姓名：呂烜威? ? ?學(xué)號(hào)：20021210973? ? ?學(xué)院：電子工程學(xué)院

轉(zhuǎn)載自：處理器簡(jiǎn)史：半導(dǎo)體巔峰，縱橫四十年--(2) X86發(fā)展史?

【嵌牛導(dǎo)讀】CPU，是IT行業(yè)的制高點(diǎn)，既是各大IT公司角力的主戰(zhàn)場(chǎng)，背后還是各國(guó)政府科技競(jìng)賽的競(jìng)技場(chǎng)，40年江湖，你方唱罷我登場(chǎng)，好不熱鬧。在進(jìn)入CPU時(shí)代前的史前時(shí)代,?是計(jì)算機(jī)從發(fā)明到大發(fā)展的計(jì)算機(jī)時(shí)代,?包含機(jī)械計(jì)算機(jī)、電動(dòng)計(jì)算機(jī)、電子管計(jì)算機(jī)、晶體管計(jì)算機(jī)、集成電路計(jì)算機(jī)等幾個(gè)次世代,?這是一個(gè)屬于IBM的光輝時(shí)代,?也標(biāo)志著人類進(jìn)入電腦逐步解放人腦的智能時(shí)代。

【嵌牛鼻子】處理器? ARM? 計(jì)算機(jī) X86

【嵌牛提問(wèn)】X86是如何崛起的

【嵌牛正文】X86的發(fā)展

1978年6月8號(hào)，Intel發(fā)布了其第一款16位的微處理器--8086，還有一句著名的廣告語(yǔ)“開(kāi)啟了一個(gè)時(shí)代”。

有點(diǎn)夸大其詞？那是，不過(guò)也的確說(shuō)的比較準(zhǔn)。當(dāng)8086的光環(huán)退去之后，其支撐架構(gòu)--后來(lái)我們所熟知的x86也成為了最成功的業(yè)界技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

“X86”是Intel和其他幾家公司處理器所支持的一組機(jī)器指令集，它大致確定了芯片的使用規(guī)范。從8086到80186、80286、80386、80486，再到后來(lái)的奔騰系列以及現(xiàn)在的多核技術(shù)，都是使用一脈相承的x86指令集，既不斷擴(kuò)展又向后兼容。

在8086之后的30年間，x86家族橫跨了桌面、服務(wù)器、便攜式電腦，超級(jí)計(jì)算機(jī)等等。無(wú)數(shù)對(duì)手?jǐn)〉乖诹似淠_下，甚至是一些看似已成定局的領(lǐng)域。例如近年來(lái)被x86所吞掉的蘋(píng)果電腦，原來(lái)一直使用的是PowerPC。

那么Intel的架構(gòu)是怎么統(tǒng)治了電腦世界這么多年？讓我們一起來(lái)看看。

Intel 8086的產(chǎn)生

在1971年，Intel為一家日本計(jì)算器廠制造了Intel歷史上的第一塊處理器——4位的4004。很快，在1975年，Intel又推出了8位的處理器8008和8080。8080處理器為Altair8800 PC所采用。順便說(shuō)一句，Altair8800 PC是一臺(tái)郵件訂單處理計(jì)算機(jī)。比爾·蓋茨和保羅·艾倫建立微軟公司的時(shí)候，就曾把Basic賣給Altair8800 PC。

3年以后，16位的8086初次登場(chǎng)。在80年代初，IBM公司選擇了8086的衍生產(chǎn)品8088作為IBM PC的處理器。IBM的這一行為給X86帶來(lái)了巨大發(fā)展，并且?guī)椭蔀榱诵袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)——一直到今天。

Intel執(zhí)行副總裁Patrick Gelsinger說(shuō)：“PC行業(yè)發(fā)展的革命性轉(zhuǎn)折點(diǎn)是1985年32位處理器80386的推出，它推動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。當(dāng)時(shí)，X86需要從早期的16位尋址空間進(jìn)行升級(jí)。”人們問(wèn)我們：“32位是什么？”我們說(shuō)：“它是給微型計(jì)算機(jī)和中型計(jì)算機(jī)用的。”那時(shí)人們總會(huì)嘲笑們說(shuō)這太浪費(fèi)了，這些是沒(méi)必要的事情。

當(dāng)時(shí)IBM拋棄了386，因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒(méi)有32位的軟件發(fā)揮出它的性能。IBM自己也開(kāi)發(fā)了16位的操作系統(tǒng)叫做OS/2。

