RISC，諸神亂斗的時(shí)代！

編者按

現(xiàn)在，RISC–V的崛起，并有望與Arm和英特爾三分天下。但其實(shí)在幾十年前，處理器架構(gòu)曾經(jīng)有過一個(gè)諸神亂斗的年代。而這一切，可以從上世紀(jì)七十年代的IBM System/360說起。

以下為文章正文：

20 世紀(jì) 70 年代初，IBM 的大型機(jī)主導(dǎo)了功能更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)市場(chǎng)。IBM 在 System/360 的開發(fā)上投資了 50 億美元（是當(dāng)時(shí)年?duì)I業(yè)額的兩倍多）。1970 年，公司推出了高度兼容的后繼系統(tǒng)System/370。

S/370 有大量指令，而且通常很復(fù)雜。某些指令（例如“移動(dòng)字符”指令）將從內(nèi)存的一部分讀取多項(xiàng)數(shù)據(jù)，以某種方式對(duì)其進(jìn)行操作，然后將該數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存的另一部分。

這種復(fù)雜性是由于需要避免緩慢的內(nèi)存訪問（以獲取指令）減慢程序執(zhí)行速度。指定大量活動(dòng)的單個(gè)指令將節(jié)省獲取多個(gè)指令所需的工作。

客戶可以從一系列具有不同價(jià)格和性能特征的 S/360 或 S/370 系統(tǒng)中進(jìn)行選擇。更便宜的機(jī)器之所以成為可能，部分原因是更廣泛地使用“微代碼”，其中指令被分解為更小的“微指令”。解碼和執(zhí)行這些微指令需要時(shí)間，因此減慢了程序的執(zhí)行速度。典型的 S/370 指令可能使用 20 或 30 條微指令來執(zhí)行。更昂貴的機(jī)器將更多的指令集“硬編碼”到電路中，因此速度更快。

這種方法對(duì) IBM 的業(yè)務(wù)非常有效。預(yù)算較低的客戶可以購買更便宜的機(jī)器，并且始終可以選擇升級(jí)到更昂貴但仍然兼容的機(jī)器。

1971 年，愛立信電話公司與 IBM 接洽，提議成立一家合資企業(yè)，建立電話系統(tǒng)，與 IBM 的強(qiáng)大技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 AT&T 競(jìng)爭(zhēng)。

IBM 的工程師意識(shí)到像 S/370 這樣的架構(gòu)不太適合電話技術(shù)。微編碼系統(tǒng)的性能不夠好，并且“硬連線”機(jī)器的成本太大。

因此，IBM 的工程師開始尋找更適合電話系統(tǒng)的替代方案。經(jīng)過三個(gè)月的緊張工作，兩家公司的團(tuán)隊(duì)在倫敦克拉里奇酒店會(huì)面。在一次深夜會(huì)議上，IBM 團(tuán)隊(duì)提出了他們的想法。獲得了繼續(xù)進(jìn)行的許可。但第二天早上，愛立信又改變了想法。如果 IBM 的想法奏效，愛立信的核心業(yè)務(wù)就會(huì)遇到麻煩。合資企業(yè)關(guān)閉了。

但 IBM 需要愛立信嗎？該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為 IBM 可以單槍匹馬地對(duì)抗 AT&T。于是，電話系統(tǒng)的開發(fā)工作就開始了。

但是，該項(xiàng)目的結(jié)果再次被 IBM 高級(jí)管理層拒絕。

801項(xiàng)目開始

但隨著這些想法如此先進(jìn)，IBM 的工程師也相信其帶來的好處，IBM 研究中心啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，將這些想法變成現(xiàn)實(shí)。

在約克鎮(zhèn) Thomas J. Watson 研究中心的 801 大樓內(nèi)，一個(gè)由大約 20 名工程師組成的團(tuán)隊(duì)（最初由 Joel Birnbaum 管理）開始致力于將想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。該機(jī)器以前被稱為“電話機(jī)”，但這開始顯得不合適，因此團(tuán)隊(duì)決定以他們工作的建筑物的名稱命名。

該小組的領(lǐng)軍人物是 IBM 院士 John Cocke?？瓶耸且幻r戰(zhàn)爭(zhēng)老兵，在開發(fā)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。他深入?yún)⑴c了 IBM Stretch（S/360 之前的大型機(jī)系列）的開發(fā)。他也是編譯器方面的專家，并撰寫了一本有關(guān)編譯器構(gòu)造的開創(chuàng)性教科書。

Cocke 參與早期項(xiàng)目以及他對(duì) S/360 開發(fā)項(xiàng)目的觀察已經(jīng)開始在他的腦海中播下對(duì) S/360 設(shè)計(jì)方法的懷疑種子。該項(xiàng)目的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)明顯優(yōu)于 IBM 平淡無奇的 System/3 小型機(jī)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)正在與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 Digital Equipment Corporation 商業(yè)上成功的 VAX 系列作斗爭(zhēng)。

該團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢(shì)在于擁有 S/360 上程序執(zhí)行模式的大量詳細(xì)信息（稱為“指令跟蹤”：Instruction Traces）。這顯示了哪些指令最常被執(zhí)行，并且這些指令中的很大一部分實(shí)際上非常簡(jiǎn)單。

引用團(tuán)隊(duì)成員之一的話：令人驚訝的是……加載、存儲(chǔ)、分支和一些簡(jiǎn)單的寄存器操作完全主導(dǎo)了指令組合。

此外，對(duì)更復(fù)雜的指令（例如“移動(dòng)字符”）的分析表明，對(duì)于該指令的典型使用實(shí)例，所操作的數(shù)據(jù)量非常小，因此使用少量的簡(jiǎn)單指令會(huì)更快。

有了 S/360 上的這些數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)就能夠開始設(shè)計(jì)新系統(tǒng)。

構(gòu)建 RISC 理念

為了使他們的新設(shè)計(jì)工作需要許多功能，這些功能很快就會(huì)成為 RISC 理念的一部分。并非所有這些想法都是新的，但這是第一次將它們結(jié)合在一起。

借鑒 Control Data 6600（Seymour Cray 設(shè)計(jì)的第一臺(tái)“超級(jí)計(jì)算機(jī)”）的想法，新機(jī)器將具有“加載-存儲(chǔ)”（load-store）架構(gòu)，其中簡(jiǎn)單的“加載”或“存儲(chǔ)”指令將是訪問或更改存儲(chǔ)的唯一方式。S/360 的“內(nèi)存到內(nèi)存”指令已經(jīng)不復(fù)存在。

這反過來又幫助機(jī)器實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單的流水線形式，其中一條指令可以在從內(nèi)存加載下一條指令的同時(shí)執(zhí)行。

然后引入了與數(shù)據(jù)緩存不同的指令緩存，這有助于消除其他系統(tǒng)中由于訪問內(nèi)存以讀取指令時(shí)的延遲而產(chǎn)生的損失。該團(tuán)隊(duì)推斷，如果 S/360 能夠快速訪問保存微代碼的內(nèi)存，那么他們就可以通過指令緩存提供對(duì) 801 指令的快速訪問。

