Loongson 2 SoC: アーキテクチャ上の特徴 

Loongson 2 SoC アーキテクチャ: エンジニアとバイヤーのための技術分析

Loongson 2 システムオンチップ (SoC) は、単なるチップではなく、テクノロジーの独立性が重要な市場向けの組み込みシステム設計における根本的なパラダイムシフトを表します。産業用コントローラーの統合を実践していると、国内のプロセッサーが西洋のプロセッサーよりも純粋なパフォーマンスだけで劣っているという誤解によく遭遇します。現実はさらに複雑です。Loongson 2 アーキテクチャの主な特徴は、電力効率、従来のペリフェラル インターフェイスのサポート、カーネル レベルでのハードウェア セキュリティの間のバランスです。産業用ゲートウェイまたは IoT デバイス用のプラットフォームを選択する場合、これらのニュアンスを理解すると、ドライバーのデバッグに数か月かかる時間を節約できます。

このシリーズの基礎は、LoongArch コマンド システムを実装する GS464V マイクロアーキテクチャ (および新しいリビジョンでのその修正) です。これは、以前のバージョンで信じられていたような MIPS クローンではなく、完全に独立した ISA (命令セット アーキテクチャ) です。エンジニアにとって、これは MIPS32/64 のコードとのバイナリ互換性がないことを意味しますが、外国ベンダーからのライセンス制限を受けることなく、特定の産業タスク向けにコンパイラーを最適化する道が開かれます。 LoongArch に切り替えると、より効率的な命令エンコーディングにより、実行可能コードのサイズが 12 ～ 15% 削減されたプロジェクトがありました。これはフラッシュ メモリが限られているデバイスにとって重要です。

Loongson 2 はミッドレンジの電源ソリューションとして位置付けられていることを理解することが重要です。高性能サーバー チップ Loongson 3 とは異なり、第 2 シリーズは組み込みシステム、産業用 PC、およびネットワーク インフラストラクチャのセグメントに焦点を当てています。ここでのアーキテクチャの特徴は、ギガヘルツの競争ではなく、広い温度範囲での動作の安定性と予測可能な割り込み応答時間によって決まります。エネルギー分野の GOST R または IEC 規格に従って機器を認証する際に決定的なのは、これらのパラメータです。

GS464V マイクロアーキテクチャとプロセッサ コアの主な機能

Loongson 2 シリーズ SoC の心臓部は、アウトオブオーダー命令実行を備えたスーパースカラー コアです。ただし、悪魔はパイプライン実装の詳細にあります。このアーキテクチャは、クロックあたり最大 4 つの命令の実行をサポートし、比較的低いクロック周波数 (通常は、2K1000 または 2K2000 などの特定のモデルに応じて 600 MHz ～ 1.5 GHz) で高い計算密度を提供します。低周波は欠点ではなく、熱と電磁干渉を減らすための意図的なエンジニアリング上の決定であり、これは敏感なアナログ機器にとって重要です。

最大の強みの 1 つは、ベクトル コンピューティング モジュール LSX (Loongson SIMD eXtension) が組み込まれていることです。振動センサーからの信号を処理するためのテストでは、LSX 命令を使用すると、FFT (高速フーリエ変換) 計算がスカラー コードと比較して 3.5 倍高速化されることがわかりました。これにより、中央のクラウド サーバーに過負荷をかけることなく、複雑な予測分析アルゴリズムをエッジ デバイスに直接実装できます。開発者にとって、これは LoongArch に移植された標準線形代数ライブラリを使用できることを意味し、市場投入までの時間を大幅に短縮します。

メモリ サブシステムには独自の機能もあります。メモリ コントローラーは、ECC エラー訂正を備えた DDR3/DDR4 をサポートします。マザーボードだけでなくチップレベルで ECC を導入すると、最終ソリューションのコストが削減されます。放射線や電力サージによってメモリ ビット フリップが発生する可能性がある産業環境では、信頼性基準を満たすためにこの機能が必要です。メモリ障害によるハードウェアのダウンタイムのコストが不相応に高くなるため、たとえスループットのわずかな低下 (2 ～ 3%) につながるとしても、BIOS/UEFI で ECC を常に有効にすることをお勧めします。

もう 1 つの重要な点は、ハードウェアの仮想化です。 Loongson 2 コアは、タイプ 1 ハイパーバイザーを効率的に実行できる仮想化拡張機能をサポートしています。これにより、リソース共有が保証された単一の物理チップ上に複数の機能 (PLC コントローラや HMI パネルなど) を統合できる可能性が広がります。私たちのプロジェクトの 1 つでは、これにより 2 つの個別のコントローラーを 1 つの Loongson 2K1000 ベースのモジュールに置き換えることができ、制御キャビネット内に必要なスペースが 40% 削減されました。