當(dāng)時(shí)擔(dān)任386設(shè)計(jì)小組成員的Patrick Gelsinger說(shuō)：“IBM當(dāng)時(shí)擁有自己的整個(gè)架構(gòu)。它們有它們自己的應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)和硬件設(shè)計(jì)。當(dāng)IBM開(kāi)發(fā)下一代產(chǎn)品時(shí)，他們將是唯一能夠給提供全套解決方案的，只是并不能保證下一代過(guò)渡的兼容性?！?/p>

“當(dāng)386到來(lái)時(shí)候，所以的一切變了，”Gelsinger說(shuō)，：“我們從一個(gè)垂直的行業(yè)到一個(gè)水平的行業(yè)，而且我們真的打開(kāi)了新世界之門?！?/p>

386之后，1989年486誕生了。由于當(dāng)時(shí)數(shù)字不能作為商標(biāo)，Intel從1993年開(kāi)始改變了產(chǎn)品命名方法。第五代處理器被命名為Pentium而不是586。數(shù)字命名產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)镻entium命名（比如Pentium Pro, Pentium II and Pentium D）。從那時(shí)開(kāi)始，Intel在X86體系中，增加了低端的賽揚(yáng)系列和高端的雙核系列產(chǎn)品。

所有的基于X86架構(gòu)的芯片，開(kāi)始于8086，一直延續(xù)到今天。當(dāng)然他們的命名發(fā)生了變化，運(yùn)算速度也有了驚人的提升。

成功的秘方

為什么X86能一直成功，擊退甚至完全打敗其他的處理器架構(gòu)？從一開(kāi)始來(lái)說(shuō)，X86的誕生就是在一個(gè)很恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間點(diǎn)。1978年的時(shí)候，計(jì)算從巨大、昂貴的中型計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)樾⌒?、便宜的微型?jì)算機(jī)已經(jīng)有幾年了。臺(tái)式電腦成為變革的前沿。

更重要的是，X86證明了戈登·摩爾在1965年提出的一個(gè)定律。戈登.摩爾在后來(lái)成為Intel的主席和CEO。摩爾說(shuō)，在成本不變的前提下，微處理每過(guò)2年其運(yùn)算速度會(huì)翻一番。他的預(yù)言，后來(lái)被成為摩爾定律，被證實(shí)是正確的。X86的發(fā)展道路越走越寬。X86處理器也從數(shù)據(jù)處理中心走向辦公室和千家萬(wàn)戶。

并且8086以及它的后續(xù)產(chǎn)品一直與電腦行業(yè)兩個(gè)大名鼎鼎的名字緊緊聯(lián)系在一起。在1972年，比爾·蓋茨和保羅·艾倫就嘗試用性能很弱的8008開(kāi)發(fā)Basic編程語(yǔ)言，雖然后來(lái)失敗了。但是他們最終在性能強(qiáng)勁一些的8080處理器上開(kāi)發(fā)出了Basic語(yǔ)言，并在1975年把Basic語(yǔ)言應(yīng)用到Altair8800 PC。

這成為Intel和微軟親密關(guān)系的開(kāi)始。微軟從那開(kāi)始，創(chuàng)造了一個(gè)巨大的軟件帝國(guó)，并推動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。在X86架構(gòu)成功的過(guò)程中，可能沒(méi)有比RISC 處理器的影響更巨大的了。

RISC的威脅

在20世紀(jì)80年代晚期和90年代早期，X86的一個(gè)巨大威脅產(chǎn)生了——RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))。采用RISC架構(gòu)的處理器有Sun Sparc、IBM/蘋(píng)果/摩托羅拉的PowerPC，以及MIPS處理器。RISC架構(gòu)的核心思想是：處理器的指令集如果十分簡(jiǎn)單，一個(gè)時(shí)鐘周期運(yùn)行一個(gè)指令，那么處理器的速度會(huì)十分快。RISC的核心思想有別于以X86為代表的CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))，CISC的核心思想是采用復(fù)雜的多時(shí)鐘周期指令。

計(jì)算機(jī)專家們和Intel的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手們?cè)?jīng)預(yù)言CISC會(huì)最終消亡。“那確實(shí)是一個(gè)十分艱難的時(shí)期”，Gelsinger承認(rèn)。確實(shí)，Intel很快開(kāi)始開(kāi)發(fā)自己的RISC工作站處理器i860。但是860或者其他RISC處理器最終都沒(méi)能改變X86的地位。

