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處理器架構消亡史

2021-03-12
來源:半導體行業觀察
關鍵詞: 處理器 RISC-V

  新興市場的到來對處理器提出了新的要求,處理器架構也隨之發生著變化,主流處理器架構市場的變化也引起了行業的關注。最近,MIPS就成為了處理器架構變革潮流中的話題主角——2018年Wave Computing正式收購了MIPS,去年4月,Wave Computing申請破產保護,并更名為MIPS Technologies。到了今年,根據外媒報道顯示,MIPS Technologies正在轉變其商業模式,即該公司將不再設計 MIPS 芯片,而將開發基于 RISC-V 架構的處理器。

  發生在MIPS Technologies身上的變化,或許也預示著又一個處理器架構正在逐漸向命運低頭。同樣,作為最具有歷史的處理器架構之一,MIPS見證了很多其他處理器架構的發生變化——他看著X86稱霸PC市場,Arm在移動市場崛起,RISC—V又作為新星受到新興市場的青睞;但同樣他也看著SPARC,Alpha,PA-RISC和其他一些架構逐漸走向消亡。

  璀璨的二十世紀八十年代

  上個世紀八十年代,互聯網已現雛形,PC受到了企業級市場的認可。在這個期間,IBM開始打算用開放生態與產業合作的方式完成PC生產。于是,英特爾借此機會成長了起來,由此也帶動了以X86為基礎的處理器的飛速發展。

  就在PC從企業級市場走向民用市場的同時,半導體行業也在醞釀著一場變革。從英特爾身上折射出來的市場對處理器的需求,讓半導體廠商們看到了紅利。于是,在此期間,各大廠商都開始著手于處理器架構的研究,2017 年圖靈獎獲得者John Hennessy 和 David Patterson 在其所著的《計算機架構的新黃金時代》一文中曾提到,20 世紀 80 年代我們做的研究(在計算機領域)能為我們帶來回報,能改善成本、能源、安全以及性能。在巨大的回報之下,處理器架構也迎來了百家爭鳴的時代。

  從公開的消息顯示,20世紀80年代期間誕生的處理器架構不僅包括我們耳熟能詳的ARM以及MIPS,SPARC、DEC Alpha、PA-RISC和其他一些產品也在同一時期出現,這些架構也都是由RISC體系中發展出來的處理器架構。包括IBM所推出的Power架構也都是RISC體系中的一員。

  他們的到來,構建了出了璀璨的處理器架構時代,也對當時的英特爾造成了一定的壓力。

  各領風騷數十載

  SPARC(可擴展處理器體系結構)是最初由Sun Microsystems開發的精簡指令集計算(RISC)指令集體系結構(ISA)。它的設計在很大程度上受到早期RISC設計的影響,包括來自加利福尼亞大學伯克利分校和IBM 801的RISC I和II 。這些原始的RISC設計極簡,包括盡可能少的功能或操作碼,旨在以每個時鐘周期幾乎一條指令的速率執行指令。

  SPARC于1986年首次開發,并于1987年發布,是最成功的早期商業RISC系統之一。在其推出首款SPARC處理器產品后,SPARC就很快地占領了市場,并幫助公司突破了10億美元營收的大關。到了1989年,采用了SPARC架構的處理器開始應用于高性能工作站及服務器上,基于該架構的開放性和RISC體系的特點很快讓其成為了國際流行的架構。同一時間,為了擴大SPARC的影響力并作出進一步優化,“SPARC International”組織成立,包括摩托羅拉、東芝、富士通、Aeroflex Gaisle都參與其中。1995年,隨著UltraSPARC I的推出,Sun在高端微處理器市場的領導地位得以進一步鞏固。

  SPARC的成功引起從1980年代和90年代的許多廠商都引入了類似的RISC設計。

  MIPS架構是另一個值得提一提的處理器架構。1981年,約翰·軒尼詩在斯坦福大學設立了 MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)項目以研究精簡指令集計算技術。當時,該項目的成果向他展示了這項技術潛在的經濟價值,并讓他在1984年休假期間成立了 MIPS Computer Systems 。1985年,該公司推出了第一個實現 MIPS架構的微處理器,即 R2000 。

