3GHz | GCC15 @3GHz | XSCC @3GHz |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 400.perlbench | 38.87 | 43.00 | 41.70 | 410.bwaves | 72.14 | 80.98 | 90.75 |
| 401.bzip2 | 27.05 | 26.74 | 27.75 | 416.gamess | 54.49 | 55.54 | 51.90 |
| 403.gcc | 47.55 | 50.17 | 37.16 | 433.milc | 49.10 | 64.58 | 63.76 |
| 429.mcf | 58.23 | 59.55 | 54.50 | 434.zeusmp | 60.60 | 69.41 | 63.22 |
| 445.gobmk | 37.34 | 35.51 | 36.30 | 435.gromacs | 38.34 | 36.19 | 34.00 |
| 456.hmmer | 43.11 | 53.10 | 63.26 | 436.cactusADM | 53.57 | 75.24 | 86.24 |
| 458.sjeng | 34.47 | 34.80 | 36.03 | 437.leslie3d | 54.20 | 56.48 | 56.64 |
| 462.libquantum | 132.83 | 135.28 | 282.43 | 444.namd | 37.28 | 42.16 | 44.17 |
| 464.h264ref | 62.00 | 61.95 | 70.30 | 447.dealII | 64.13 | 58.88 | 66.92 |
| 471.omnetpp | 42.63 | 39.60 | 39.03 | 450.soplex | 52.43 | 49.25 | 59.39 |
| 473.astar | 30.37 | 31.22 | 30.31 | 453.povray | 61.43 | 70.66 | 63.65 |
| 483.xalancbmk | 80.42 | 74.48 | 84.38 | 454.Calculix | 19.37 | 43.84 | 39.05 |
| GEOMEAN | 47.69 | 48.61 | 51.93 | 459.GemsFDTD | 46.59 | 64.51 | 64.40 |
| 465.tonto | 36.20 | 50.61 | 33.84 | ||||
| 470.lbm | 104.99 | 126.71 | 132.13 | ||||
| 481.wrf | 48.68 | 55.06 | 41.45 | ||||
| 482.sphinx3 | 55.06 | 58.58 | 60.80 | ||||
| GEOMEAN | 50.56 | 59.73 | 58.16 |
编译参数如下所示：
| 参数 | GCC12 | GCC15 | XSCC |
|---|---|---|---|
| 编译器 | gcc12 | gcc15 | xscc |
| 编译优化 | O3 | O3 | O3 |
| 内存库 | jemalloc | jemalloc | jemalloc |
| -march | RV64GCB | RV64GCB | RV64GCB |
| -ffp-contraction | fast | fast | fast |
| 链接优化 | - | -flto | -flto |
| 浮点优化 | - | -ffast-math | -ffast-math |
| -mcpu | - | - | xiangshan-kunminghu |
注：我们使用 SimPoint 对程序进行采样，基于我们自定义的 checkpoint 格式制作检查点镜像，Simpoint 聚类的覆盖率为 100%。上述分数为基于程序片段的分数估计，非完整 SPEC CPU2006 评估，和真实芯片实际性能可能存在偏差。
相关链接
- 香山技术讨论 QQ 群：879550595
- 香山技术讨论网站：https://github.com/OpenXiangShan/XiangShan/discussions
- 香山文档：https://xiangshan-doc.readthedocs.io/
- 香山用户手册：https://docs.xiangshan.cc/projects/user-guide/
- 香山设计文档：https://docs.xiangshan.cc/projects/design/
编辑：徐之皓、吉骏雄、陈卓、余俊杰、李衍君