根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)了80486開(kāi)發(fā)的Gelsinger的說(shuō)法，原因是這樣的：在486發(fā)布以前（1989年4月10日），已經(jīng)有價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的軟件打算在486平臺(tái)上運(yùn)行。雖然和RISC相比，x86(CISC)架構(gòu)是有一點(diǎn)慢，但是當(dāng)你花時(shí)間開(kāi)發(fā)出適合RISC的軟件的時(shí)候，我們已經(jīng)開(kāi)始出更快的x86處理器。我們有巨大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槲覀円呀?jīng)有了一個(gè)良好的基礎(chǔ)，并且我們有龐大的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)。RISC電腦不可能趕上我們。

具有諷刺意味的是，比80486和Pentium處理器性能更強(qiáng)的RISC處理器電腦由于缺少軟件，最終消亡了，包括Intel自己的i860處理器和其他的RISC處理器。打算推出RISC架構(gòu)是一個(gè)錯(cuò)誤，Intel后來(lái)承認(rèn)。

RISC發(fā)明人之一，加州大學(xué)伯克利分校的計(jì)算機(jī)教授David Patterson說(shuō)：“但是RISC激發(fā)了許多創(chuàng)新”。例如，電子設(shè)備集團(tuán)的VAX架構(gòu)能夠也是隨著RISC發(fā)展起來(lái)的，雖然最后也消亡了。但是Intel能夠吸收RISC的各種優(yōu)秀想法，依靠他們雄厚的軟件基礎(chǔ)，改進(jìn)舊有的架構(gòu)。同時(shí)，Intel的成功的另外一個(gè)原因是它的先進(jìn)的制造技術(shù)。

浮點(diǎn)錯(cuò)誤的災(zāi)難

像RISC一樣讓人痛徹心脾的危機(jī)，發(fā)生于1994年夏天的夏天，當(dāng)時(shí)Intel的測(cè)試工程師發(fā)現(xiàn)了在新Pentium處理器的浮點(diǎn)電路中存在微小的錯(cuò)誤。錯(cuò)誤發(fā)生的幾率很低，所以對(duì)于這些錯(cuò)誤的影響，Intel僅僅對(duì)芯片修正后就重新進(jìn)行生產(chǎn)，并且沒(méi)有召回有瑕疵的芯片。

但是幾個(gè)月后，弗吉尼亞州林奇堡學(xué)院的一位數(shù)學(xué)教授，就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)缺陷。他無(wú)法找到Intel的任何人聽(tīng)他申訴，因?yàn)镮ntel當(dāng)時(shí)并不承認(rèn)。所以他把他的發(fā)現(xiàn)公布在互聯(lián)網(wǎng)上。沒(méi)過(guò)多久，Intel就陷入了輿論風(fēng)暴之中，并導(dǎo)致了巨大的公共關(guān)系危機(jī)，最終花費(fèi)了4億7500萬(wàn)美元召回這批芯片。

“這是一次痛苦的經(jīng)歷，但是我們最終學(xué)會(huì)從消費(fèi)者的角度出發(fā)”， 前Intel資深副總裁Albert Yu在他的著作《創(chuàng)造數(shù)字未來(lái)》中回憶說(shuō)。

兼容并包

另外一個(gè)x86歷史上的標(biāo)志性的事件發(fā)生在1995年?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)教授、Intel問(wèn)題研究專家Todd Mowry這樣說(shuō)。當(dāng)時(shí)Intel推出了革命性的Pentium Pro微處理器，能夠預(yù)先考慮一串指令，并猜測(cè)那些需要不按照規(guī)則處理的指令。Pentium Pro還擁有一個(gè)全新的高速緩存，這一切保證了處理器能夠獲得大部分時(shí)間，并且在一些應(yīng)用程序中表現(xiàn)出色。

“事情完全出乎意料”，Mowry說(shuō)，“他們使用了RISC的優(yōu)點(diǎn)，但并沒(méi)有改變指令集。他們把X86指令翻譯成更像RISC指令的微操作。所以你擁有的是x86電腦中的RISC電腦。并且這樣的做法彌補(bǔ)了X86原有的性能差距。

Mowry說(shuō)Pentium Pro源于一個(gè)自上而下的設(shè)計(jì)處理?！八麄兿却蛩阍O(shè)計(jì)出一款高性能的電腦，再計(jì)算出怎樣使得X86滿足設(shè)計(jì)要求”，他說(shuō)。