但 801 的開發(fā)不僅僅涉及硬件。801 的成功取決于編譯器能否避免大多數(shù)匯編語言編程并優(yōu)化生成的代碼以充分利用新硬件。

因此該團(tuán)隊(duì)還為一種名為 PL 0.8 的新語言構(gòu)建了一個(gè)編譯器。PL 之所以選擇這個(gè)名稱，是因?yàn)樗畛跏?IBM PL/1 語言的一個(gè)大子集，PL/1 被認(rèn)為對(duì)于重新實(shí)現(xiàn)這樣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來說過于“豐富”。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，小數(shù)點(diǎn)被刪除，它被稱為 PL/8。

充分利用 801 硬件的關(guān)鍵是有效利用機(jī)器的寄存器。寄存器分配使用了一種稱為“圖形著色”的方法。

801 架構(gòu)和性能

那么801是什么樣子的呢？

801 是一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)而不是微處理器。它是使用摩托羅拉制造的安裝在許多電路板上的“現(xiàn)成”邏輯芯片構(gòu)建的。電路板排列成半圓形，連接位于中心，從而縮短了組件之間的距離。在上面 John Cocke 的圖片中，可以看到他靠在 801 的一些從機(jī)器中心向外的板上。第一個(gè)版本有 7600 個(gè)邏輯門。

801 架構(gòu)實(shí)際上有兩個(gè)版本。我們先來看看 801 的第一個(gè)版本。

按照計(jì)劃，說明保持簡(jiǎn)單。沒有內(nèi)存到內(nèi)存指令或?qū)膬?nèi)存加載或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與其他操作相結(jié)合的指令。所有這些簡(jiǎn)單的指令都可以實(shí)現(xiàn)，而無需求助于微代碼。

最初的 801 有 16 個(gè) 24 位寄存器，外加 3 個(gè)特殊用途寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器和條件代碼寄存器。指令長(zhǎng)度為 16 位或 32 位。更長(zhǎng)的指令允許包含可以添加的十六位常量。

指令集的簡(jiǎn)單性意味著可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的流水線操作——#Add。與寄存器長(zhǎng)度一致，尋址內(nèi)存為 24 位長(zhǎng)，允許機(jī)器訪問最多 16 兆字節(jié)（或 16777216 字節(jié)）的內(nèi)存。分支給管道帶來了問題。因此 801 引入了“執(zhí)行分支”指令（這些指令后來被稱為“延遲分支”）。這些允許分支指令的伴隨指令，無論是否采用分支，該指令都將與分支指令并行執(zhí)行。緩存失效帶來了一個(gè)潛在問題，團(tuán)隊(duì)通過添加使緩存行無效的指令解決了這個(gè)問題：

按照IBM當(dāng)時(shí)的團(tuán)隊(duì)成員說：當(dāng)時(shí)，人們普遍認(rèn)為正在運(yùn)行的程序不會(huì)在執(zhí)行時(shí)修改自身。因此，沒有添加任何機(jī)制來確保指令流中的存儲(chǔ)立即反映在指令緩存中。相反，指令集中添加了無效高速緩存行的功能。

大多數(shù) 801 指令可以按計(jì)劃在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行。平均而言，機(jī)器每 1.1 或 1.2 個(gè)時(shí)鐘周期即可執(zhí)行一條指令。

801 的第二個(gè)版本根據(jù)團(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)和他們對(duì)用戶可能需求的看法進(jìn)行了更新，做出了許多重大更改。所以。以至于兩臺(tái)機(jī)器使用相同的名稱幾乎顯得很奇怪。

在研究寄存器分配之后，修訂版本將寄存器數(shù)量增加了一倍，從 16 個(gè)增加到 32 個(gè)。寄存器大小從 24 位增加到 32 位。第二個(gè) 801 具有統(tǒng)一的 32 位指令長(zhǎng)度，這簡(jiǎn)化了指令解碼機(jī)制，并且意味著指令不能再跨過高速緩存行，從而再次簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

正如團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)的那樣，801 的性能明顯優(yōu)于更傳統(tǒng)和更復(fù)雜的機(jī)器。當(dāng)運(yùn)行“real world”測(cè)試并與 IBM System/3 小型機(jī)進(jìn)行比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)機(jī)的速度大約是原來的三到四倍。但 IBM 管理層再次放棄將 801 轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)項(xiàng)目。IBM 團(tuán)隊(duì)似乎感覺到他們正在逆流而上。喬治·拉丁 (George Radin) 在該項(xiàng)目早期的一篇論文中評(píng)論道：

“從某種意義上說，801 似乎正朝著與該領(lǐng)域傳統(tǒng)觀點(diǎn)相反的方向前進(jìn)。也就是說，其他人都忙著將軟件轉(zhuǎn)變?yōu)橛布?，而我們顯然正在將硬件轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖?。我們并沒有消耗預(yù)計(jì)更便宜、更快的硬件，而是致力于節(jié)省電路、縮短路徑長(zhǎng)度并減少正常系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)各個(gè)級(jí)別的功能?！?/p>

這些想法被擱置，團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向其他事情。正如我們將看到的那樣，有關(guān) RISC 理念的工作確實(shí)在 IBM 內(nèi)部繼續(xù)進(jìn)行，但該概念將在 IBM 外部引起重視。

John Cocke 和 IBM 團(tuán)隊(duì)都沒有創(chuàng)造“Reduced Instruction Set Computer”這個(gè)術(shù)語。事實(shí)上，喬爾·伯恩鮑姆（Joel Birnbaum）和其他人會(huì)抗議說，這種哲學(xué)實(shí)際上應(yīng)該是關(guān)于“Reduced Complexity Instruction Set Computer”。而 RISC 可以理解為暗示它的全部目的是減少指令數(shù)量，這可能是一個(gè)副產(chǎn)品，但不是根本原因。但這個(gè)縮寫詞一直沿用至今，多年來導(dǎo)致了嚴(yán)重的混亂。

RISC 一詞是由伯克利大學(xué)的 David Patterson 發(fā)明的。Patterson和他的學(xué)生與斯坦福大學(xué)的 John Hennessy 一起學(xué)習(xí)了 RISC 概念，并使用 RISC 原理構(gòu)建了第一個(gè)微處理器。

RISC的起源：David Patterson的創(chuàng)舉

如果說 IBM 是 RISC 技術(shù)的先驅(qū)，那么“RISC”這個(gè)名字以及使 RISC 成為主流的真正推動(dòng)力來自加州大學(xué)伯克利分校，其團(tuán)隊(duì)包括 David Patterson（大衛(wèi) 帕特森）。他們的工作仍然對(duì)我們今天使用的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，包括直接在 RISC-V 架構(gòu)中。但令人驚訝的是，performance 并不是在伯克利工作的最初動(dòng)機(jī)。

