龍芯處理器商用密碼指令集運(yùn)算性能分析

徐海波

（北京賽迪軟件測(cè)評(píng)工程技術(shù)中心有限公司，北京 100048）

1 研究背景

2021年，龍芯中科技術(shù)股份有限公司（簡(jiǎn)稱龍芯中科）官方發(fā)布了基于龍芯架構(gòu)的新一代處理器龍芯3A 50 0 0的消息，“龍芯3A 50 0 0實(shí)現(xiàn)了自主性和安全性的深度融合。龍芯3A5000中包括處理器核心、內(nèi)存控制器及相關(guān)PHY、高速I(mǎi)O接口控制器及相關(guān)PHY、鎖相環(huán)、片內(nèi)多端口寄存器堆等在內(nèi)的所有模塊均自主設(shè)計(jì)。龍芯3A5000處理器集成了安全可信模塊，支持可信計(jì)算體系。龍芯3A5000內(nèi)置了硬件加密模塊，支持商用密碼SM2/3/4及相關(guān)算法，其中SM3/4密碼處理性能達(dá)到5 Gbps以上[1]?！?/p>

2 性能測(cè)試

針對(duì)此款處理器，為了驗(yàn)證其商用密碼指令集運(yùn)算性能，筆者第一時(shí)間拿到了成品及適配的主板等硬件，并在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了初步測(cè)試。為了比較該處理器在商用密碼運(yùn)算方面的性能，還選用了龍芯同期生產(chǎn)的3B5000處理器及市面上常見(jiàn)的英特爾處理器進(jìn)行了比較。

在測(cè)試工程中，經(jīng)向龍芯中科咨詢得知，目前產(chǎn)品手冊(cè)等白皮書(shū)還沒(méi)有發(fā)布。由于該款處理器剛剛發(fā)布，各操作系統(tǒng)廠商與之適配的操作系統(tǒng)、編譯器還在適配研制過(guò)程中，正式版尚未發(fā)布。因此此次測(cè)試尚未能檢測(cè)商用密碼算法通過(guò)處理器指令集的運(yùn)算性能。

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

測(cè)試共選取了8款處理器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，分別為龍芯3A5000、龍芯3B5000、龍芯3A4000、龍芯3B4000、英特爾賽揚(yáng)J1900、英特爾i5-2400、英特爾i7-2600、英特爾至強(qiáng)E5-2620V2。（其中3B5000、E5-2620V2為服務(wù)器架構(gòu)，每臺(tái)安裝了兩顆相同的處理器），如表1所示。

表1 測(cè)試機(jī)機(jī)型、處理器、內(nèi)存、硬盤(pán)、操作系統(tǒng)版本等參數(shù)

表2 龍芯與英特爾處理器運(yùn)算商用密碼測(cè)試結(jié)果

2.2 測(cè)試結(jié)果（這里只選取了商用密碼的測(cè)試結(jié)果）

2.3 測(cè)試分析

2.3.1 龍芯與英特爾處理器執(zhí)行商用密碼算法的結(jié)果分析

由于英特爾處理器不支持商用密碼的指令集，龍芯處理器雖然支持，但操作系統(tǒng)和編譯器尚未適配，所以本次測(cè)試均為純軟件計(jì)算，以此比較不同處理器在各計(jì)算方式下的性能差別。測(cè)試結(jié)果表明：對(duì)于采用非對(duì)稱算法SM2的加解密操作，包括加密/解密，簽名/驗(yàn)簽操作，龍芯與英特爾處理器的性能差距比較大，基本相差一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。但是隨著運(yùn)算位數(shù)的增大，性能差距在逐漸減小[2]；在采用對(duì)稱算法SM4的運(yùn)算能力方面，龍芯與英特爾的賽揚(yáng)處理器性能相差不大，但與英特爾酷睿處理器還是有一定差距[3]；在采用SM3的散列函數(shù)運(yùn)算能力方面，龍芯的計(jì)算性能與英特爾的酷睿處理器持平，基本接近至強(qiáng)服務(wù)器處理器的運(yùn)算能力[4]。

