处理器——半导体巅峰，纵横四十年

Frank

木兮清扬


在进入CPU时代前，是计算机从发明到大发展的计算机时代，包含机械计算机、电动计算机、电子管计算机、晶体管计算机等几个时代。计算机时代是一个属于IBM的光辉时代，也标志着人类进入电脑逐步解放人脑的智能时代。在这段时期内，有老沃森在40年代轻掷百万美金给一个陌生年轻人研制继电器计算机Mark 1的故事，也有小沃森浪子回头接棒IBM的故事。小沃森50年代初带领IBM耗资千万研制电子管、磁带等组成的大型机IBM701, 在40、50年代那个满地都是计算机公司的时代，统一了行业，奠定了IBM在这个时代的王者地位，正式让IBM从机械制表机行业转型成为一家计算机公司。随着肖克利发明晶体管，集成电路也在仙童公司发明出来，小沃森又在60年代耗资50亿，研制集成电路组成的360全系列兼容型大、中、小系列计算机，5年内卖出了3万多台，创造了历史（一台卖几百万美金呀！）。在这个时代还有以mini裙得名的mini小型计算机DEC公司，巨型机天才Cray教授创办的三家Cray系巨型机公司，还有华人的骄傲王安电脑公司等等，这是一个群星闪耀、充满传说的时代。

在CPU的时代来临之前，计算功能分布在各种机械或者离散电路中，集成电路最后才诞生，尚没有形成一个高集成度、涵盖所有计算功能的部件，而CPU行业的老大和发起人Intel公司，此时折腾的还是DRAM生意。

历史，也是量变到质变慢慢积累的，不过不一定遵循我们的思维逻辑。IBM、DEC、Nova、Cray等计算机巨头都没有提出缩小计算机体积、提高集成度等类似的概念，CPU的发明也与它们无缘，也许是利益使然吧，缩小了如何卖得起价钱。CPU的起源，是Intel公司一个员工霍夫在给日本合作方设计台式计算器时，提出了把日本人方案里的多个集成电路整合的思想，虽然日本人拒绝了，但是硅谷八叛将之首、Intel创始人诺伊斯支持了他，于是浓缩为中央处理器（CPU）+程序存储器+数据存储器的三片式结构被构思了出来，并在1971年诞生了世界上第一片4004 CPU，只有铅笔尖大小。随后8008和卖出几百万片的8080登场，从此Intel踏上了x86 CPU的辉煌道路。

Intel 8080的成功，揭开了CPU军备竞赛的篇章，标志着CPU时代真正来临。

上世纪70年代中期，在Intel的8080成功后，Motorola推出了6800，从Intel离开创业的霍夫创建了Zilog，推出了Z80，6800团队的一支也创业推出了6502，这几种CISC架构成为当时的主力，统治了70、80年代的计算领域主战场。随着微处理器的发明，70年代中期，大量作坊式车库计算机制造公司遍地开花，掀起了“解放计算机革命”，计算机走入寻常百姓家成为可能。在众多作坊中率先脱颖而出的，当然是大家都熟知的苹果公司，1975年，乔布斯和沃兹开始设计电脑时，270块的8080着实太贵了，不过他们凑巧在展会上买到了20块一片的6502，于是Apple I和II的CPU就基于6502。上帝通过苹果，教会了人类很多，这个叫做苹果的电脑公司，也一炮而红，销售额5年内爬到10亿美金，进入TOP500企业，引领众多“车库”电脑公司兴风作浪，这让以大型机等“贵族式”专业计算机为生的IBM 大为光火，决定正式进军微电脑行业。

1980年，蓝色巨人IBM找来两个小兄弟，Intel和微软，告诉它们有一个秘密项目“国际象棋”，需要他们参与，两个小兄弟都很激动，全力投入了进来。它们选择了准16位的CPU 8088，这样就比苹果选用的8位CPU 6502快多了。1981年，PC（personal computer）成功发布，IBM登高一呼，宣布开放PC标准，公布了硬件设计原理图和BIOS源码，从此，一个行业诞生了，一个时代开始了！Wintel驾着兼容PC的大潮，登上了IT时代的巅峰，驰骋了30年。

