回顧歷史夢幻處理器:單芯片大型主機的幻夢與RISC崛起(80年代初)

                  2022-09-09 13:16:37 來源:technews(臺) 作者:癡漢水球
                  本篇文章將帶你了解 :

                  ·  英特爾的”舊愛”與”元配”
                  ·  iAPX 432的生平事跡
                  ·  天才造成的災難是天災
                  “怨念”是世上最可怕的執著,經常造成無謂犧牲,而英特爾對進入高端服務器市場的執念,更在這家公司的漫長歷史上埋下諸多災難的種子。
                  英特爾來說,念念不忘的舊愛是嵌入式系統,約定俗成的元配是個人電腦,但極欲追求的”新歡”卻是服務器,尤其看起來特別高上大的那種。還記得本系列連載第一篇提及以IBM System/360為首的大型主機(Mainframe)嗎?這成為英特爾眼中最重要的目標,造就計算機結構史上最復雜的指令集架構:iAPX 432,與最終慘遭英特爾放棄的悲慘命運。
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                  ▲ 復雜度令人瞠目結舌的芯片大型主機iAPX 432 堪稱英特爾處理器發展史的黑歷史中的黑歷史,黑到伸手不見五指。
                  英特爾1976 年啟動極具野心的8800 計劃,后來改名為iAPX 432(Intel Advanced Performance Architecture 432),也是這家公司第一個32 位處理器(那時8008 和8080只是8 位處理器),企圖打造滿足所有客戶十年內需求的微型大型主機(Micro Mainframe)。x86 指令集始祖:16 位元8086 處理器,原先只是英特爾賺取8800 研發經費的急就章備胎,順便應付一下摩托羅拉(Motorola)之類的競爭對手,數據總線縮減到8 位的衍生款8088,卻因1979 年得到IBM 青睞,開啟x86 獨霸個人電腦市場的新時代。
                  既然假想敵已設定成以IBM 為首的商用大型主機,就該有的高檔規格就當統統一應俱全,像支持多處理器環境、對應多工操作系統、具備基于容錯機能的高可用性、提供高級程序語言需要的物件導向存儲器管理(甚至連垃圾回收機制和透過硬件實作的型別檢查都有了) 和定址模式等,英特爾還發展由Ada 語言撰寫的iMAX 432 操作系統,結果英特爾就創造了”最CISC(復雜指令集電腦)的CISC”,指令編碼長度別說極度不固定了,竟然還可以6~321Bits(你眼睛絕對沒看錯,是位元,不是位元組),連1~17Bytes 的x86 和1~54Bytes 的DEC VAX 都瞠乎其后。
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                   將存儲器管理納入物件導向讓iAPX 432 遠比x86 和VAX 更毫無道理可循。
                  因此iAPX 432 造就史無前例的極端復雜度,也讓2000 年4 月1 日愚人節的微處理器報道(Microprocessor Report)惡搞內容是這樣的:
                  英特爾倉庫發現從事命運多舛、約15 年前被放棄的英特爾 iAPX 432 研發團隊,被集體低溫冷凍。很顯然專案取消時,他們就被凍結了,希望等到某天,這世界能為這種高度先進的架構做好準備。團隊是在為Itanium 處理器尋找冷卻裝置的工程師,在低溫室時偶然發現的。
                  英特爾發言人Fran Diego 表示:”先進0.1234 微米制程技術,終于趕上最初的iAPX 432 設計?!盕ran 補充:”事實證明,控制室的『摩爾定律自動解凍計時器』,無論如何都將在4 月1 日到期?!?/span>
                  這些負責iAPX 432 的工程師已暫時隔離,英特爾高層正在決定該如何向他們解釋什么是RISC 和EPIC。(原文如下:After they had been given up for dead almost 15 years ago,the group that worked on the ill-fated Intel 432 was found cryogenically frozen in an Intel warehouse. Apparently they were frozen when the project was canceled, in hopes that someday the world would be ready for this highly advanced technology. The team was found accidentally when engineers looking for cooling apparatus for Itanium stumbled on the cryogenic chambers. Intel spokesman Fran Diego was quoted as saying, “Our advanced 0.1234-micron process technology has finally caught up with the original 432 design.” Fran added, “It turned out that the Moore's Law automatic defrost timer controlling the chambers was set to expire on April 1st anyway.”
                  The engineers are being quarantined for now while officials decide how to explain RISC and EPIC to them.
                  那時當代兩位計算機組織架構大師David Patterson 的RISC I 和John Hennessy 的MIPS 陸續亮相,更帶來RISC(精簡指令集電腦)這歷史性縮寫(雖然CDC6600IBM 801更早誕生),更顛覆指令集架構風潮。

                  他們1990 年出版的經典教科書《計算機體系結構:量化研究方法》(Computer Architecture: Quantitative Approach)第一版(依舊放在筆者書架上),明確指出很難想像DEC VAX 的設計者怎樣工作,長短不一的指令編碼長度,意味當處理器碰到例外(Exception)或中斷(Interrupt),將耗費更多時間與資源,記錄并恢復處理器當下執行狀態。這也是筆者對隨處可見只要將CISC 指令『轉譯』成看起來很像RISC 的微指令,即可迎刃而解指令集復雜度帶來的諸多問題之類論調,長期嗤之以鼻的主因。