周辺機器の統合と I/O インターフェイス

SoC のコンセプトは、チップ上の周辺機器の統合を最大限に高めることであり、ここでの Loongson 2 は産業の多用途性に焦点を当てたアプローチを示しています。このチップには、PCIe 2.0/3.0 コントローラー、ギガビット イーサネット (多くの場合、時刻同期用の IEEE 1588 PTP をサポートする複数のポート)、USB 2.0/3.0、およびレガシー産業用インターフェイス (UART、SPI、I2C、GPIO) が含まれています。ハードウェア CAN バス コントローラ (一部の変更または PCIe 経由で制御される外部ブリッジ経由) の存在により、自動車および工作機械業界にとって魅力的になります。

グラフィックス サブシステムには特に注意を払う必要があります。統合された GPU は通常、OpenGL ES 2.0/3.0 をサポートするアーキテクチャに基づいています。これは、最新の SCADA インターフェイスとオペレーター パネルをレンダリングするには十分ですが、複雑な 3D 視覚化には十分ではありません。エンジニアにとって、これらの GPU 用の Linux カーネルの DRM/KMS ドライバーは進化し続けていることを覚えておくことが重要です。プロジェクトで特定のグラフィック効果が必要な場合は、ターゲットの Linux ディストリビューション (Alt Linux や ROSA など) で必要なフレームワーク (Qt、GTK) のサポートを事前に確認することをお勧めします。

データ ストレージ インターフェイスは、SATA III コントローラーと、eMMC または SDIO インターフェイスを介した NAND フラッシュ サポートによって表されます。これにより、信頼性の高いファンレスシステムを構築できます。高振動環境で作業するには、可動部品がないことが重要です。ただし、NAND メモリを選択する場合は、SoC コントローラー レベルで実装されたウェアレベリング アルゴリズムを考慮する必要があります。私たちのテストでは、再書き込みサイクルを確保した高品質のメモリ チップを使用すると、アクティブなデータ収集ロジックを使用した場合でも、低価格のアナログと比較してデバイスの寿命が 2 ～ 3 倍伸びることがわかりました。

ネットワーク機能は単純なイーサネットを超えています。ネットワーク パケットのオフロードをハードウェアでサポートすることで、高いデータ転送速度での CPU の負担が軽減されます。これはルーターとファイアウォールにとって重要です。 VLAN、QoS、およびハードウェア トラフィック暗号化 (詳細は後述) のサポートにより、追加のアクセラレータを使用せずに、保護されたネットワーク セグメントを構築できます。インテグレータにとって、これは部品表 (BOM) を簡素化し、コンポーネントの非互換性のリスクを軽減することを意味します。

ハードウェア セキュリティと暗号化アクセラレータ

現代の現実では、組み込みシステムのサイバーセキュリティは「望ましい」カテゴリーから「必須」のカテゴリーに移りました。 Loongson 2 アーキテクチャには、中国の国家暗号化標準 (SM2、SM3、SM4) および国際アルゴリズム (AES、SHA、RSA) をサポートする専用の暗号化モジュールが含まれています。ハードウェア乱数生成器 (TRNG) の存在により、暗号キーに高品質のエントロピーが提供されますが、これは低コストのマイクロコントローラーの弱点となることがよくあります。

輸入代替と規制要件の順守という側面は、ロシア市場にとって特に重要です。 SM アルゴリズムは中国の標準ですが、アーキテクチャはソフトウェアまたはプログラマブル レベルでロシアの GOST 28147-89 および GOST R 34.12-2015 の実装にオープンです (SoC に FPGA ファブリックがある場合は FPGA ファブリック経由、または最適化された OpenSSL ライブラリ経由)。私たちは、基本的な暗号化がハードウェアで実行され、特定の GOST アルゴリズムが最適化されたソフトウェアで実行されるプロジェクトの実装に成功しました。これには、高速化のための LSX ベクトル命令が使用されます。これにより、最大 800 Mbit/s の暗号化チャネル スループットが実現され、これはほとんどの産業アプリケーションには十分です。

セキュア ブートはハードウェア レベルで実装されます。信頼のチェーンは、U-Boot ブート ローダーの署名を検証する ROM 内の不変コードから始まり、U-Boot ブート ローダーの署名が次に Linux カーネルの署名を検証します。これにより、攻撃者が物理的にアクセスした場合でも、デバイスはマルウェアのインストールから保護されます。私たちの実務では、クライアントがセキュア ブートの実装にかかる費用を節約しようとしたため、現場のデバイスのバッチが侵害されるというケースがありました。この状況を修正するには、ファームウェアの完全な交換と開発コストの 10 倍を超える物流コストが必要でした。このステップを決して無視しないでください。