乔布斯虽然开启了微电脑时代，但引导大潮的却是IBM，得益的竟是Wintel，造化弄人，上帝的玩笑。

IBM PC一经推出，就大行其道，血洗行业，让众多从车库起家的微电脑公司破产，形成了行业整合效应。为与IBM PC竞争，1985年，Macintosh被设计出来，它采用了Motorola的32位 CPU 68000，拥有图形界面，包含多媒体功能。Macintosh一经发布就轰动全美，大卖特卖，迅速扭转了苹果的败局。不过，也许就像它错误的名字预示的一样，“雨衣”已经不是“苹果”了，乔布斯被赶出了苹果！

32位的68000让Intel和IBM PC感受到了压力，Intel成立了新的团队进行攻坚，1985年，386推出，但是此时IBM竟然拒绝了386！原因当然不是IBM表面上说的“我们有大量286 PC/AT机的客户订单”，IBM培育出的PC市场越来越大，这么大的肥肉为何不自己吃？为何不自己做处理器？于是PowerPC即将诞生，不过还需要再等5年。

演进的大潮并不会按照某一个公司的规划发展，IBM也不例外。康柏率先推出了386 PC，2个月后，台湾宏基也推出了386 PC。而IBM一直到1987年才推出386 PC。虽然不到一年时间，但足以让历史改变，康柏从此发力，于1994年超越IBM，登上PC王者宝座。

在进入RISC话题前，我们简单回顾一下工作站（Workstation）的历史。

上世纪70年代末开始的微电脑大潮，带动了CPU的快速发展，80年代中期，32位的68000性能已经能匹敌小型机（Minicomputer），在专业计算机和PC之间的市场间隙，很快就被有识之士们盯上了。

早期的工作站设计遵循3M原则（Mega bytes、Mega flops、Mega pixels），以及快速的网络接口、磁盘接口等，用在网络和图形领域。著名的SUN和SGI，就是专注于这个领域起家的。前面提到的DEC，50年代末靠小型机起家，从IBM大型机市场分流了一大块蛋糕，成为第二大计算机公司，不过到了80年代初，它却面临着工作站对小型机的强烈冲击，特别是当伯克利RISC和斯坦福MIPS项目开始后。

RISC风靡的时代开始了。

在集成电路发展初期，硬件资源有限，人们卯着劲地优化程序，让指令占用尽可能少的存储器，程序员天天跟汇编语言厮混，这样的背景可以帮我们更好的理解CISC架构的特点：变长指令以节省空间，尽可能多的功能指令以辅助程序员容易使用。

随着微处理器和半导体工艺的发展，存储器容量不再是苛刻要素，另外，高级语言的普遍使用，带来编译器技术的发展，IBM的Cocke发现，编译器用不到大多数复杂的寻址方式，复杂的指令也很难被编译器使用，而且有研究发现，基于68000的UNIX OS编译后，只用到了处理器30%的指令，很大一部分用来实现各种千奇百怪指令的电路都浪费了，另外，系统的频率也被复杂指令的实现电路拖慢了。RISC研究浪潮在80年代初各高校风起云涌，伯克利的RISC和斯坦福的MIPS是代表，还有现在大行其道的ARM，也是在那个时候步伯克利RISC的后尘，在英国剑桥系的Acorn公司开始萌芽的。

让我们继续回顾计算机行业，80年代的工作站风行，Apollo一度大幅领先，从1981到1987年，占领网络工作站的头把交椅，然而斯坦福系的SUN和SGI开始发力了。Apollo、SUN、SGI等的工作站开始用的CPU是68000。不过SUN和SGI技术嗅觉敏锐，很快就切到了RISC。