David Patterson 和 VAX

與 DEC 的小型計(jì)算機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)促使 IBM 團(tuán)隊(duì)尋找一種新的計(jì)算機(jī)架構(gòu)方法。下一代 DEC 機(jī)器的工作將推動(dòng) RISC 概念的下一階段的發(fā)展。

David Patterson 曾在加州大學(xué)伯克利分校學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)，并撰寫了關(guān)于微程序（microprograms）的形式驗(yàn)證的博士論文。微程序是用微代碼編寫的程序，微代碼（microcode）在計(jì)算機(jī)的中央處理單元中使用，以實(shí)現(xiàn)向用戶公開的指令集架構(gòu)。

1977年，DEC推出了VAX，這是其最新、最強(qiáng)大的小型機(jī)設(shè)計(jì)系列。與 IBM 的大型機(jī)一樣，VAX 具有復(fù)雜的指令集 (CISC) 架構(gòu)，并廣泛使用微代碼。

由于對(duì)微代碼的興趣，Patterson 在馬薩諸塞州 Boxborough 的 DEC 小型計(jì)算機(jī)設(shè)施之一積極參與，以幫助處理 VAX 系列微代碼中的錯(cuò)誤。1979 年秋天，對(duì) VAX 微代碼的研究使他確信，調(diào)試復(fù)雜 CISC 指令集的微代碼極具挑戰(zhàn)性。

KA780（VAX 11/780 計(jì)算機(jī)的中央處理單元）在兩個(gè)地方有微代碼。它在只讀存儲(chǔ)器中具有 4k 復(fù)雜的 96 位長(zhǎng)微代碼指令，在快速隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中具有 2k 微代碼指令。RAM 中的微代碼將在啟動(dòng)時(shí)從連接到 VAX 的 PDP-11 小型計(jì)算機(jī)加載到內(nèi)存中。

RAM 中微代碼的存在提供了在 VAX 發(fā)貨后更新代碼的機(jī)會(huì)，包括修復(fù)任何錯(cuò)誤。

20 世紀(jì) 70 年代末，第一批 16 位微處理器問世。隨著微處理器添加了更復(fù)雜的指令，公司開始轉(zhuǎn)向微代碼來實(shí)現(xiàn)他們的設(shè)計(jì)。一些公司，例如 Zilog 的 Z8000，堅(jiān)持使用非微編碼設(shè)計(jì)，但正如我們看到的那樣，即使對(duì)于最熟練的設(shè)計(jì)師來說，這也是困難且耗時(shí)的。16 位時(shí)代最成功的兩種微處理器架構(gòu)，Intel 8086 和 Motorola 68000，都廣泛使用了微代碼。

Patterson 使用 VAX 的經(jīng)驗(yàn)使他相信，隨著微處理器架構(gòu)變得更加復(fù)雜，他們的微代碼設(shè)計(jì)將不可避免地存在錯(cuò)誤。對(duì)于像 VAX 這樣的小型計(jì)算機(jī)，這些錯(cuò)誤可以在出廠后使用 RAM 中的微代碼進(jìn)行糾正。對(duì)于微處理器，微代碼硬編碼在 CPU 芯片上，更新意味著更換整個(gè)芯片，這是一個(gè)不方便且昂貴的過程。

因此帕特森寫了一篇論文，建議微處理器應(yīng)該有兩種類型的微代碼存儲(chǔ)，大致遵循 VAX 中使用的方法。ROM 用于最簡(jiǎn)單和最常用的指令，少量的高速緩存 RAM 用于更復(fù)雜的指令。

論文被拒絕了。帕特森回憶了拒絕的重要理由：“這是一種愚蠢的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法。以這種方式設(shè)計(jì)微處理器沒有意義，而且需要額外的 RAM、成本、補(bǔ)丁和現(xiàn)場(chǎng)。這太瘋狂了?！?/p>

構(gòu)建 RISC-I

幾個(gè)月后，即 1980 年秋天，帕特森開始教授研究生課程，其中包括微處理器架構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。他沒有采用被拒絕論文中的方法，而是嘗試了另一種方法。復(fù)雜的指令被完全省略，這意味著不需要微代碼。如果沒有微代碼，就不會(huì)有微代碼錯(cuò)誤，也不需要 RAM 來緩存更復(fù)雜指令的微代碼。

帕特森和他的一位學(xué)生David Ditzel（戴維·迪澤爾）（當(dāng)時(shí)在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作）已經(jīng)將這些想法寫在一篇名為《The Case for the Reduced Instruction Set Computer》的論文中。該論文承認(rèn) IBM 的 John Cocke 的工作（Cocke 甚至出現(xiàn)在伯克利校園討論他的一些想法），提出了支持 RISC 方法的幾個(gè)理由，包括更容易和更快的實(shí)現(xiàn)、更好地利用芯片面積和速度。

至關(guān)重要的是，帕特森和他的同事為該方法發(fā)明了“RISC”名稱，并更廣泛地分享了其背后的想法。

帕特森將《The Case for the Reduced Instruction Set Computer》這篇論文的副本發(fā)送給了他在 DEC 休假期間共事的朋友。1980 年 9 月，VAX 團(tuán)隊(duì)以論文“對(duì)“The Case for the Reduced Instruction Set Computer”的形式提出了反駁。反駁主要是因?yàn)槿狈φ嬲挠布碇С諴atterson和Ditzel的主張。

但 Patterson和他的同事 Carlo Séquin 以及他們的學(xué)生已經(jīng)著手構(gòu)建基于 RISC 原理的微處理器，最初被稱為“Gold”，后來被稱為“RISC-I”。只有國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局 (DARPA) 為許多相關(guān)項(xiàng)目提供資金，包括硅制造服務(wù) (MOSIS) 和開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具的項(xiàng)目，構(gòu)建物理微處理器才成為可能。

在實(shí)踐中，事實(shí)證明該設(shè)計(jì)對(duì)于在伯克利自己的 VAX 11/780 小型機(jī)上運(yùn)行的設(shè)計(jì)工具來說過于復(fù)雜（也許有些諷刺）。該團(tuán)隊(duì)被迫重寫工具，RISC-I 的工作進(jìn)展緩慢。

RISC-I 設(shè)計(jì)最終于 1981 年 6 月被送往制造服務(wù)。在設(shè)計(jì)的初始制造出現(xiàn)了一系列問題之后，帶有工作芯片的晶圓于 1982 年 5 月才運(yùn)回伯克利。伯克利團(tuán)隊(duì)利用它構(gòu)建了一個(gè)單板計(jì)算機(jī)，很快就能夠演示它運(yùn)行 C 程序（盡管該設(shè)計(jì)在單個(gè)指令中存在錯(cuò)誤，需要修改編譯器以避免）。

RISC-I 設(shè)計(jì)使用了 44,500 個(gè)晶體管，這些晶體管采用 4 微米 NMOS 工藝實(shí)現(xiàn)，芯片尺寸相對(duì)較大，為 10mm x 7.8 mm。值得注意的是，由于指令集簡(jiǎn)單，只有 6% 的芯片面積專用于解碼指令或處理器控制。事實(shí)上，超過一半的晶體管專用于提供 78 個(gè)物理 32 位長(zhǎng)通用寄存器。