尋找非x86架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，這是x86取得進(jìn)步的方法。Gelsinger說(shuō)：“Pentium是一個(gè)巨大的架構(gòu)進(jìn)步，我們從微型機(jī)和中型機(jī)中尋找優(yōu)秀的想法，并且把這些想法在實(shí)踐中做得更好，因?yàn)槲覀冇幸粋€(gè)巨大畫(huà)布讓這些美麗的想法盡情揮灑——這個(gè)畫(huà)布的名字叫做硅?！?/p>

“中型機(jī)是把要處理的不同部分在機(jī)柜中的一個(gè)很廣闊的空間內(nèi)傳遞。與中型機(jī)不同，微處理器設(shè)計(jì)者們則把所有的信息單元放在在單獨(dú)的、微小的、緊密集成的芯片上，這樣設(shè)計(jì)會(huì)更加有彈性，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更出色?！彼f(shuō)。確實(shí)，這些年來(lái)，當(dāng)由多種配件組成的電腦系統(tǒng)發(fā)展并不很快時(shí)，硅芯片取得了與摩爾定律所預(yù)測(cè)完全一致的驚人發(fā)展速度。

競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈

Intel并沒(méi)能夠有避免競(jìng)爭(zhēng)，哪怕是在自家的x86架構(gòu)領(lǐng)域。例如，1987年創(chuàng)建于硅谷的臺(tái)灣威盛公司采用了x86的技術(shù)，銷售主板芯片組。威盛目前生產(chǎn)很廣的一系列產(chǎn)品，并且打算生產(chǎn)自己的x86架構(gòu)低能耗移動(dòng)處理器。

AMD公司，世界第二大芯片制造商，自從2000年以來(lái)，它已經(jīng)成為了Intel的強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。在整個(gè)20世紀(jì)80年代和90年代，AMD已經(jīng)成為一個(gè)x86芯片的模仿者，并且?guī)缀鯇?duì)Intel產(chǎn)生重大影響。

但是AMD出人意料的在2000年推出了64位的基于x86擴(kuò)展指令集的處理器，并取得了良好的技術(shù)聲譽(yù)和市場(chǎng)效果。作為一個(gè)擴(kuò)展集，它意味著新的x86架構(gòu)的64位處理器能夠運(yùn)行舊的32位軟件。

在那時(shí)，Intel的64位產(chǎn)品是安騰，由于Intel和HP開(kāi)發(fā)，主要用于超標(biāo)量執(zhí)行。該處理器在一個(gè)大鐵箱中，并且它不與x86架構(gòu)的32位軟件兼容。Intel面對(duì)AMD的威脅，在2004年，推出了自己的64位x86指令擴(kuò)展集，EM64T。事實(shí)表明，AMD已經(jīng)在最重要的64位產(chǎn)品市場(chǎng)打敗了Intel。

“這是一個(gè)用x86指令集的靈活性對(duì)抗Intel的例子”，Patterson說(shuō)，“所以盡管Intel統(tǒng)治著這個(gè)市場(chǎng)，其他公司也能夠改變x86的發(fā)展方向?！?/p>

戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變

即使沒(méi)有與應(yīng)用有關(guān)的改進(jìn)，性能上的改進(jìn)也足以使x86獲得令人驚奇的成就。1978年，8086處理器問(wèn)世的時(shí)候，它的工作頻率只有5MHz，芯片內(nèi)的晶體管數(shù)量為2.9萬(wàn)多個(gè)。 如今的四核英特爾臺(tái)式電腦處理器的工作頻率已經(jīng)達(dá)到3GHz，速度是8086的300多倍，芯片內(nèi)的晶體管數(shù)量也增加到了8.2億多個(gè)，是原來(lái)的2.8萬(wàn)倍。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授、英特爾研究顧問(wèn)Todd Mowry說(shuō)：“在不斷減小晶體管尺寸和其他技術(shù)改進(jìn)的過(guò)程中，英特爾也遇到不少巨大的技術(shù)難題，英特爾對(duì)此進(jìn)行了大量投資?！庇⑻貭枌⑵渲幸粋€(gè)問(wèn)題稱作是右拐彎。隨著電路尺寸的縮小，散熱問(wèn)題變得越來(lái)越難解決，只能通過(guò)增加芯片上的處理器核心數(shù)量來(lái)提升性能，而不能無(wú)限制地加快處理器時(shí)鐘速度。