SUN（Stanford University Network）是斯坦福的三个毕业生1982年创建的，一上来就瞄准高端工作站市场，并成功切入，不过随着RISC大潮的兴起，SUN果断的于1987年启动SPARC的开发，SPARC继承了伯克利的RISC技术，1989年推向市场时，卓尔不群的打败了市场上所有的竞争对手。几乎在同时，SGI也从68000切换到MIPS作为其工作站的CPU，并且还觉得不过瘾，于1992年收购了MIPS公司。

MIPS公司是1982年由斯坦福教授轩尼诗创建的，作为较早商用的RISC CPU，它盛行于上世纪80年代后期和90年代，Windows都出过MIPS的版本。MIPS公司1986年推出第一颗RISC处理器R2000，并于1987年在SGI 图形工作站上应用。

SUN和SGI的加入，使工作站市场越来越红火，DEC的现金牛VAX小型机受到强烈冲击，DEC终于熬不住了，在内部争争吵吵后，推出了很多应对方案，其中的两个是采用MIPS开发工作站以及开发自己的工作站和处理器。MIPS在DEC的工作站上得到短暂使用，很快，DEC自己的Alpha21064于1992年开发完成。Alpha21064一上来就是64位的，性能出众，其设计参考了很多MIPS的技术。DEC的工作站、小型机还有后来的超级计算机都切到了自己的Alpha处理器。DEC还做了一件事，就是联合ARM，基于ARM7和Alpha的技术，开发了StrongARM。

前面提到的Acorn，于上世纪70年代末建立，它沿着苹果公司掀起的微电脑市场，在英国赢得了广泛的荣誉，相当于英国的苹果。它们的CPU也跟随苹果，选用6502。80年代初，它们也进入工作站领域，选用NS的32016，此CPU的高性能让Acorn垂涎不已，准备开发自己的微处理器，他们在考察了伯克利RISC项目后，于1983年启动了Acorn RISC Machine项目，这就是ARM的起源。1985年，VLSI生产了第一片ARM1，苹果这时准备做一款那个时代的IPAD：Newton（牛顿），他们找来找去，最后发现Acorn的处理器比较合适（功耗、成本、性能、时钟随时可以完全停止等），于是联合继续开发ARM，并且决定形成一个独立的公司。1990年，ARM公司正式独立，VLSI作为半导体代工者，首先获得了license授权，在后面的岁月里，ARM又陆续授权给了TI、三星、高通等公司，于是，ARM遂不断滋生繁衍，形成燎原之势。

IBM的PC机，于80年代中期，成为行业事实标准，几乎统一了微电脑行业，而且差点把苹果和Acorn干掉，不过IBM自己由于开放标准，反而被“山寨”厂家康柏、DELL等逼上了绝路，份额大幅下降，从绝对垄断的百分之七、八十，降低到一半以下。

IBM是RISC大潮最早的引领者，但在应用中落伍了，直到90年才推出了POWER，用在RISC system/6000上，POWER1是多芯片组成的，所以后来又启动了单芯片的POWER项目RSC。此时，PC行业的红火培育了Intel，IBM自己也垂涎这块蛋糕，于是它联合苹果，准备把这个单芯片的POWER大量推广，苹果又拉上了Motorola，作为second source，于是AIM联盟形成。AIM联盟推出的第一款芯片是PowerPC601（第一款PowerPC，RSC的规格裁剪版本，增加了部分PowerPC指令）。PC是performance computing的意思，但市场就是针对PC。后来微软也加入进来，推出了PowerPC版本的Windows NT，甚至SUN也推出了一个PowerPC版本的Solaris，不过，PowerPC除了苹果坚持使用外，并未形成气候，因为没有多少软件移植到PowerPC，软件生态圈的贫乏让PowerPC永远停留在了封闭系统里。

至此，所有主流的CPU架构，都粉墨登场了。在IT行业跌宕起伏、波澜壮阔的发展中，各种CPU也随着各个明星公司的兴衰，演绎出一卷CPU众架构的兴衰史……