隨著 RISC-I 工作的進(jìn)展，帕特森在伯克利的兩名學(xué)生開始了第二個(gè)設(shè)計(jì)，稱為“Blue”（后來的 RISC-II）。RISC-II的進(jìn)展比RISC-I順利。RISC-II 設(shè)計(jì)的寄存器數(shù)量比 RISC-I 還要多，有 138 個(gè) 32 位通用寄存器。它能夠通過更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)它們，每位僅使用 6 個(gè)晶體管，而不是 RISC-I 中使用的 11 個(gè)晶體管，因此總共只需要 40,760 個(gè)晶體管。它還采用了更先進(jìn)的3微米NMOS制造工藝。

RISC-I 和 RISC-II 性能

構(gòu)建 RISC-I 的最初動(dòng)機(jī)是避免復(fù)雜的微代碼，但帕特森和他的同事對(duì)新設(shè)計(jì)的性能表示了很高的期望。Patterson 和 Séquin 的論文總結(jié)了 RISC 項(xiàng)目的初步結(jié)果，其摘要中有一個(gè)驚人的結(jié)論：初步基準(zhǔn)測(cè)試證明了 RISC 的性能優(yōu)勢(shì)。構(gòu)建比 VAX 11/780 更快的單芯片計(jì)算機(jī)似乎是可能的。

然而，最初的 RISC-I 芯片的速度在某些方面令人失望。一些指令的執(zhí)行符合伯克利團(tuán)隊(duì)的預(yù)期，但其他指令的速度慢了五倍，該團(tuán)隊(duì)將這一結(jié)果歸因于制造問題而不是設(shè)計(jì)。后來的一篇論文更詳細(xì)地闡述了 RISC-I（使用模擬來糾正制造問題）與 VAX 11/780 和 Zilog Z8000 微處理器的強(qiáng)大理論性能。

RISC-II 不存在 RISC-I 的制造問題，并且輕松優(yōu)于 VAX 和當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的微處理器設(shè)計(jì) Motorola 68000。現(xiàn)在，通過實(shí)際硬件的結(jié)果，大多數(shù)挑戰(zhàn)和懷疑都得到了表達(dá)DEC VAX 團(tuán)隊(duì)已經(jīng)給出了答案。

這些成果是顯著的。VAX 11/780 是一臺(tái)復(fù)雜且昂貴的小型計(jì)算機(jī)。它被 RISC-I 和 RISC-II（單芯片微處理器設(shè)計(jì)）擊敗。

伯克利團(tuán)隊(duì)關(guān)于 RISC 的論文被廣泛傳播。不出所料，人們對(duì) RISC 設(shè)計(jì)的興趣、投資和工作很快就會(huì)出現(xiàn)“寒武紀(jì)爆發(fā)”。

RISC 戰(zhàn)爭(zhēng)：寒武紀(jì)大爆發(fā)

上文談到的伯克利的這項(xiàng)工作得到了國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局 (DARPA) 的支持，作為其超大規(guī)模集成 (VLSI) 計(jì)劃的一部分。這種支持包括資助構(gòu)建設(shè)計(jì)工具和支持 VLSI 制造服務(wù) MOSIS 的工作。

與此同時(shí)，DARPA 還資助了斯坦福大學(xué)的 RISC 設(shè)計(jì)工作。在那里，John Hennessy 和他的研究生于 1981 年初開始了名為“MIPS”的設(shè)計(jì)工作，MIPS 是“Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages”的縮寫。

MIPS 與伯克利 RISC 共享許多功能，但有兩個(gè)重要區(qū)別：

Register windows：MIPS 設(shè)計(jì)沒有像 Berkeley RISC 設(shè)計(jì)那樣使用寄存器窗口。因此，當(dāng)調(diào)用子例程時(shí)，通常需要將寄存器保存到內(nèi)存中；

Pipeline Hazards：設(shè)計(jì)沒有硬件來處理Pipeline Hazards，例如，流水線意味著指令的結(jié)果尚不可用于需要該結(jié)果的后續(xù)指令。相反，編譯器應(yīng)該能夠處理這個(gè)hazard，這一假設(shè)可以簡(jiǎn)化 MIPS 處理器的設(shè)計(jì)；

與伯克利 RISC 項(xiàng)目的情況一樣，斯坦福大學(xué)的團(tuán)隊(duì)發(fā)表了大量論文。這些再次表明 RISC 可以勝過當(dāng)時(shí)領(lǐng)先的 CISC 微處理器，例如 Motorola 68000。此表來自 John Hennessy 等人于 1982 年發(fā)表的論文“MIPS a Microprocessor Architecture”。

伯克利分校和斯坦福大學(xué)的論文現(xiàn)在公開了 RISC 背后的想法，并揭示了 RISC 設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)的性能。自然地，人們對(duì) RISC 的興趣開始迅速增長(zhǎng)。

與性能同樣重要的是，它們都是由研究生小團(tuán)隊(duì)在一年多一點(diǎn)的時(shí)間范圍內(nèi)構(gòu)建的，并且?guī)缀鯖]有錯(cuò)誤。如果公司能夠復(fù)制這一點(diǎn)，那么這將是一個(gè)引人注目的商業(yè)主張。Acorn 計(jì)算機(jī)公司的 Steve Furber（后來繼續(xù)開發(fā) ARM 架構(gòu)）后來說：

“伯克利和斯坦福故事的另一個(gè)特點(diǎn)是，他們僅使用一班研究生一年的時(shí)間就成功地生產(chǎn)出了具有相當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)力的微處理器。因此，與大公司相比，他們的經(jīng)驗(yàn)和資源要少得多，因此我們認(rèn)為，也許，只是也許，有了這些想法，如果我們出發(fā)，我們可能會(huì)想出一些有趣的東西?！?/p>

但這些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)可以勝過大公司復(fù)雜而昂貴的計(jì)算機(jī)的想法并不總是受歡迎。引用大衛(wèi)·帕特森的話，很久以后談到對(duì)他和約翰·軒尼詩的作品的反應(yīng)：“這是兩位助理教授，而不是終身教授，他們讓強(qiáng)大的公司對(duì)他們非常生氣，也許因?yàn)槲业膫€(gè)性，我比約翰更生氣。我認(rèn)為他們更加生氣了，約翰說他們并沒有對(duì)他生氣。現(xiàn)在，他是大學(xué)校長(zhǎng)。我還是個(gè)教授。他們真的非常非常生我的氣?！?/p>

這將是一場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年、有時(shí)甚至是激烈的關(guān)于 RISC 與 CISC 優(yōu)劣爭(zhēng)論的開始，這一爭(zhēng)論一直持續(xù)到今天。

