中国 X86 CPU 技术源自何方（上） 原创 2017-05-16 铁流 铁流 铁流 tieliu1988 芯片、通信、航空 在第18届中国国际工业博览会上，上海兆芯公司的ZX-C处理器获得了金奖。在2017年3月，更是接连荣获“2017年度大中华IC设计成就奖”（见图22）、“第十一届（2016年度）中国半导体创新产品和技术奖”。在国家十二五科技创新成就展中兆芯的宣传材料显示，“兆芯国产X86通用处理器的成功自主研发和量产，令国产处理器在性能方面完成了一次跨越式的提升，从十二五初期的不足国际整体水准的10%提升到了目前的80%”。 众所周知，Intel对X86的授权有着极为严格的限制，那么上海兆芯的X86芯片技术到底从何而来？ZX-C目前的短板在哪里？在性能上和Intel相差多远呢？ 兆芯C4600 cpuinfo的信息显示：设计厂商为美国Centaur，微结构是VIA的以赛亚在Linux系统中命令cat /proc/cpuinfo可以读出芯片的一些信息和特性。其命令和Windows系统中cpu-z软件获得的信息类似。芯片cpuinfo的信息是通过CPUID指令读出来的。例如eax=1时，读出的是处理器的信息以及特征位(CPUID指令的使用，见en.wikipedia.org/wiki/CPUID)。 从图1兆芯C4600芯片cpuinfo的信息可以看出，这个芯片的厂商（vendor_id）为CentaurHauls，即Centaur公司。其中cpu family表示那一代芯片，其中的family 6表示VIA的Nano系列。其中的model表示型号，也就是采用哪种微结构，15表示以赛亚。model name为处理器的型号，图中为C-QuadCore C4600@2.0GHz。表示4核芯片C4600，主频为2GHz。 图1 兆芯C4600芯片cpuinfo的信息 图2 威盛Nano U3500芯片cpuinfo的信息 图2给出了威盛公司的Nano U3500芯片cpuinfo的信息，其model name为VIA Nano U3500@1000MHz。对比vendor_id的信息可以看出都是VIA的Centaur公司，对比cpu family和model的信息，也可以看出都是family 6和model 15，即都是 “以赛亚”架构。 图3 威盛Nano U3500芯片的信息 从图3可以看出U3500芯片属于VIA Nano系列。其中的微架构为Isaiah（以赛亚）。支持的指令集到SSE4.1为止，并且支持x86-64指令集。 从C4600芯片cpuinfo的信息可以看出，C4600的设计厂商（vendor_id）还是VIA的Centaur公司，而没有改为ZX的标志。 美国Centaur公司和Glenn Henry根据维基的资料显示：Centaur（半马人）科技公司，创立于1995年，创建者为Glenn Henry, Terry Parks, Darius Gaskins和Al Sato，其获得的投资来自于IDT公司。其公司的目标是开发兼容的x86处理器，目标定位为开发比Intel公司的x86芯片价格更低，功耗更小的芯片。早期的产品称为WinChip，1999年9月，Centaur被IDT公司出售给VIA公司，其后续的产品为VIA C3和VIA C7，以及VIA Nano。Centaur公司的芯片主要面向嵌入式市场，包括移动市场，也就是面积更小、价格更便宜，功耗更低的x86芯片市场。Centaur的设计理念是对于面向特定市场需求“够用就好”。VIA Nano Isaiah（以赛亚），是Centaur第一款超标量、乱序执行的CPU，第一款64位的CPU，Nano芯片这时更为强调性能，而不再是追随性能功耗比的等式，但是其维持和C7相同的功耗（TDP）。 根据Centaur（半马人）公司的网站的介绍，Centaur（半马人）科技公司，位于德克萨斯-奥斯丁。主要设计高性能、低功耗的x86兼容的微处理器，号称具有最快的设计流程，设计周期是竞争对手厂商的三分之一。该公司没有管理者，所有的工程师直接向Centaur公司的创建者和总裁Glenn Henry汇报，Glenn Henry是前DELL公司的CTO和IBM的工程系列的Fellow（20年的Fellow）。1999年8月，Centaur公司被VIA公司收购。但是这次收购没有改变Centaur的文化，也就是Centaur作为VIA公司的子公司独立地运营，而不会受到VIA的影响。在Cyrix解散后，VIA公司的x86芯片的设计都是来自于Centaur公司，而VIA QuadCore C4650芯片也是出自Centaur公司的Glenn Henry之手。 图4 Glenn Henry 这里介绍以下Glenn Henry。Glenn Henry于1967年加入IBM，在IBM干了21年，担任首席架构师，是RISC工作站、AIX操作系统和AS/400等创新产品的主要研发管理者，于1985年获得IBM fellow的称号，1988年离开IBM加入DELL公司，为DELL公司负责研发的副总和CTO，1994年离开DELL公司，担任MIPS公司的咨询顾问，试图把x86和MIPS架构结合在一起，1995年Henry获得了来自IDT公司的投资，创建了Centaur公司，设计低功耗、低成本的x86处理器。 揭开以赛亚神秘的面纱正如Intel在研发出酷睿2后一举翻身，AMD在开发出Zen之后终于做出能与Intel相比较的产品，一款CPU最关键的就在于其微结构，那么QuadCore C4650芯片的微结构究竟怎么样呢？ 图5 The VIA Isaiah Architecture Centaur公司的灵魂人物和总裁和Glenn Henry撰写的一篇文章“The VIA Isaiah Architecture”（图5），文章中分析了为什么采用3发射、乱序执行结构，和Intel的Core比较起来有什么优势，为了降低功耗，采用了什么样的权衡。文章介绍的非常详细，有兴趣的网友可以找原文品读。 从图6中可以看出，以赛亚采用类似于Core架构的设计，7个部件，2个定点I1和I2，2个浮点MA和MB，1个取数LD，1个存数ST和1个SA地址计算。也就是2个定点、2个浮点、2个访存。属于中规中矩的设计。 图6 以赛亚微结构框图 Cache的设计为64KB+64KB L1 cache，16路组相联，2MB的uninclusive的L2 cache。保留站的项数为76项（micro-ops，其micro-ops类似Intel处理器的uops，每条X86指令对应1-3条uops），规模和Intel的Core以及AMD的K10基本相当。其也采用了大量的低功耗技术，例如为了降低功耗，分支预测器的表项只有4K项，取指令时只取16字节大小等。 从文章中介绍和测试数据来看，该处理器结构在2008年而言是非常棒的微架构，兼顾了低功耗和适度性能。从性能上可以打赢当时的按序发射的Intel Atom，但是由于技术团队人数有限，在功耗控制实现上不是那么完美，所以导致其市场定位高不成低不就。在高性能上没法和Intel的Core和AMD的K10抗衡，在低功耗上又不能做到无风扇设计，没法和Atom以及近年来崛起的ARM相比。导致Nano的芯片主要用于上网本等市场，但是由于出货量较少，每片的成本相对较高，随着上网本市场的消亡，Nano芯片基本也退出了主流市场。 Glenn Henry曾在2008年接受记者Dave Altavilla的采访，在采访中Glenn Henry对低功耗的以赛亚架构处理器的一些解释（“VIA's Glenn Henry Speaks On New Low Power Isaiah Processor，by Dave Altavilla, January, 2008”）。以下为采访链接： 图7 Glenn Henry介绍“以赛亚”架构 图8 “以赛亚”架构Nano处理器版图
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