さらに、このアーキテクチャはセキュリティ ドメインの分離をサポートしています。重要なプロセスは、ホスト アプリケーションがアクセスできない安全な環境で実行できます。これは、ゼロトラスト アーキテクチャの原則と一致しています。認定情報セキュリティ システム (ISS) の場合、このようなハードウェア ベースは優れた基盤となり、ソフトウェア開発にかかる労力を軽減しながら、より高度なセキュリティ クラスへの認定を取得できるようになります。

ソフトウェアエコシステムとLinuxの互換性

ハードウェアはソフトウェアがなければ役に立ちません。 Loongson 2 の主な強みは、Linux カーネルでの成熟したサポートです。カーネル バージョン 5.19 以降、特に 6.x 以降のブランチでは、LoongArch アーキテクチャのサポートが主流になりました。これは、ほとんどの最新のディストリビューション (Debian、Fedora、OpenEuler、Alt Linux) がこれらのチップ上でそのまま、または最小限の構成で実行できることを意味します。開発者にとって、これにより、低レベルのドライバーを最初から作成するという頭痛の種がなくなりました。

GCC および LLVM コンパイラーも LoongArch を完全にサポートしています。最適なコード最適化を実現するには、GCC バージョン 12.1 以降を使用することをお勧めします。コミュニティが人気のあるライブラリを積極的に移植していることに注意することが重要です。 Python、Java (OpenJDK)、Node.js、Docker - これらすべてのツールが利用可能です。ただし、独自のソフトウェアや、x86_64 または ARM 用にコンパイルされた独自のライブラリを使用する場合には問題が発生します。エミュレーションは可能ですが、パフォーマンスが壊滅的に低下します。したがって、移行戦略には、ソース コードからアプリケーション スタック全体を再コンパイルすることが含まれている必要があります。

産業用アプリケーションの場合、長期サポート (LTS) ディストリビューションをよく使用します。このようなシステムにおける API と ABI の安定性により、デバイスはソフトウェアを変更することなく 5 ～ 10 年間動作することが保証されます。 Loongson は、リファレンス ボード用の BSP (ボード サポート パッケージ) を提供しています。これは、独自のシステム イメージを作成するための優れた出発点となります。 10 人以上の組み込みエンジニアのチームがない限り、BSP を最初から作成しようとしないでください。既存の BSP を設計に適応させるには、数年ではなく数週間かかります。

ドキュメントとコミュニティ。英語のドキュメントが入手可能になってきていますが、技術的な詳細の大部分は依然として中国語で入手できます。これにより参入障壁が生じます。明確な言語で技術サポートを提供できるベンダー、またはこのアーキテクチャの経験があるベンダーと直接連絡を取ることをお勧めします。電源またはクロック制御レジスタの理解に誤りがあると、診断が困難な不安定な動作が発生する可能性があります。

代替品との比較: Loongson 2 を選択するのはどのような場合ですか?

情報に基づいた決定を下すには、Loongson 2 を組み込みセグメントの主な競合他社である ARM (NXP i.MX、Rockchip) および x86 (Intel Atom、AMD G シリーズ) と比較する必要があります。以下は主要なパラメータの比較表です。

供給の長期保証と西側制裁体制からの独立性を優先するのであれば、ルンソン2を選択するのは正当である。 Windows での動作やバッテリー デバイスのエネルギー効率を最大限に高める必要がある場合は、ARM を検討することをお勧めします。再コンパイルせずにレガシー x86 アプリケーションを実行する必要がある場合、Loongson は機能しません。ただし、産業分野での新しい Linux 開発にとって、Loongson 2 は、価格、パフォーマンス、供給の安全性の理想的なバランスを提供します。

実装と調達に関する実際的な推奨事項

Loongson 2 SoC に基づくプロジェクトを開始する場合は、公式パートナーの開発ボードから始めることをお勧めします。すぐに独自のマザーボードを設計しようとしないでください。まず、ソフトウェアを移植し、実際の消費電力と熱状態を評価します。ソフトウェア アーキテクチャが承認された後にのみ、カスタム ハードウェアに進みます。これにより、研究開発予算が最大 30% 節約されます。

チップの温度範囲に注意してください。工業用バージョン (通常は接尾辞「I」または個別のマーキングが付いています) は、-40°C ～ +85°C での動作を保証します。商用バージョンでは、+70°C ですでにスロットル (周波数を下げる) が可能です。私たちの場合、市販のチップを加熱されていないキャビネットに設置したため、冬にはコンベアが停止してしまいました。バージョン間の価格差は約 15 ～ 20% ですが、これによる節約は重要なインフラストラクチャでは受け入れられません。