伯克利的 RISC 工作將繼續(xù)進(jìn)行，但重點(diǎn)略有不同。Patterson 和同事首先希望構(gòu)建一個(gè)修改后的 RISC 設(shè)計(jì)來運(yùn)行 Smalltalk 編程語言（在一個(gè)名為 SOAR 的項(xiàng)目中，即 Smalltalk On A RISC），然后形成桌面工作站的基礎(chǔ)（稱為 SPUR，用于符號(hào)處理） RISC）。

RISC寒武紀(jì)大爆發(fā)

很快，幾乎每個(gè)對(duì)半導(dǎo)體制造感興趣的人都擁有了自己的 RISC 設(shè)計(jì)。

以下是 20 世紀(jì) 70 年代后半葉和 1980 年代出現(xiàn)的重要 RISC（或 RISC 派生）架構(gòu)的（非詳盡）列表（如果我在評(píng)論中遺漏了任何值得注意的設(shè)計(jì)，請(qǐng)告訴我）。

1、1975年（1978年設(shè)計(jì)）

IBM 801：由 John Cocke 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)采用 ECL 集成電路（而非微處理器）構(gòu)建的第一個(gè)完全 RISC 設(shè)計(jì)。

2、1977 年（1984 年公開，1986 年首次出現(xiàn)在產(chǎn)品中）

IBM ROMPIBM ROMP：原始 IBM 801 項(xiàng)目的開發(fā)。

3、1980年（1981年開始設(shè)計(jì)）

加州大學(xué)伯克利分校RISC-I / RISC-II：DARPA 資助了包括 David Patterson 在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)的研究項(xiàng)目。

4、1981年（1982年開始設(shè)計(jì)）

斯坦福大學(xué)MIPS：DARPA 資助了 John Hennessy 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)的研究項(xiàng)目。

5、1982年（1986年引入產(chǎn)品）

惠普PA-RISC (PA for Precision Architecture）：設(shè)計(jì)旨在取代所有 HP 非 IBM PC 兼容機(jī)器中的處理器。

6、1982-1984

DEC的Multiple projects

以下內(nèi)容引用自維基百科：

來自位于加利福尼亞州帕洛阿爾托的 DEC 西部研究實(shí)驗(yàn)室 (WRL) 的TitanTitan是一種基于 ECL 的高性能設(shè)計(jì)，于 1982 年開始設(shè)計(jì)，旨在運(yùn)行 Unix。

SAFE（Streamlined Architecture for Fast Execution）是同年開始的 64 位設(shè)計(jì)，由 Alan Kotok（因太空戰(zhàn)爭(zhēng)而聞名）和 Dave Orbits 設(shè)計(jì)，旨在運(yùn)行 VMS。

HR-32（Hudson, RISC, 32-bit）由 Rich Witek 和 Dan Dobberpuhl 在馬薩諸塞州 Hudson 工廠于 1984 年啟動(dòng)，旨在用作 VAX 機(jī)器中的協(xié)處理器。

同年，Dave CutlerT在華盛頓州貝爾維尤的 DECwest啟動(dòng)了CASCADE項(xiàng)目。

7、1985年

DEC PRISM (Parallel Reduced Instruction Set Machine)：在 Rich Witek 的指導(dǎo)下統(tǒng)一了 DEC 的 RISC 工作。

8、1984 年（第一個(gè)設(shè)計(jì)于 1985 年推出）

MIPS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的MIPS：斯坦福 MIPS 項(xiàng)目的商業(yè)衍生品。

9、1984 年（第一個(gè)工作設(shè)計(jì)于 1985 年）

英特爾的i960：最初是與西門子的合資企業(yè)，由 iAPX432 首席工程師 Fred Pollack 領(lǐng)導(dǎo)。

10、1984 年（1988 年發(fā)布）

AMD Am29000：設(shè)計(jì)受到 Berkeley RISC 的影響。

11、1984年（1985年工作設(shè)計(jì)）

Acorn Computers的Acorn RISC Machine (later Advanced RISC Machine or ARM)：由 Sophie Wilson 和 Steve Furber 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)更換了 BBC Micro 的 6502。

12、1986 年（1987 年商業(yè)發(fā)行）

Sun Microsystems的SPARC (Scalable Processor Architecture)：商業(yè)開發(fā)深受 Berkeley RISC 項(xiàng)目的影響，該項(xiàng)目最初是為 Sun 工作站提供支持的。

13、1986 年（1990 年首次商業(yè)發(fā)布）

IBM Power：IBM 801 開發(fā)之后的 IBM 研究項(xiàng)目的頂峰。

14、1986年（商業(yè)介紹）

Fairchild / Intergraph的Clipper：RISC 通過“Macro instruction ROM”中定義的一些更復(fù)雜的指令影響了設(shè)計(jì)。

15、1987 年（1988 年商業(yè)發(fā)行）

摩托羅拉88000：針對(duì)高端市場(chǎng)，發(fā)布時(shí)聲稱是世界上最快的微處理器。

16、1988 年（1989 年商業(yè)發(fā)行）

英特爾i860：第一個(gè)百萬晶體管CPU也采用了超長(zhǎng)指令字方法。

17、1988年

Apollo的PRISM (Parallel Reduced Instruction Set Microprocessor)：專為 Apollo 的 DN10000 工作站提供動(dòng)力。

CISC 的消亡？

也許與所有新的 RISC 設(shè)計(jì)一樣值得注意的是，新的 CISC 架構(gòu)將變得罕見。

20 世紀(jì) 70 年代末出現(xiàn)了英特爾 8086、摩托羅拉 68000、國(guó)家半導(dǎo)體 32016，以及德州儀器 (Texas Instruments) 和幾家小型計(jì)算機(jī)制造商的努力，希望將其設(shè)計(jì)縮小到 VLSI 上。然而 20 世紀(jì) 80 年代因缺乏新的 CISC 設(shè)計(jì)而引人注目。當(dāng)開發(fā)速度更快的 RISC 架構(gòu)會(huì)便宜得多時(shí)，為什么有人會(huì)花更多的錢來構(gòu)建新的 CISC 架構(gòu)呢？

David Patterson 親自參與了可能是這個(gè)時(shí)代最復(fù)雜的設(shè)計(jì)的命運(yùn)，即我們?cè)谒麄冇?982 年 5 月發(fā)布的論文“Intel iAPX432 : Gordon Moore, Risk and Intel’s Super-CISC Failure’”中討論的英特爾 iAPX432微主機(jī)。討論結(jié)果表明，iAPX432 不僅在與 VAX 11/780 相比時(shí)表現(xiàn)不佳，而且在與第一代 16 位微處理器（例如 8086）相比時(shí)也表現(xiàn)不佳。

那么，到 20 世紀(jì) 80 年代中期，RISC 已經(jīng)贏得了這場(chǎng)戰(zhàn)斗嗎？不是完全。已經(jīng)立足市場(chǎng)的CISC架構(gòu)不斷更新。Intel 的 8086 的后繼者是 80286，然后是 80386，每一個(gè)都在性能和功能以及最重要的向后軟件兼容性方面提供了階躍變化。憑借英特爾的制造專業(yè)知識(shí)以及 IBM 兼容設(shè)計(jì)在商用個(gè)人計(jì)算機(jī)市場(chǎng)上的控制力，x86 架構(gòu)的未來是有保障的。

