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第75章 Alpha

除了以上三種非常著名的RISC處理器外,還有一種RISC處理器也不能不提到,那就是212XX系列晶片。

212XX系列全稱叫Alpha處理器,是由DEC公司設計製造。Alpha處理器計劃於80年代的中後期,它的誕生並不是為了在專業領域極強的伺服器或者超級計算機而設計的,更不是為了佔領嵌入式CPU市場,DEC開發Alpha的原因,是為了於英特爾公司在桌面電腦領域,也就是在個人電腦上一掙長短。

只要對國際半導體芯片發展史有所瞭解的人都知道,RISC處理器誕生後,如同一顆巨大而耀眼的彗星撞向了地球,RISC的誕生讓半導體界很快分成了兩派,一派就是傳統的CISC支持者,他們堅定的站在CISC一邊,擁護著CISC的一切,這裡面最典型的代表就有INTEL和AMD,以及當初的摩托羅拉。

這三家公司之所以堅定的站在CISC陣營上,是因為他們已經建立一條以CISC為基礎的商業利益。

INTEL和AMD公司都是以存儲器晶片起家的,但自日本掌握的存儲器技術後,很快就向美國發起了衝擊,國際上存儲器的價格是一降再降,很快以INTEL和AMD為首的半導體存儲器製造商很快就支撐不住了,於是紛紛開始謀求轉型,1970年,INTEL公司推出世界上第一款CISC處理器C-4004,從而開創了歷史上著名的X86構架,經過多年的發展X86構架技術已經成熟,從而形成了一系列的以CISC為核心的商業利益體系,特別是在桌面電腦上更是如此。

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RISC相比CISC在技術上雖然有更多的優勢,但這個時候的INTEL不可能把它多年建立起來的CISC體系給推翻,然後加入到RISC當中來。

但DEC公司則不同,六七十年代DEC公司一直是IBM最強勁的競爭對手,其推出的中型機一直在中小企業中佔有壟斷地位。

可PC的誕生,則終結了DEC公司的神話,大量的PC微機湧入市場,佔據了原本屬於DEC的市場,更何況PC相比DEC的中型機來說,它的價格更加便宜,更何況PC還是個全開放的電腦,大量的第三方兼容機的湧入,使得DEC的市場極度萎縮。

面對種種不利的局面,DEC公司開始反思自己未來的路,經過詳細的調查,他們發現在未來,個人電腦計算機前途無量,DEC想要存活下去,就必須加入個人計算機的發展潮流中。

可要加入個人計算機潮流,DEC將不得不面對一個現實問題,那就是如果加入PC陣營,那就是DEC向IBM認輸,在情感上會讓DEC難以接受,更何況PC陣營中有許多的兼容機廠商,這些兼容機廠商沒有任何的技術基礎,他們的生存法則是,從市場買來各個電子元器件,再把他們組裝在一起,然後就買給了客戶。

如果DEC加入他們,豈不是說DEC跟這些不入流的兼容機廠商是一個水準,這讓DEC這樣的技術貴族更是無法接受。

於是DEC決定另起爐灶,重新制定一個個人計算機標準,這個時候市面上鬧的紅火的RISC進入了DEC的法眼,於是DEC決定開發一款精簡指令集技術的個人計算機——alpha處理器就是在這樣的歷史背景下誕生。

Alpha架構於1992年2月25日,DEC公司在東京召開的一次會議上面被正式推介,新處理器採用完全64-bitRISC設計,執行固定長度指令(32bits)。

有32個64bit整數暫存器,操作43-bit的虛擬地址(在後來能夠擴充到64-bit)。和VAX相同,使用little-endian位元組順序,即低字節的暫存器佔用低內存地址線。

而不像如摩托羅拉等大多數處理器所使用的big-endian位元組順序,即低字節暫存器佔用高內存地址線。除此之外,處理器還內建一個算術協處理器,有32個浮點64-bit暫存器,採用隨機存取,而不是在intelx86協處理器上使用的堆疊存取方式。整個Alpha的生命週期被設計為至少25年。

Alpha雖然是一款RISC處理器,但它主要是作為桌面電腦的CPU,因此Alpha上面擁有明顯的桌面CPU特徵,Alpha保持了可以執行多種作業系統的特點,其中包括Tru64UNIX、OpenVMS和Linux等,而在這些系統中,已經有許多成熟的應用程序,這也是Alpha處理器相比X86的一個優勢。

對於追求效能的使用者,DEC公司的Alpha處理器對骨灰級玩家來說也是一款非常具有誘惑力的CPU,因為Alpha是RISC處理器中執行速度最快的一種,而且是唯一得到了WindowsNT繼續支援的RISC處理器,而與此同時微軟且在1995年中斷了對MIPS和PowerPC的支援。

除了上述這些優點外,Alpha也是世界上第一款支援多媒體協議的CPU,比英特爾的多媒體處理器奔騰早於三年問世。

雖然Alpha有如此多的優點,但也掩不住它在商業上的失敗,Alpha誕生的太晚了,90年代圍繞在CISC為中心的各種應用軟件多得是數不勝數,剛剛誕生的Alpha處理器面臨PC市場的最大挑戰就是缺乏足夠多的應用軟件。

雖然後來Digital雖然盡力吸引軟體開發人員而且有一個很驚人的應用列表,但這些應用主要是面向工程師和創作人員的,而不是面向主流的PC個人應用領域,這就為Alpha在個人電腦市場上推廣更是難上加難。

另外在價格上Alpha相比X86也不具備任何的優勢,Alpha的生產成本很高,單顆CPU的價格高達495美元(500MHz的型號),而533MHz的21164售價更是高達1450美元。與之相比,INTEL的233MHz的PentiumII處理器且只需要386美元。

