龍芯處理器商用密碼指令集運算性能分析

徐海波

（北京賽迪軟件測評工程技術中心有限公司，北京 100048）

1 研究背景

2021年，龍芯中科技術股份有限公司（簡稱龍芯中科）官方發布了基于龍芯架構的新一代處理器龍芯3A 50 0 0的消息，“龍芯3A 50 0 0實現了自主性和安全性的深度融合。龍芯3A5000中包括處理器核心、內存控制器及相關PHY、高速IO接口控制器及相關PHY、鎖相環、片內多端口寄存器堆等在內的所有模塊均自主設計。龍芯3A5000處理器集成了安全可信模塊，支持可信計算體系。龍芯3A5000內置了硬件加密模塊，支持商用密碼SM2/3/4及相關算法，其中SM3/4密碼處理性能達到5 Gbps以上[1]?！?/p>

2 性能測試

針對此款處理器，為了驗證其商用密碼指令集運算性能，筆者第一時間拿到了成品及適配的主板等硬件，并在實驗室開展了初步測試。為了比較該處理器在商用密碼運算方面的性能，還選用了龍芯同期生產的3B5000處理器及市面上常見的英特爾處理器進行了比較。

在測試工程中，經向龍芯中科咨詢得知，目前產品手冊等白皮書還沒有發布。由于該款處理器剛剛發布，各操作系統廠商與之適配的操作系統、編譯器還在適配研制過程中，正式版尚未發布。因此此次測試尚未能檢測商用密碼算法通過處理器指令集的運算性能。

2.1 測試準備

測試共選取了8款處理器進行對比測試，分別為龍芯3A5000、龍芯3B5000、龍芯3A4000、龍芯3B4000、英特爾賽揚J1900、英特爾i5-2400、英特爾i7-2600、英特爾至強E5-2620V2。（其中3B5000、E5-2620V2為服務器架構，每臺安裝了兩顆相同的處理器），如表1所示。

表1 測試機機型、處理器、內存、硬盤、操作系統版本等參數

表2 龍芯與英特爾處理器運算商用密碼測試結果

2.2 測試結果（這里只選取了商用密碼的測試結果）

2.3 測試分析

2.3.1 龍芯與英特爾處理器執行商用密碼算法的結果分析

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，但操作系統和編譯器尚未適配，所以本次測試均為純軟件計算，以此比較不同處理器在各計算方式下的性能差別。測試結果表明：對于采用非對稱算法SM2的加解密操作，包括加密/解密，簽名/驗簽操作，龍芯與英特爾處理器的性能差距比較大，基本相差一個數量級以上。但是隨著運算位數的增大，性能差距在逐漸減小[2]；在采用對稱算法SM4的運算能力方面，龍芯與英特爾的賽揚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的散列函數運算能力方面，龍芯的計算性能與英特爾的酷睿處理器持平，基本接近至強服務器處理器的運算能力[4]。

2.3.2 龍芯與英特爾處理器執行國際加密算法的

結果分析

本次測試仍采用純軟件計算，以此比較不同處理器在各計算方式下的性能差別。對于非對稱算法，選取了常用的R SA算法進行比較，在加密/解密，簽名/驗簽操作方面，龍芯與英特爾處理器的性能差距非常大，英特爾的酷睿、至強處理器計算速度比龍芯快10～30倍以上，賽揚處理器也要優于龍芯處理器的處理能力；對于對稱算法，選擇了AES算法進行比較，除英特爾至強服務器處理器優勢相對明顯以外，各處理器表現相對比較平均，計算性能相差不大；對于散列函數算法，選擇了SHA1和SHA256兩種算法進行比較，龍芯的計算性能基本達到英特爾的賽揚處理器的水平，與酷睿、至強相比略有差距。

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月提出了高級加密標準指令集（或稱英特爾高級加密標準新指令，簡稱AESNI），是x86指令集架構的擴展，用于Intel和AMD微處理器，該指令集的目的是改進應用程序使用高級加密標準（AES）執行加密和解密的速度。并在隨后生產的大部分處理器中嵌入了AES-NI指令集[5]。

在被測產品中，除賽揚處理器不支持此指令集，酷睿系列及至強均支持此指令集。[6]由于指令集只針對對稱密碼算法AES設置，所以測試也只選擇了酷睿和至強的3款處理器，對AES-128、AES-256兩種常見算法的加密/解密進行了測試。對于128位加解密算法，處理器指令集的處理效率比純軟件運算有明顯的提升，運算速度大約為6～10倍；對于256位加解密算法，處理器指令集的處理效率比純軟件運算有明顯的提升，運算速度大約為50倍。

2.3.4 龍芯處理器5000系列與4000系列對比能

力提升分析

龍芯處理器在軟件運算速度和處理能力方面，與英特爾相比還有非常大的差距，尤其是在非對稱算法（RSA、SM2）的計算過程中，由于涉及大量乘除操作，導致處理速度遠遠落后于英特爾處理器；在對稱算法（AES、SM4）的計算過程中，大多數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；對于散列函數（SHA、SM3）的計算，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。

通過對英特爾處理器打開/關閉AES-NI指令集的測試發現，在處理對稱加解密AES算法時，對性能影響非常大，尤其是相比32位操作與16位操作，使用處理器指令集的運行速度遠遠超過純軟件運行速度。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 結束語

龍芯處理器雖已支持商用密碼指令集，但由于操作系統及編譯器適配的問題，還無法測試其性能有多大的提升，但根據英特爾指令集的測試，樂觀估計其性能應該有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，如果能對非對稱加解密的算法進行指令集成，那性能提升將是巨大的，高性能的運算也將為商用密碼的應用帶來更加廣泛的前景。日前，龍芯官方表示“龍芯3A6000今年上半年會流片回來，單核性能比3A5000系列提升30%，浮點性能將提升60%?！弊屛覀兪媚恳源?，純國產、真自主、高性能、全生態的龍芯早日登場?！?/p>