同樣，摩托羅拉不斷更新 68000 架構(gòu)，這些設(shè)計(jì)將用于蘋果的 Mac、Steve Job 的 Next 工作站以及 Atari 和 Commodore 的其他工作站和家用電腦。不過，這與 RISC 潮流背道而馳。許多 CISC 設(shè)計(jì)被 RISC 新設(shè)計(jì)所取代，例如在 Sun 工作站中，68000 系列被 Sun 自己的 SPARC RISC 處理器所取代。

但如果在 20 世紀(jì) 80 年代初構(gòu)建新的 RISC 芯片是一項(xiàng)低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的提議，那么更新并確保其獲得適當(dāng)?shù)闹С謱?huì)更加昂貴。市場(chǎng)總是不太可能支持如此多的 RISC 設(shè)計(jì)，而且這些設(shè)計(jì)之間沒有任何軟件兼容性。

這些簡(jiǎn)單的 RISC 設(shè)計(jì)開始添加更多功能并變得更加復(fù)雜。他們需要浮點(diǎn)協(xié)處理器、高速緩沖存儲(chǔ)器、更復(fù)雜的管道等等。另外，它們必須采用越來越昂貴的工藝來制造。所有這些都使得公司開發(fā)和支持它們的成本更高。

那么，問題是：誰將在 RISC 市場(chǎng)取得勝利？

這不是一個(gè)容易回答的問題。由于 RISC 背后的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，而且設(shè)計(jì)通常有很多共同點(diǎn)，因此架構(gòu)之間幾乎沒有什么可挑剔的。甚至現(xiàn)在的情況是，以復(fù)雜指令的形式添加新功能可能會(huì)被視為違背 RISC 的整體理念。

所以這取決于其他因素。1988 年的電子雜志在“RISC Slugfest”標(biāo)題下問道“營(yíng)銷力量是否變得比芯片性能更重要？”。文章接著說，英特爾和摩托羅拉憑借其在微處理器市場(chǎng)的地位，也可能成為 RISC 市場(chǎng)的贏家。一位評(píng)論員引用了這樣的話：

“摩托羅拉因其經(jīng)驗(yàn)、聲譽(yù)、客戶關(guān)系以及 68000 系列以及其他 8 位處理器產(chǎn)品的成功而位居榜首，英特爾也是如此。如果你看一下 RISC 的整體情況，大多數(shù)公司都不是傳統(tǒng)的微處理器廠商。目前在 RISC 競(jìng)爭(zhēng)中被公認(rèn)為長(zhǎng)期微處理器創(chuàng)新者的只有摩托羅拉和英特爾，AMD 緊隨其后位列第三，但 29000 再次標(biāo)志著他們的一次全新冒險(xiǎn)?！?/p>

另一個(gè)人接著說：

“由于 RISC 架構(gòu)更加簡(jiǎn)單，英特爾和摩托羅拉進(jìn)入該市場(chǎng)的開發(fā)成本只是他們?cè)?32 位 CISC 產(chǎn)品上花費(fèi)的一小部分。這意味著他們有更多的[可用資源]用于軟件支持、營(yíng)銷和推廣”。

那么，誰會(huì)贏得 RISC 架構(gòu)之戰(zhàn)呢？是英特爾和摩托羅拉等現(xiàn)有微處理器供應(yīng)商，IBM、惠普或 DEC 等計(jì)算機(jī)制造商，還是 MIPS 和 ARM 等初創(chuàng)公司？

大多數(shù)架構(gòu)的消亡

在 RISC 的競(jìng)爭(zhēng)者名單中，我們需要著重強(qiáng)調(diào)一家公司——DEC。他們?cè)?20 世紀(jì) 80 年代中期構(gòu)建了多個(gè)新的實(shí)驗(yàn)性 RISC 架構(gòu)，甚至發(fā)布了使用 MIPS 設(shè)計(jì)的工作站后，DEC 最終致力于自己的新設(shè)計(jì)，最初稱為“DECchip”，該名稱將在 90 年代中期被“DEC Alpha”取代。第一個(gè) Alpha CPU Alpha 21064 于 1992 年 11 月問世。

競(jìng)爭(zhēng)公司可以被視為屬于三個(gè)類別之一。第一批制造和銷售計(jì)算機(jī)的公司需要強(qiáng)大的 RISC 處理器來為這些計(jì)算機(jī)提供動(dòng)力。IBM、DEC、HP 和 Sun 均屬于此類。其中一些公司還擁有自己的工廠來構(gòu)建這些設(shè)計(jì)。

第二類是由半導(dǎo)體制造商組成，他們希望利用自己的制造專業(yè)知識(shí)來制造和銷售 RISC 微處理器。英特爾、摩托羅拉和 AMD 均屬于這一組。

最后一類由新的獨(dú)立公司組成，這些公司純粹是為了設(shè)計(jì)和銷售 RISC 處理器或設(shè)計(jì)而創(chuàng)建的。MIPS 和 ARM（從 Acorn 中分離出來后）就屬于這一類，他們既沒有自己的產(chǎn)品可以使用他們的設(shè)計(jì)，也沒有能力進(jìn)行自己的設(shè)計(jì)。

每個(gè)群體都有自己的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，也都有自己的問題。

計(jì)算機(jī)制造商的產(chǎn)品擁有現(xiàn)成的市場(chǎng)，并且有能力開發(fā)在其系統(tǒng)上運(yùn)行的軟件堆棧。即使對(duì)于像 IBM 這樣大的公司來說，這些系統(tǒng)的銷量與基于 Intel x86 的個(gè)人計(jì)算機(jī)的銷量相比也相形見絀。

一些評(píng)論家認(rèn)為，英特爾或摩托羅拉憑借其制造專業(yè)知識(shí)以及在微處理器市場(chǎng)的良好記錄，最終將在 RISC 市場(chǎng)取得勝利，就像他們分別在 x86 和 68000 上取得的勝利一樣。但這些公司將銷售 RISC 處理器，這些處理器將與他們自己領(lǐng)先的 CISC 設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)。

最后一類似乎有最大的困難。獨(dú)立公司 MIPS 和 ARM（從 Acorn 分拆出來后）。他們必須爭(zhēng)取新客戶，資金有限，而且與大公司相比沒有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

聯(lián)盟時(shí)代

對(duì)于大多數(shù) RISC 供應(yīng)商來說，其 RISC 設(shè)計(jì)最重要的用途是在 Unix 工作站或其他臺(tái)式計(jì)算機(jī)中。其中有 Sun 工作站 (SPARC)、Silicon Graphics (MIPS)、IBM PC/RT (RT)、Acorn Archimedes (ARM)、HP 工作站 (PA-RISC)。然而，這些產(chǎn)品產(chǎn)量低，通常價(jià)格昂貴，并且越來越需要與高端 x86 PC 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

