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处理器架构消亡史

半导体行业观察

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(图片来源:摄图网)

作者|蒋思莹  来源|半导体行业观察(ID:icbank)

新兴市场的到来对处理器提出了新的要求,处理器架构也随之发生着变化,主流处理器架构市场的变化也引起了行业的关注。最近,MIPS就成为了处理器架构变革潮流中的话题主角——2018年Wave Computing正式收购了MIPS,去年4月,Wave Computing申请破产保护,并更名为MIPS Technologies。到了今年,根据外媒报道显示,MIPS Technologies正在转变其商业模式,即该公司将不再设计 MIPS 芯片,而将开发基于 RISC-V 架构的处理器。

发生在MIPS Technologies身上的变化,或许也预示着又一个处理器架构正在逐渐向命运低头。同样,作为最具有历史的处理器架构之一,MIPS见证了很多其他处理器架构的发生变化——他看着X86称霸PC市场,Arm在移动市场崛起,RISC—V又作为新星受到新兴市场的青睐;但同样他也看着SPARC,Alpha,PA-RISC和其他一些架构逐渐走向消亡。

璀璨的二十世纪八十年代

上个世纪八十年代,互联网已现雏形,PC受到了企业级市场的认可。在这个期间,IBM开始打算用开放生态与产业合作的方式完成PC生产。于是,英特尔借此机会成长了起来,由此也带动了以X86为基础的处理器的飞速发展。

就在PC从企业级市场走向民用市场的同时,半导体行业也在酝酿着一场变革。从英特尔身上折射出来的市场对处理器的需求,让半导体厂商们看到了红利。于是,在此期间,各大厂商都开始着手于处理器架构的研究,2017 年图灵奖获得者John Hennessy 和 David Patterson 在其所著的《计算机架构的新黄金时代》一文中曾提到,20 世纪 80 年代我们做的研究(在计算机领域)能为我们带来回报,能改善成本、能源、安全以及性能。在巨大的回报之下,处理器架构也迎来了百家争鸣的时代。

从公开的消息显示,20世纪80年代期间诞生的处理器架构不仅包括我们耳熟能详的ARM以及MIPS,SPARC、DEC Alpha、PA-RISC和其他一些产品也在同一时期出现,这些架构也都是由RISC体系中发展出来的处理器架构。包括IBM所推出的Power架构也都是RISC体系中的一员。

他们的到来,构建了出了璀璨的处理器架构时代,也对当时的英特尔造成了一定的压力。

各领风骚数十载

SPARC(可扩展处理器体系结构)是最初由Sun Microsystems开发的精简指令集计算(RISC)指令集体系结构(ISA)。它的设计在很大程度上受到早期RISC设计的影响,包括来自加利福尼亚大学伯克利分校和IBM 801的RISC I和II 。这些原始的RISC设计极简,包括尽可能少的功能或操作码,旨在以每个时钟周期几乎一条指令的速率执行指令。

SPARC于1986年首次开发,并于1987年发布,是最成功的早期商业RISC系统之一。在其推出首款SPARC处理器产品后,SPARC就很快地占领了市场,并帮助公司突破了10亿美元营收的大关。到了1989年,采用了SPARC架构的处理器开始应用于高性能工作站及服务器上,基于该架构的开放性和RISC体系的特点很快让其成为了国际流行的架构。同一时间,为了扩大SPARC的影响力并作出进一步优化,“SPARC International”组织成立,包括摩托罗拉、东芝、富士通、Aeroflex Gaisle都参与其中。1995年,随着UltraSPARC I的推出,Sun在高端微处理器市场的领导地位得以进一步巩固。

SPARC的成功引起从1980年代和90年代的许多厂商都引入了类似的RISC设计。

MIPS架构是另一个值得提一提的处理器架构。1981年,约翰·轩尼诗在斯坦福大学设立了 MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)项目以研究精简指令集计算技术。当时,该项目的成果向他展示了这项技术潜在的经济价值,并让他在1984年休假期间成立了 MIPS Computer Systems 。1985年,该公司推出了第一个实现 MIPS架构的微处理器,即 R2000 。