在追求高性價比的個人電腦使用者來說,使用者最終會選擇誰,是不言而喻的事情。

從這裡就可以看出,在效能和成本之間,DEC公司沒有做好兩者間的平衡,Alpha太過於追求高性能,從而忽視了普通用戶的經濟承受能力,這也是Alpha最終失敗的根本原因之一。

雖然Alpha失敗了,但作為當初桌面CPU的絕對王者,Alpha卻深深的影響了後來CPU的設計潮流,比如說Alpha是世界第一款支援多媒體協議的處理器,後來的INTEL公司釋出的Pentium、賽揚以及後來的酷睿系列,都加入了支援多媒體的技術協議,甚至就連ARM、MIPS和SPARC都支援多媒體協議技術,如果哪款處理器不對多媒體協議進行支援,那麼這款處理器在市場上就根本賣不出去。

Alpha也是第一款符合80/20法則的CPU,所謂的80/20法則(二八法則)是由義大利經濟家帕累託提出的,也就是大家所熟悉的帕累託定律。

即,80%的結果,來自20%的原因;20%的努力,常產生80%的結果,或者是80%的財富且被20%的人所掌握。

而這一法則在CPU當中同樣適用,眾所周知,微處理器的基本邏輯是執行指令的電路,計算機的任何一個程式都是由或多或少的基本指令組成,而指令本身又是由若干個微操作構成,例如對兩個二進制數進行加減運算,或者將結果送進暫存器中等等。

這些基本指令被稱為微處理器的微程式碼,指令數量越多、完成微操作所需的邏輯電路就越多,晶片的結構就越複雜。

CISC的英文全稱是ComplexInstructionSetComputer,意為“複雜指令系統計算機”。它的特點是指令數量龐大臃腫,每個指令不管執行頻度高低都處於同一個優先順序,程式設計師的程式設計工作相對容易。但它的致命弊端是執行效率低下,處理器的電晶體被大量低效的指令所佔據,資源利用率頗為低下。

早在上個世紀60年代,計算機科學家就發現,計算機中80%的任務只是動用了大約20%的指令,而剩下20%的任務才有機會使用到其他80%的指令。

RISC處理器就是在這樣的背景下誕生的,由於指令高度簡約,RISC處理器的電晶體規模普遍都很小而效能強大,深受超級計算機廠商所青睞。

它的應用範圍也遠比X86來得廣泛,大到各種超級計算機、工作站、高階伺服器,小到各類嵌入式裝置、家用遊戲機、消費電子產品、工業控制計算機,都可以看到RISC的身影。只不過這些領域同普通消費者較為脫離,故而少為人知。

無論在執行效率、晶片功耗還是製造成本上,選擇RISC都比沿用X86更加英明。

我們不妨作一番實際的比較:以Intel公司的Pentium4XE為標準,,它的電晶體總數在1億7800萬個以上,最高功耗達到130W,但它的運算能力不超過20GigaFlops(FLoatingpointOperationsperSecond,每秒浮點運算)。

而與他同期推出的RISC處理器是IBM推出的Cell,它的電晶體總數為2.34億個,在採用90奈米工藝製造時晶片面積為221平方毫米,但它的運算力高達2560GigaFlops,整整是Pentium4XE的128倍。

Inte在在年中推出雙核心的Smithfield,效能最多能有80%的提升,而晶片規模將達到與Cell相同的水平。由此可見,二者完全不是一個層面上的對手,X86指令系統的低效性在這裡一覽無遺。

PC鍾情於X86的原因在於軟體相容,尤其是微軟只為X86PC開發Windows系統,這也被認為是PC採用RISC架構的最大障礙。

而Alpha且打破了這個常規,它的理論基礎也是著名的80/20法則,與傳統的RISC和CISC不同,Alpha另闢蹊徑,提出了一個全新的發展思路,將20%的常用指令定義為“熱程式碼(HotCode)”,剩餘的80%指令使用頻率沒那麼高,被定義為“冷程式碼(ColdCode)”。

對應的CPU也在邏輯上被劃分為兩個部分:一是熱核(HotSpot),只針對呼叫到熱程式碼的程式;另一部分則是冷核(ColdSpot),負責執行20%的次常用任務。

由於熱核部分要執行80%的任務,設計者便可以將它設計得較為強大,佔據更多的電晶體資源。而冷核部分任務相對簡單,沒有必要在它身上花費同樣的功夫。

而這也就是CPU歷史上赫赫有名的雙核的慨念,我們現在所使用的雙核和多核處理器,就是由Alpha最早提出來的。

事實上,X86處理器一直都從RISC產品中獲取靈感,包括EV6匯流排、整合記憶體控制器、超線程技術、雙核心等等新技術新概念都是首先在RISC產品中得到成功應用,之後才被Intel/AMD引入到X86處理器當中。實踐證明,這種做法往往對X86處理器的效能提升有著決定性的影響,而從RISC汲取營養也就成為X86業界的習慣做法。

Alpha創造了一種嶄新的雙核概念,過去我們談論的雙核心指的是在一枚晶片內整合兩個對等的CPU核心,透過並行運算獲得效能增益,我們可以將它看作是橫向維度的對等設計。

而Alpha則是一種縱向維度的雙核理念,熱核與冷核地位並不對等,且無法獨立運作,只能說是一個CPU核心中的兩部分分立邏輯。它所起到的是提高CPU的硬件資源利用率,以高執行效率達到高效能的目的,這種做法顯然比目前業界鼓吹的“雙核心”更具革命意義。

後來INTEL的酷睿系列基本上沿襲了Alpha的設計思路,由此可見,Alpha對後來的CPU發展帶來了多麼廣泛的影響。