我們可以將 1990 年和 1991 年 Unix 工作站市場(chǎng)的銷量（來源 Computerworld）與 IBM PC 兼容銷量進(jìn)行比較，1990 年 IBM PC 兼容銷量超過 1500 萬臺(tái)：

與容量大得多的 x86 架構(gòu)相比，RISC 架構(gòu)處于巨大劣勢(shì)。

對(duì)于許多這樣的公司來說，他們的反應(yīng)是爭(zhēng)取其他公司支持他們的架構(gòu)。這并不是什么新鮮事?！皊econd sourcing”有著悠久的傳統(tǒng)，擁有多個(gè)供應(yīng)商被認(rèn)為對(duì)于確保重要部件的供應(yīng)連續(xù)性至關(guān)重要。最接近“second sourcing”的方法是將架構(gòu)許可給第三方。

Sun 于 1989 年開始授權(quán) SPARC，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)被傳遞給“SPARC International”，這是一家為發(fā)展 SPARC 生態(tài)系統(tǒng)而創(chuàng)建的新公司。SPARC 授權(quán)商包括富士通、德州儀器、Atmel、賽普拉斯和松下。

ARM 于 1990 年從 Acorn 中分離出來，與蘋果成立了一家合資企業(yè)。盡管新公司已簽約為合資伙伴進(jìn)行設(shè)計(jì)，但該公司立即開始尋找能夠授權(quán) ARM 設(shè)計(jì)的新合作伙伴。

但在某些情況下，企業(yè)尋求建立聯(lián)盟的目的往往不僅僅是許可，聯(lián)盟通過自己的專業(yè)知識(shí)來補(bǔ)充彼此的技術(shù)。

高級(jí)計(jì)算環(huán)境 (ACE) 聯(lián)盟于 1991 年 4 月宣布成立。ACE 匯集了 21 個(gè)成員公司，包括 MIPS、DEC、康柏、微軟和 SCO（銷售基于 Unix 的操作系統(tǒng)）等。ACE 帶來了高級(jí) RISC 計(jì)算 (ARC)，它開發(fā)了圍繞 MIPS 設(shè)計(jì)的硬件標(biāo)準(zhǔn)。

1991 年 10 月，AIM 緊隨其后，將蘋果、IBM 和摩托羅拉聯(lián)合起來。這三個(gè)公司集中資源來構(gòu)建基于 IBM Power 架構(gòu)的設(shè)計(jì)。結(jié)果，摩托羅拉放棄了自己的 88000 架構(gòu)的開發(fā)。

為了不被排除在聯(lián)盟游戲之外，惠普圍繞 PA-RISC 架構(gòu)組建了自己的團(tuán)隊(duì)。Precision RISC組織是由HP領(lǐng)導(dǎo)的行業(yè)組織，成立于1992年，旨在推廣PA-RISC架構(gòu)。成員包括 Convex、日立、休斯飛機(jī)公司、三菱、NEC、OKI 和 Prime Computers。

然后在 1992 年，Silicon Graphics 收購了 MIPS，以確保為其工作站提供所需的處理器。

在企業(yè)起舞繼續(xù)進(jìn)行的同時(shí)，這些設(shè)計(jì)繼續(xù)快速推進(jìn)。所倡導(dǎo)的變革的簡(jiǎn)短列表以及采用這些變革的設(shè)計(jì)示例包括：

64 位：MIPS R4000（1991 年 10 月）

SIMD 指令：具有 MAX 指令集擴(kuò)展的 HP PA-7100LC（1994 年 1 月）

超標(biāo)量架構(gòu)：DEC Alpha 21064（1992 年 9 月）

在每種情況下，我們都在將這些功能引入 x86 之前就對(duì)其進(jìn)行了介紹。但英特爾往往會(huì)很快迎頭趕上，在 RISC 中出現(xiàn)后不久就添加功能。英特爾在 x86 中添加的 MMX SIMD 于 1997 年出現(xiàn)。奔騰 (Pentium) 是第一個(gè) x86 超標(biāo)量設(shè)計(jì)，于 1993 年出現(xiàn)。

聯(lián)盟的破裂

RISC 聯(lián)盟看起來很強(qiáng)大，通常將財(cái)力雄厚或擁有豐富制造專業(yè)知識(shí)的公司聚集在一起。然而，他們經(jīng)常遇到一個(gè)主要問題：合作伙伴的利益不一致。

第一個(gè)失敗的是ACE。

ACE 從一開始就注定要失敗。它支持多種架構(gòu)（MIPS 和 x86）以及多種操作系統(tǒng)（Windows 和 Unix）。

在某些情況下，ACE 成員的利益不僅不一致，而且實(shí)際上是直接對(duì)立的：微軟與 SCO（生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)性操作系統(tǒng)）以及康柏與 MIPS（最大的 x86 PC 制造商之一與競(jìng)爭(zhēng)性架構(gòu)）。

ACE 崩潰的第一個(gè)跡象出現(xiàn)在 1992 年 1 月，當(dāng)時(shí)康柏宣布終止與 MIPS 生產(chǎn)臺(tái)式機(jī)的合作。康柏承認(rèn)：“很明顯，我們合作得越多，我們就越發(fā)現(xiàn)我們確實(shí)有非常不同的策略?！笨蛋刈罱K于當(dāng)年 5 月退出 ACE。一些符合 ARC 標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器將由 ACE 聯(lián)盟的剩余成員發(fā)布，但這永遠(yuǎn)不會(huì)成為 x86 PC 的可信競(jìng)爭(zhēng)。

一些人猜測(cè)，康柏成立該聯(lián)盟只是因?yàn)閾?dān)心作為其業(yè)務(wù)支柱的 x86 PC 會(huì)輸給 Sun 等公司的由 SPARC 驅(qū)動(dòng)的工作站。據(jù)說康柏想在英特爾的領(lǐng)導(dǎo)下“點(diǎn)燃一把火”。

無論這是否是有意為之，英特爾很快就推出了 Pentium、Pentium Pro 和 Pentium II 處理器來應(yīng)對(duì) RISC 設(shè)計(jì)帶來的挑戰(zhàn)。

我們?cè)谏衔目吹降牟簧偕虡I(yè) RISC 設(shè)計(jì)也一一被擱置，或者變得越來越不相關(guān)。隨著 x86 設(shè)計(jì)變得更加強(qiáng)大以及 PC 市場(chǎng)的增長(zhǎng)，英特爾將重點(diǎn)放在其最大的產(chǎn)品上是有意義的。當(dāng)它需要更強(qiáng)大的服務(wù)器 CPU 時(shí)，它于 1992 年與 HP 合作支持 Itanium（一種超長(zhǎng)指令字 (VLIW)）設(shè)計(jì)。

英特爾在 20 世紀(jì) 90 年代放棄了 i860 和 i960，轉(zhuǎn)而采用基于 Arm 的 StrongARM 設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)是作為訴訟和解的一部分從 DEC 獲得的。隨后，StrongARM 業(yè)務(wù)更名為 XScale，并于 2006 年出售給 Marvell。同樣，惠普放棄了 PA-RISC，轉(zhuǎn)而采用安騰。