                  如此夸張的復雜度一路疊床架屋,沒剩多少可塞入cache存儲器的空間,不僅讓延遲至1981 年才問世的iAPX 432 難以單一芯片化,像主要運算單元(General Data Processor,GDP)就被迫拆成43201 和43202 兩顆,連I/O 也要補一顆43203。1983 年英特爾另外公布總線控制器43204 與存儲器控制器43205,可實作63 顆處理器的大型系統。
                  芯片化加上容錯造成的傳輸延遲,也讓速度快不起來,導致iAPX 432 比當時同樣是32 位元處理器的Motorola 68000,慢了5~10倍。
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                  ▲ 這張珍貴的照片,由上到下是43202、43201 與43203。
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                  說到原名iAPX 86、組合語言層面可容8080 的8086 處理器,英特爾不但用最少團隊人力,短短一年半內就開發完畢,并在1982 年推出80286,更在1985年的80386 將x86 指令集推進到32 位元的世界(英特爾現任執行長Pat Gelsinger 還曾跟80386 首席架構師John Crawford 合著《Programming the 80386》一書)。即使集結英特爾最優秀研發人才提煉出號稱沒有任何bug(看在超高復雜度的份上,這實在很不簡單)的iAPX 432,英特爾也只能在1986 年黯然宣布放棄這產品。
                  但iAPX 432 的失敗并沒有阻擋英特爾進軍高級應用的怨念,在iAPX 432 半死不活的1984 年,英特爾跟西門子(Simens)聯合執行BiiN 計劃,并合資開設公司。如同原始iAPX 432,BiiN 目標在于創建完全可用Ada 編程的高容錯計算機系統,英特爾不僅將原本iAPX 432 大部分團隊轉調BiiN,更從IBM借將Glenford Myers 擔任首席架構師。因受RISC 風潮影響,加上iAPX 432 的前車之鑒,BiiN 的成果、代號P7(很諷刺的是,初代Itanium ″Merced″ 也一度稱為P7,NetBurs 微架構首發″Willamette″ 則是暗示過渡時期的P68)處理器,就理所當然RISC 化并簡化存儲器管理的iAPX 432,也是英特爾史上第一顆RISC 處理器,1985 年底和80386 差不多的時間點,就有第一批可動的P7 樣品芯片。
                  因種種因素(軟件一直都是英特爾罩門),P7 并未在市場取得任何商業成就,Glenford Myers 則試圖說服英特爾高層將其取代80286 和80386 的通用設計(類似IBM 高層對IBM 801 前身的決策),并可用于執行Unix 操作系統的新興RISC 處理器市場,包含Steve Jobs 離開蘋果后成立的NeXT。盡管英特爾高層并未同意他的見解,但P7處理器仍保留下來,重新命名為i960,并持續發展,并交由iAPX 432 與日后Pentium Pro 首席架構師之一的Fred Pollack 接手。
                  i960 眾多衍生型號如軍事用途的i960MX、針對高級嵌入式應用的i960MC、”封印”浮點運算器和存儲器管理大量用于激光印表機的i960KA等,其家族最值得大書特書的莫過于1989 年7 月發布的i960CA,可同時執行整數邏輯運算、存儲器存取與分支,并在某些情況下可每個時鐘周期維持兩個指令,是英特爾歷史首款超標量(Superscalar)流水線處理器,遠早于1993 年3 月的Pentium。
                  不小心把某種程度上算是計劃外產物產品做出來了,英特爾也得想辦法替其找出路,英特爾1996 年公布I2O(英特爾Intelligent I/O) 規范,讓i960 擔綱替主處理器減輕I/O 負擔的卸載(Offload)輔助處理器,但因i960 的高成本而沒成功。i960 最讓人印象深刻的應用,主要在磁盤陣列控制卡計算XOR(Exclusive OR),如Adaptec AAR-2400A 的i960RS,以及大型游戲街機像IGT 的Stepper S2000 和Sega 的Model 2。
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                  ▲ 使用價格不低的i960 為I/O 輔助卸載引擎的I2O規范,沒撐幾年就無疾而終。
                  至于i960 初衷軍用,實際情況就難以考證,就像筆者至今也挖不出初期愛國者導彈系統究竟有沒有用到DEC Alpha 21064,也無從得知世界最強戰斗機F-22 的前兩個電腦機柜(預留的第三個將用于猛禽敏捷能力釋放(Raptor Agility Capability Release,RACR)這F-22 史上最大升級計劃)到底有沒有i960MX 或后代。
                  英特爾1997 年從DEC 得到StrongARM后,就以之取代i960。但之前i960 研發團隊1990 年就轉派至英特爾P6 計劃,P6 團隊也因從未經歷任何x86處理器研發(″The P6 project was blessed with a team whose members either had never worked on Intel′s x86 chips or had never worked at Intel.″),反而讓P6 變成英特爾處理器發展史上最大成功(″The P6 has become the most successful general-purpose processor ever created.″)。
                  從iAPX 432、i960 到Pentium Pro,繞了好大一圈,也許塞翁失馬,焉知非福勉強可為寫照,不過當iAPX 432 被舍棄后,沒過幾年,以超長指令集(VLIW)化的PA-RISC 為基礎,英特爾又攜手HP 研發IA-64 指令集與Itanium 處理器,再度踏上進攻超高級服務器之路,過程與結果又再次昭告世人英特爾制定的指令集架構風格好像都很奇怪,所謂天才造成的災難是天災大概就是這么回事。單芯片大型主機還不打緊,英特爾接著又變出單芯片超級電腦”(Cray On a Chip)i860,這也是下一篇文章的主角??偠灾?,不期不待,沒有傷害,謝謝收看。

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