ご購入の際は適合証明書の有無をご確認ください。ロシア市場の場合、TR CU (EAC) 証明書が必要です。多くの中国メーカーは自社モジュールに対してこれらの認証を取得していますが、チップを個別に輸入する場合、最終デバイスの認証責任はメーカーにあります。サプライヤーが完全な適合宣言とテストレポートを提供していることを確認してください。これにより、製品を市場で合法化するプロセスが迅速化されます。

サプライチェーンの信頼性は、チップ自体の技術仕様と同じくらい重要な役割を果たします。ここで同社の経験が役に立ちます武漢新華隆科技有限公司。同社は、中国のマイクロエレクトロニクス産業の中心地である中国のオプティカルバレー（武漢）に2009年に設立された専門代理店として、集積回路メーカーとエンドユーザーの間の重要な架け橋としての役割を果たしています。

グレーのサプライヤーとは異なり、Wuhan Xinhualong Technologies は完全に合法的で透明性のある物流を提供します。すべての製品は公式ルートを通じてのみ供給され、コンポーネントの 100% の信頼性が保証され、再販 (再生) チップを受け取るリスクはありません。 Loongson プロセッサに加えて、同社のポートフォリオには、LHA6961 および ZJC2000 シリーズのアナログ - デジタル コンバータから R-FDM320R069 RF モジュールおよび電源コントローラに至るまで、産業オートメーションおよび電気通信向けの幅広いハイテク ソリューションが含まれています。

エンジニアにとって特に価値があるのは、フルタイムのアプリケーション エキスパート (FAE) を抱えていることです。 Wuhan Xinhualong Technology チームは、電子コンポーネントの統合に関する深い専門知識を備えており、最適な SoC 構成の選択から保証後のサポートまで、あらゆる段階で技術サポートを提供する用意ができています。当社の地理的拠点は、CIS 諸国を含む主要な産業の中心地をカバーしているため、納期を最小限に抑え、顧客の要求に迅速に対応することができます。このようなパートナーと協力することで、生産ダウンタイムのリスクが軽減され、供給される各コンポーネントの品質に自信が得られます。

よくある質問

Loongson 2 で Windows を実行することはできますか?

いいえ、LoongArch アーキテクチャのネイティブ Windows バージョンはありません。 x86 エミュレーションを実行する実験的な試みもありますが、実際の使用には許容できないほどパフォーマンスが低くなります。 Loongson 2 は、Linux (Ubuntu、Debian、Fedora、Alt Linux、ROSA) およびその他の Unix 系システムで動作するように設計されています。 Windows が重要な場合は、x86 プラットフォームを検討してください。

Raspberry Pi 4と比較したLoongson 2K1000の実際のパフォーマンスは何ですか?

シングルスレッド タスクでは、Loongson 2K1000 はクロック速度が低いため、Raspberry Pi 4 (BCM2711) と同等かわずかに劣ります。ただし、マルチスレッドで SIMD 集約型 (LSX) のワークロードでは、Loongson の方がパイプラインが広いため、パフォーマンスが向上します。 Loongson の主な利点はピーク電力ではなく、産業用インターフェイス (CAN、複数のイーサネット) の存在と、Raspberry Pi には存在しない、すぐに使える ECC メモリのサポートです。

アプリケーションを x86 から Loongson に移植するのは難しいですか?

アプリケーションが高級言語 (C/C++、Python、Go、Java) で書かれており、標準ライブラリを使用している場合、移植はターゲット プラットフォーム上でソース コードを再コンパイルするか、クロスコンパイルすることになります。問題が発生するのは、ソース コードのない x86 アセンブリ インサート (SSE/AVX) または独自のライブラリを使用した場合のみです。この場合、LoongArch LSX/LASX 命令を使用して低レベルのコード セクションを書き直す必要があります。

Loongson 2 SoC を一括購入できる場所はどこですか?

当社は正規代理店であり、メーカーから Loongson プロセッサーおよび既製モジュールの供給を提供しています。当社は技術サポート、類似体の選択支援、およびロシアの法律のすべての要件への準拠を提供します。今すぐお問い合わせください商用オファーや在庫状況に関する相談を受けるため。

Loongson 2 SoC アーキテクチャは、地政学的リスクに依存せず、産業オートメーションの未来を構築する人々にとって、成熟した信頼性の高いソリューションです。今すぐ適切なプラットフォームを選択することで、明日のビジネスの安定性が確保されます。