AMD 對(duì) Am 29000 開發(fā)的支持一直持續(xù)到 1995 年，當(dāng)時(shí)從事該架構(gòu)的團(tuán)隊(duì)被轉(zhuǎn)移到 AMD 的 x86 設(shè)計(jì)上。

DEC 于 1996 年嘗試與三星結(jié)盟生產(chǎn) Alpha 設(shè)計(jì)，但 DEC 于 1998 年被康柏收購，康柏于 2001 年放棄了 Alpha，再次轉(zhuǎn)而支持英特爾的安騰?？蛋乇旧碛?2002 年被惠普收購，Alpha 的開發(fā)在幾年后結(jié)束。

Apple 繼續(xù)使用 PowerPC 設(shè)計(jì)，直到 2006 年才轉(zhuǎn)向英特爾的 x86 設(shè)計(jì)。蘋果的 Mac 業(yè)務(wù)越來越專注于筆記本電腦，改用英特爾更節(jié)能的筆記本電腦 CPU 顯著提高了性能和電池壽命。

Sun繼續(xù)在其工作站中使用SPARC，但于2010年被甲骨文收購，甲骨文于2017年終止了SPARC開發(fā)。富士通暫時(shí)繼續(xù)生產(chǎn)SPARC處理器，但在新設(shè)計(jì)中已改用自己的基于ARM的設(shè)計(jì)。

因此，MIPS 和 ARM 這兩家公司的起始地位最弱。

MIPS 于 1998 年從 Silicon Graphics 中分離出來，其公司劇變的歷史在 2010 年代仍在繼續(xù)。2013 年，它被 Imagination Technologies 收購，四年后又將其賣給了一家風(fēng)險(xiǎn)投資公司。第二年被出售給Wave Computing，并于2020年破產(chǎn)。Wave更名為MIPS，但最終在2021年放棄了MIPS，轉(zhuǎn)而采用RISC-V。

只剩下ARM了。那么，當(dāng)其他架構(gòu)消失時(shí)，為什么 ARM 能夠幸存下來呢。

與聯(lián)盟共贏

到 2010 年代中期，只有一種原始 RISC 架構(gòu)擁有可行的未來。只是 2010 年代的 ARM 架構(gòu)看起來與 1980 年代有很大不同。64 位 ARM64 指令集放棄了許多使原始 ARM 及其直接后繼產(chǎn)品與眾不同的功能（條件執(zhí)行、16 位長(zhǎng)指令）。

英國(guó)劍橋的 Advanced RISC Machines 誕生于一個(gè)看起來特別弱的聯(lián)盟。蘋果想要為牛頓配備處理器，但該設(shè)備從來都不是蘋果業(yè)務(wù)的核心。當(dāng) Acorn Computer 推出 ARM 技術(shù)時(shí)，其業(yè)務(wù)已經(jīng)陷入困境。

但合資伙伴的弱點(diǎn)意味著該公司必須將目光投向其創(chuàng)始伙伴之外的領(lǐng)域。

ARM 的成功可以歸因于許多因素：它對(duì)移動(dòng)市場(chǎng)的承諾和成功、滿足客戶需求的敏捷性、它的文化、Robin Saxby 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)的承諾，或者它在移動(dòng)市場(chǎng)上避免與英特爾競(jìng)爭(zhēng)的方式。桌面。所有這些無疑都很重要。但還有另一個(gè)因素：它找到了一種建立聯(lián)盟的方式，這種方式對(duì) ARM 及其所有合作伙伴都有效。

ARM 方法與其他方法有何不同？ARM 不與其合作伙伴競(jìng)爭(zhēng)，其開展業(yè)務(wù)的方式在所有合作伙伴之間建立了相對(duì)公平的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。這意味著合作伙伴關(guān)系可以持續(xù)，并且與 ARM 合作的公司范圍可以繼續(xù)擴(kuò)大。

這種關(guān)系建立在簡(jiǎn)單而明確的合同基礎(chǔ)上。合作伙伴將獲得 Arm 設(shè)計(jì)的許可，以換取預(yù)付費(fèi)用和版稅。這些關(guān)系的直接性將使它們更有彈性。

結(jié)論

那么我們可以從 20 世紀(jì) 80 年代和 90 年代的 RISC 戰(zhàn)爭(zhēng)中學(xué)到什么呢？

我確信讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)，本文中幾乎沒有討論支撐每種 RISC 設(shè)計(jì)的技術(shù)。因?yàn)?0 世紀(jì) 80 年代 RISC 設(shè)計(jì)架構(gòu)之間的差異可能并不重要。有些功能被證明存在問題，而其他創(chuàng)新則流行起來。我認(rèn)為可以公平地說，這些都不是決定建筑是否幸存的決定性因素。事實(shí)上，這些架構(gòu)中最成功的 ARM 會(huì)根據(jù)需要不斷調(diào)整、添加或刪除功能。

英特爾憑借 x86 成為了當(dāng)時(shí)最成功的微處理器設(shè)計(jì)者，盡管 x86 架構(gòu)至少在這一時(shí)期的大部分時(shí)間里明顯不如其 RISC 競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。運(yùn)行 IBM PC 兼容軟件的能力是大多數(shù)臺(tái)式計(jì)算機(jī)購買決策中最重要的因素，而 PC 市場(chǎng)給英特爾帶來的銷量使其能夠繼續(xù)投資于 x86 架構(gòu)并保持其制造領(lǐng)先地位。

所以最終，架構(gòu)可能并不重要。

RISC 在 20 世紀(jì) 80 年代可能是一個(gè)好主意。然而，隨著 20 世紀(jì) 90 年代的發(fā)展，x86 顯然可以成功地與最好的 RISC 設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)。

第二個(gè)事實(shí)與每個(gè)聯(lián)盟中涉及的公司之間關(guān)系的性質(zhì)有關(guān)。利益不同的公司之間的松散聯(lián)盟很難維持，并且常常會(huì)破裂和失敗。

例如，對(duì)于 ACE 和 AIM，合作伙伴的利益要么從一開始就存在分歧，要么隨著時(shí)間的推移而出現(xiàn)分歧。盡管所涉及的公司規(guī)模和能力都很大，但聯(lián)盟的實(shí)力還不足以確保它們及其架構(gòu)的生存。

同樣，如果沒有強(qiáng)大的合作伙伴和足夠大的生態(tài)系統(tǒng)，任何新的 RISC 架構(gòu)都不足以支持持續(xù)不斷上升的開發(fā)和支持成本。

與此相反，ARM 得以生存并繁榮發(fā)展，部分原因在于不妨礙英特爾的發(fā)展，而且還在于創(chuàng)建了一種圍繞創(chuàng)建、維持和擴(kuò)大聯(lián)盟的商業(yè)模式。

雖然RISC的諸神亂斗時(shí)代結(jié)束了，但RISC-V在2010年的橫空出世，又掀開了RISC架構(gòu)的另一頁，這容我們后面再說。