1990年代初期,MIPS科技公司开始将自己的微处理器设计许可给第三方供应商。事实证明,由于MIPS处理器核的简单性,这种方式相当成功,这使 MIPS 架构的微处理器可以用于许多应用,这些应用所集成的 MIPS 架构微处理器比以前同时期使用的具有相同功能的CISC架构微处理器在设计上的花费少得多,而门数和价格却差不多。基于 MIPS架构 的芯片广泛应用于嵌入式市场,包括计算机网络,电信,视频街机游戏,视频游戏机,计算机打印机,数字机顶盒,数字电视,DSL,电缆调制解调器和个人数字助手等多种产品。

到1990年代后期,MIPS已成为嵌入式系统领域的强者。根据MIPS科技公司的统计,1997年以MIPS架构为基础的CPU出货量为4800万,占RISC CPU总市场份额的49%。MIPS 架构如此成功,于是,在1998年SGI把MIPS科技公司拆分成为一个子公司(SGI 在1992年直接收购了MIPS)。

DEC(Digital Equipment Corporation)也是受这股RISC风潮影响下的企业之一,DEC看到了许多RISC架构(例如MIPS和SPARC)的兴起,他们认为竞争激烈,最终将拯救在VAX上的败退。于是,在1982年到1985年间,DEC将RISC划分为几个部分来分开研究,1985年,DEC负责RISC研究的负责人之一提出“协作RISC计划”,即将此前的项目就被合并为一个项目,并且更名为PRISM。在此期间,为了进一步顺利的将新架构打入市场,DEC在参与MIPS R3000的处理器项目开发过程中,主动发起创建了高级计算环境协会(Advanced Computing Environment consortium)来提升新架构的影响力。到了1988年DEC公司的管理高层决定采用MIPS处理器,DEC管理层怀疑是否需要生产新的计算机体系结构来替代其现有的VAX产品线,并最终于1988年结束了PRISM项目。

此时,处理器架构开始向64位发展。向64位发展,也被当时很多厂商视为是可以改写市场格局的一个拐点。因此,DEC开始考虑使用类似于RISC的设计概念来设计新一代VAX CPU,以提高速度,同时扩展到完整的64位体系架构。于是,Alpha架构应运而生。

Alpha于1992年末推出,是专为高端台式机,工作站和服务器设计的微处理器架构,这也使得他们成为首批实现64位体系架构的企业之一。

Alpha对于产业的贡献或许不是有多少产品采用了这种架构,而是他在理论上为产业的发展提供了一种新思路。有人认为,Alpha,MIPS两种RISC架构都比较早的考虑了64位、和引入了很多超前的微架构设计概念,以至于影响了以后英特尔在微架构(uops)、超线程方面的发展,这些在英特尔处理器微架构设计隐约能看到Alpha架构的一些影子。

除此之外,艾康电脑公司于1983年开始的开发项目——ARM也是值得一提的架构。1980年代晚期,苹果电脑开始与艾康电脑合作开发新版的ARM核心。由于这项目非常重要,艾康电脑甚至于1990年将设计团队另组成一间名为安谋国际科技(Advanced RISC Machines Ltd.)的新公司。这个项目到后来进入“ARM6”,首版的样品在1991年发布,然后苹果电脑使用ARM6架构的ARM 610来当作他们Apple Newton产品的处理器。

但在群星璀璨的20世纪80年代到90年代期间,ARM并没有迎来真正的起飞。

移动市场红了ARM,服务器市场绿了SPARC

在进入到新世纪后,新的应用崛起,使得PC已经不是处理器架构竞争的唯一战场。ARM架构凭借精简指令集的特点,杀入了移动市场,并逐渐成为了这个市场的霸主。

相对于ARM来说,DEC和SUN都是当时在处理器架构技术领先的代表,他们都已经在PC市场取得了一定的成绩,因此,他们的主要目标市场还是PC市场。而此时,英特尔的X86已经在过去数十载的发展中建立了强大的生态系统。因此,在没有把握新应用的到来,以及在英特尔抢占绝大多数市场的压力下,也有很多处理器架构退出了历史的舞台。

在互联网兴起的同时,不仅推动了移动市场的发展,也推动了服务器的需求,因此,Sun Microsystems也顺理成章地开始拓展前景看起来更大的服务器市场。但也是在这个市场中,SPARC落了下风——根据Gartner的数据,从2002年开始,Sun Microsystems的营收份额每况愈下,到了2007年正式被IBM反超。而RISC+UNIX的服务器市场也逐渐被Intel的X86+Linux/Windows拉下。SPARC因在服务器市场的失利,开始落寞。