  1990年代初期,MIPS科技公司開始將自己的微處理器設計許可給第三方供應商。事實證明,由于MIPS處理器核的簡單性,這種方式相當成功,這使 MIPS 架構的微處理器可以用于許多應用,這些應用所集成的 MIPS 架構微處理器比以前同時期使用的具有相同功能的CISC架構微處理器在設計上的花費少得多,而門數和價格卻差不多。基于 MIPS架構 的芯片廣泛應用于嵌入式市場,包括計算機網絡,電信,視頻街機游戲,視頻游戲機,計算機打印機,數字機頂盒,數字電視,DSL,電纜調制解調器和個人數字助手等多種產品。

  到1990年代后期,MIPS已成為嵌入式系統領域的強者。根據MIPS科技公司的統計,1997年以MIPS架構為基礎的CPU出貨量為4800萬,占RISC CPU總市場份額的49%。MIPS 架構如此成功,于是,在1998年SGI把MIPS科技公司拆分成為一個子公司(SGI 在1992年直接收購了MIPS)。

  DEC(Digital Equipment Corporation)也是受這股RISC風潮影響下的企業之一,DEC看到了許多RISC架構(例如MIPS和SPARC)的興起,他們認為競爭激烈,最終將拯救在VAX上的敗退。于是,在1982年到1985年間,DEC將RISC劃分為幾個部分來分開研究,1985年,DEC負責RISC研究的負責人之一提出“協作RISC計劃”,即將此前的項目就被合并為一個項目,并且更名為PRISM。在此期間,為了進一步順利的將新架構打入市場,DEC在參與MIPS R3000的處理器項目開發過程中,主動發起創建了高級計算環境協會(Advanced Computing Environment consortium)來提升新架構的影響力。到了1988年DEC公司的管理高層決定采用MIPS處理器,DEC管理層懷疑是否需要生產新的計算機體系結構來替代其現有的VAX產品線,并最終于1988年結束了PRISM項目。

  此時,處理器架構開始向64位發展。向64位發展,也被當時很多廠商視為是可以改寫市場格局的一個拐點。因此,DEC開始考慮使用類似于RISC的設計概念來設計新一代VAX CPU,以提高速度,同時擴展到完整的64位體系架構。于是,Alpha架構應運而生。

  Alpha于1992年末推出,是專為高端臺式機,工作站和服務器設計的微處理器架構,這也使得他們成為首批實現64位體系架構的企業之一。

  Alpha對于產業的貢獻或許不是有多少產品采用了這種架構,而是他在理論上為產業的發展提供了一種新思路。有人認為,Alpha,MIPS兩種RISC架構都比較早的考慮了64位、和引入了很多超前的微架構設計概念,以至于影響了以后英特爾在微架構(uops)、超線程方面的發展,這些在英特爾處理器微架構設計隱約能看到Alpha架構的一些影子。

  除此之外,艾康電腦公司于1983年開始的開發項目——ARM也是值得一提的架構。1980年代晚期,蘋果電腦開始與艾康電腦合作開發新版的ARM核心。由于這項目非常重要,艾康電腦甚至于1990年將設計團隊另組成一間名為安謀國際科技(Advanced RISC Machines Ltd.)的新公司。這個項目到后來進入“ARM6”,首版的樣品在1991年發布,然后蘋果電腦使用ARM6架構的ARM 610來當作他們Apple Newton產品的處理器。

  但在群星璀璨的20世紀80年代到90年代期間,ARM并沒有迎來真正的起飛。

  移動市場紅了ARM,服務器市場綠了SPARC

  在進入到新世紀后,新的應用崛起,使得PC已經不是處理器架構競爭的唯一戰場。ARM架構憑借精簡指令集的特點,殺入了移動市場,并逐漸成為了這個市場的霸主。

  相對于ARM來說,DEC和SUN都是當時在處理器架構技術領先的代表,他們都已經在PC市場取得了一定的成績,因此,他們的主要目標市場還是PC市場。而此時,英特爾的X86已經在過去數十載的發展中建立了強大的生態系統。因此,在沒有把握新應用的到來,以及在英特爾搶占絕大多數市場的壓力下,也有很多處理器架構退出了歷史的舞臺。

  在互聯網興起的同時,不僅推動了移動市場的發展,也推動了服務器的需求,因此,Sun Microsystems也順理成章地開始拓展前景看起來更大的服務器市場。但也是在這個市場中,SPARC落了下風——根據Gartner的數據,從2002年開始,Sun Microsystems的營收份額每況愈下,到了2007年正式被IBM反超。而RISC+UNIX的服務器市場也逐漸被Intel的X86+Linux/Windows拉下。SPARC因在服務器市場的失利,開始落寞。