Mowry說(shuō)，隨后對(duì)提升性能的研究也就從硬件轉(zhuǎn)移到了軟件上。他說(shuō)：“在研究社區(qū)，問(wèn)題的重點(diǎn)不是我們?nèi)绾伍_(kāi)發(fā)出更好的處理器核心，而是如何將許多核心集成到一個(gè)芯片上?！?/p>

目前最有希望取得成功的解決方案是利用軟件交互內(nèi)存的技術(shù)將多核心芯片并聯(lián)起來(lái)，那樣就可以在不損害共享數(shù)據(jù)的情況下保留并行線程，而且也不用鎖定或限制對(duì)那些數(shù)據(jù)的訪問(wèn)。這是一種算法解決方案，屬于軟件范疇，但是對(duì)這種技術(shù)的支持可以被內(nèi)建到x86硬件中去。

Mowry說(shuō)，不斷在處理器芯片上增加更多核心，這種解決方案的唯一限制是軟件開(kāi)發(fā)商利用那些核心的能力。最大的障礙就是思路的轉(zhuǎn)變，從串行思路轉(zhuǎn)向并行思路。

Rattner預(yù)計(jì)，在未來(lái)五到七年內(nèi)，每片芯片中的處理器核心數(shù)量將達(dá)到數(shù)百個(gè)。由于每個(gè)核心都擁有多條線程，因此芯片支持的并行線程的數(shù)量可能會(huì)超過(guò)1000個(gè)。 但是他也承認(rèn)，現(xiàn)在這個(gè)世界上還沒(méi)有多少人知道如何利用好1000條線程。

挑戰(zhàn)極限

但是這并不是說(shuō)隨著硅晶體管數(shù)量的增加，x86指令集就不會(huì)以全新的方式得到應(yīng)用。40多年來(lái)，晶體管一直被置于硅片表面的下方?，F(xiàn)在出現(xiàn)了一種新技術(shù)，可以將它們安裝在硅片表面的上方。

那樣就有可能用硅之外的其他材料來(lái)生產(chǎn)晶體管了，比如像砷化鎵那樣的材料擁有更好的能量和性能特性。Rattner說(shuō)：“在一二代產(chǎn)品（大約二到四年）內(nèi)，我們還不能開(kāi)發(fā)出晶體管位于硅片表面上的處理器產(chǎn)品，但是處理器生產(chǎn)材料必定會(huì)在未來(lái)十年發(fā)生許多創(chuàng)新。”

威盛電子的Centaur研究中心總裁Glenn Henry說(shuō)：“在低端方面，x86體系架構(gòu)的發(fā)展空間是有限的，它就像是烤箱或者汽車?yán)锏娜剂蠂娚淦饕粯?。如果你想開(kāi)發(fā)出原子彈那樣的高端產(chǎn)品，可能也存在一個(gè)限制。在這兩者之間，x86體系架構(gòu)已經(jīng)多次證明它是可以適應(yīng)的?！?/p>

雖然英特爾正在開(kāi)發(fā)基于全新晶體管的電子學(xué)，但是Rattner指出，英特爾最多只能在芯片中增加更多的核心。比如為量子和DNA計(jì)算服務(wù)開(kāi)發(fā)的處理器。他解釋說(shuō)：“那確實(shí)改變了計(jì)算服務(wù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，而且風(fēng)險(xiǎn)也很大。 同時(shí)它們可能只能應(yīng)用于非常窄的應(yīng)用領(lǐng)域，不能用于通用計(jì)算服務(wù)?！?/p>

Mowry預(yù)計(jì)，要想實(shí)現(xiàn)那些新技術(shù)，至少還要20年的時(shí)間。他說(shuō)：“我預(yù)計(jì)只有當(dāng)我們真的開(kāi)始達(dá)到傳統(tǒng)技術(shù)的頂峰時(shí)，人們才會(huì)去認(rèn)真對(duì)待那些新技術(shù)。”

所以，x86能夠再生存并繁榮30年么？在競(jìng)爭(zhēng)的格局中，將有許多力量從根本上改變微處理器的設(shè)計(jì)，甚至就會(huì)發(fā)生就在近期發(fā)生。但是幾乎沒(méi)有人預(yù)測(cè)令人尊敬的x86架構(gòu)會(huì)消亡?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)的Mowry說(shuō)道：“我們恐怕很難看到其他的指令集取代x86，因?yàn)橛刑嗟挠袃r(jià)值的軟件運(yùn)行在x86架構(gòu)上。”