2010年,Oracle以74亿美元价格收购了SUN,连带着SPARC也归属了Oracle。2017年后,Oracle被爆SPARC部门进行裁员,逐渐地,Oracle也逐渐放弃了SPARC的开发。有分析师认为,从内部看,是公司领导人重视硬件,忽视软件的结果;也有人认为其硬件搭配软件方式限制了他后来的发展。

SUN作为开源架构的代表它的凋亡令人惋惜,但DEC Alpha的消亡则是因为其生态太过封闭而造成的。据相关资料显示,DEC公司将所有和Alpha处理器相关的配件和外设都自己生产,不过为桌面电脑开发的主板却不支持SMP,而当时几乎所有采用Alpha处理器的公司都会使用多处理器系统,因此DEC公司所推出的桌面机型很没竞争力。另外,他们也一直不支持免费开源操作系统,这也成为了他们败走的一个原因。

1998年,DEC因为财务原因,将Alpha架构与DEC的大部分内容一起出售给了Compaq。但已经是英特尔客户的Compaq决定淘汰Alpha,转而采用即将推出的Itanium架构,并于2001年将所有Alpha知识产权出售给了英特尔。

除此之外,惠普公司所推出的精简指令集架构PA-RISC也没逃得出被淘汰的命运。它也是20世纪80年代中的一员,它首次出现于1986年2月26日,被应用于HP 3000 930系列以及HP 9000 840模式处理器之中。后来,这种架构被惠普公司与英特尔联合开发的Itanium架构所取代。

这样看起来,英特尔的Itanium或成为最大的赢家,但事实证明,在市场的发展过程中,没有哪一种处理器架构能够永远合适市场的需求——这款于1999年被命名的64位架构,自从2017年之后就再也没有更新了,2019年英特尔发布通知称安腾9700处理器开始退役,2021年7月最后发货期,HPE的服务区将支持到2025年。随着纯血64位安腾处理器的停售,也意味着Itanium架构将黯灭在历史当中。

而随着服务器市场的发展,这场处理器架构的淘汰赛似乎并没有结束。文章开篇提到的,MIPS将不再设计MIPS芯片,而将开发基于 RISC-V 架构的处理器,也预示着引领MIPS架构发展的一代枭雄的退场了。(但严格来说,MIPS架构并没有在真正意义上消失,包括龙芯、芯联芯在内的厂商还在致力于以MIPS架构为基础的处理器的开发)

未来,谁主沉浮

由于新的市场应用对处理器有了新的需求,尤其是在摩尔定律发展放缓的情况下,处理器架构的创新为处理器带来的提升就愈显重要。由此,业内也有不少人士认为,市场即将迎来计算架构的黄金十年,这当中当然也包括了处理器架构的技术迭代。

从目前处理器架构市场来看,X86依旧屹立不倒,但对抗他的玩家却换了一批,这一轮与他竞争的是ARM和RISC—V两个阵营。从后两者的发展来看,近些年来,他们都在积极向PC市场做扩展。同时,在大数据时代的推动下,他们也有有意向服务器市场方向发展。

但对于这一块市场来说,英特尔在该领域已经建立起了强大的优势,除了产品外,生态也是他们能够固守城市的一个有利武器。

IBM所推出的POWER被视为是在现在的服务器市场占有一定地位的架构,但POWER架构也没有在通用市场打过英特尔,POWER架构在例如银行、航空公司、公安系统等高端应用中较为广泛,采用这种架构的产品作为小型机,封闭系统,其设计更加完整紧凑,综合起来性能强于X86。在特定的市场中发展的思路,让POWER架构得以在竞争激烈的处理器架构竞争中存活了下来。

而这或许也为后来的挑战者(ARM和RISC—V)提供了一种突破X86封锁的途径。于是,我们也看到了,较早踏入服务器市场的ARM阵营的代表Marvell也改变了其发展策略,即决定将定制解决方案的ARM服务器市场作为未来投资的目标。

如果问那种处理器架构能活着,那么没有什么比时间更具说服力,因为时间无需通知我们就可以改变一切。

编者按:本文转载自微信公众号:半导体行业观察(ID:icbank),作者:蒋思莹


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