  2010年,Oracle以74億美元價格收購了SUN,連帶著SPARC也歸屬了Oracle。2017年后,Oracle被爆SPARC部門進行裁員,逐漸地,Oracle也逐漸放棄了SPARC的開發。有分析師認為,從內部看,是公司領導人重視硬件,忽視軟件的結果;也有人認為其硬件搭配軟件方式限制了他后來的發展。

  SUN作為開源架構的代表它的凋亡令人惋惜,但DEC Alpha的消亡則是因為其生態太過封閉而造成的。據相關資料顯示,DEC公司將所有和Alpha處理器相關的配件和外設都自己生產,不過為桌面電腦開發的主板卻不支持SMP,而當時幾乎所有采用Alpha處理器的公司都會使用多處理器系統,因此DEC公司所推出的桌面機型很沒競爭力。另外,他們也一直不支持免費開源操作系統,這也成為了他們敗走的一個原因。

  1998年,DEC因為財務原因,將Alpha架構與DEC的大部分內容一起出售給了Compaq。但已經是英特爾客戶的Compaq決定淘汰Alpha,轉而采用即將推出的Itanium架構,并于2001年將所有Alpha知識產權出售給了英特爾。

  除此之外,惠普公司所推出的精簡指令集架構PA-RISC也沒逃得出被淘汰的命運。它也是20世紀80年代中的一員,它首次出現于1986年2月26日,被應用于HP 3000 930系列以及HP 9000 840模式處理器之中。后來,這種架構被惠普公司與英特爾聯合開發的Itanium架構所取代。

  這樣看起來,英特爾的Itanium或成為最大的贏家,但事實證明,在市場的發展過程中,沒有哪一種處理器架構能夠永遠合適市場的需求——這款于1999年被命名的64位架構,自從2017年之后就再也沒有更新了,2019年英特爾發布通知稱安騰9700處理器開始退役,2021年7月最后發貨期,HPE的服務區將支持到2025年。隨著純血64位安騰處理器的停售,也意味著Itanium架構將黯滅在歷史當中。

  而隨著服務器市場的發展,這場處理器架構的淘汰賽似乎并沒有結束。文章開篇提到的,MIPS將不再設計MIPS芯片,而將開發基于 RISC-V 架構的處理器,也預示著引領MIPS架構發展的一代梟雄的退場了。(但嚴格來說,MIPS架構并沒有在真正意義上消失,包括龍芯、芯聯芯在內的廠商還在致力于以MIPS架構為基礎的處理器的開發)

  未來,誰主沉浮

  由于新的市場應用對處理器有了新的需求,尤其是在摩爾定律發展放緩的情況下,處理器架構的創新為處理器帶來的提升就愈顯重要。由此,業內也有不少人士認為,市場即將迎來計算架構的黃金十年,這當中當然也包括了處理器架構的技術迭代。

  從目前處理器架構市場來看,X86依舊屹立不倒,但對抗他的玩家卻換了一批,這一輪與他競爭的是ARM和RISC—V兩個陣營。從后兩者的發展來看,近些年來,他們都在積極向PC市場做擴展。同時,在大數據時代的推動下,他們也有有意向服務器市場方向發展。

  但對于這一塊市場來說,英特爾在該領域已經建立起了強大的優勢,除了產品外,生態也是他們能夠固守城市的一個有利武器。

  IBM所推出的POWER被視為是在現在的服務器市場占有一定地位的架構,但POWER架構也沒有在通用市場打過英特爾,POWER架構在例如銀行、航空公司、公安系統等高端應用中較為廣泛,采用這種架構的產品作為小型機,封閉系統,其設計更加完整緊湊,綜合起來性能強于X86。在特定的市場中發展的思路,讓POWER架構得以在競爭激烈的處理器架構競爭中存活了下來。

  而這或許也為后來的挑戰者(ARM和RISC—V)提供了一種突破X86封鎖的途徑。于是,我們也看到了,較早踏入服務器市場的ARM陣營的代表Marvell也改變了其發展策略,即決定將定制解決方案的ARM服務器市場作為未來投資的目標。

  如果問那種處理器架構能活著,那么沒有什么比時間更具說服力,因為時間無需通知我們就可以改變一切。

  

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