2.3.2 龍芯與英特爾處理器執(zhí)行國(guó)際加密算法的

結(jié)果分析

本次測(cè)試仍采用純軟件計(jì)算，以此比較不同處理器在各計(jì)算方式下的性能差別。對(duì)于非對(duì)稱算法，選取了常用的R SA算法進(jìn)行比較，在加密/解密，簽名/驗(yàn)簽操作方面，龍芯與英特爾處理器的性能差距非常大，英特爾的酷睿、至強(qiáng)處理器計(jì)算速度比龍芯快10～30倍以上，賽揚(yáng)處理器也要優(yōu)于龍芯處理器的處理能力；對(duì)于對(duì)稱算法，選擇了AES算法進(jìn)行比較，除英特爾至強(qiáng)服務(wù)器處理器優(yōu)勢(shì)相對(duì)明顯以外，各處理器表現(xiàn)相對(duì)比較平均，計(jì)算性能相差不大；對(duì)于散列函數(shù)算法，選擇了SHA1和SHA256兩種算法進(jìn)行比較，龍芯的計(jì)算性能基本達(dá)到英特爾的賽揚(yáng)處理器的水平，與酷睿、至強(qiáng)相比略有差距。

2.3.3 英特爾處理器AES算法采用指令集的能力

提升分析

英特爾公司在2008年3月提出了高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)指令集（或稱英特爾高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)新指令，簡(jiǎn)稱AESNI），是x86指令集架構(gòu)的擴(kuò)展，用于Intel和AMD微處理器，該指令集的目的是改進(jìn)應(yīng)用程序使用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）執(zhí)行加密和解密的速度。并在隨后生產(chǎn)的大部分處理器中嵌入了AES-NI指令集[5]。

在被測(cè)產(chǎn)品中，除賽揚(yáng)處理器不支持此指令集，酷睿系列及至強(qiáng)均支持此指令集。[6]由于指令集只針對(duì)對(duì)稱密碼算法AES設(shè)置，所以測(cè)試也只選擇了酷睿和至強(qiáng)的3款處理器，對(duì)AES-128、AES-256兩種常見(jiàn)算法的加密/解密進(jìn)行了測(cè)試。對(duì)于128位加解密算法，處理器指令集的處理效率比純軟件運(yùn)算有明顯的提升，運(yùn)算速度大約為6～10倍；對(duì)于256位加解密算法，處理器指令集的處理效率比純軟件運(yùn)算有明顯的提升，運(yùn)算速度大約為50倍。

2.3.4 龍芯處理器5000系列與4000系列對(duì)比能

力提升分析

龍芯處理器在軟件運(yùn)算速度和處理能力方面，與英特爾相比還有非常大的差距，尤其是在非對(duì)稱算法（RSA、SM2）的計(jì)算過(guò)程中，由于涉及大量乘除操作，導(dǎo)致處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于英特爾處理器；在對(duì)稱算法（AES、SM4）的計(jì)算過(guò)程中，大多數(shù)均為位移和異或等操作，所以與英特爾處理器的處理能力相差不大；對(duì)于散列函數(shù)（SHA、SM3）的計(jì)算，涉及位移和映射等操作，所以與英特爾處理器相比略有差距。

通過(guò)對(duì)英特爾處理器打開(kāi)/關(guān)閉AES-NI指令集的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在處理對(duì)稱加解密AES算法時(shí)，對(duì)性能影響非常大，尤其是相比32位操作與16位操作，使用處理器指令集的運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)純軟件運(yùn)行速度。但英特爾處理器的加解密指令集僅限于酷睿以上的處理器且只支持AES算法。

龍芯5000系列與4000系列相比，各方面性能大約提升80%。

3 結(jié)束語(yǔ)

龍芯處理器雖已支持商用密碼指令集，但由于操作系統(tǒng)及編譯器適配的問(wèn)題，還無(wú)法測(cè)試其性能有多大的提升，但根據(jù)英特爾指令集的測(cè)試，樂(lè)觀估計(jì)其性能應(yīng)該有10倍左右的提升。英特爾只有AESNI指令集，而龍芯的指令集完整地支持SM2/3/4，如果能對(duì)非對(duì)稱加解密的算法進(jìn)行指令集成，那性能提升將是巨大的，高性能的運(yùn)算也將為商用密碼的應(yīng)用帶來(lái)更加廣泛的前景。日前，龍芯官方表示“龍芯3A6000今年上半年會(huì)流片回來(lái)，單核性能比3A5000系列提升30%，浮點(diǎn)性能將提升60%?！弊屛覀兪媚恳源?，純國(guó)產(chǎn)、真自主、高性能、全生態(tài)的龍芯早日登場(chǎng)?！?/p>