回顾历史梦幻处理器：单芯片超级电脑幻影与RISC普及(80年代后期)

来源：technews（台） 作者：痴汉水球

本篇文章将带你了解 ：

笔者在2020年7月撰文介绍过IBM BlueGene/L（1999年）和Fujitsu A64FX（2019年）两款相隔20年、承先启后的「超级计算机系统单芯片 」。但早在1989年，英特尔发布以色列海法团队操刀的i860，不但声势浩大，是计算机工业史上第一个「百万晶体管」芯片，更被誉为「Cray On a Chip」的「单芯片超级计算机」──虽然日后证实完全是不切实际的营销炒作，但或多或少掩盖了整体更优秀的i960。

▲ 虽然以失败收场，但 i860 却充分象征 RISC 对计算机工业的影响有多深远。上图可清楚看到i860有一个整数逻辑运算单元和三个浮点运算单元（乘法、加法、图形）。

反过来说，i860 也让英特尔提前体验 MMX 之类的 SIMD（单一指令多重数据） 指令，以及冥冥之中预言超长指令集（VLIW）架构的Itanium 处理器，当碰到编译器无法充分优化代码时，究竟会发生什么惨剧。

英特尔1989年推出的初代i860 XR（代号N10），运行频率为25MHz、33MHz或40MHz，第一级cache是4kB指令加上8kB数据。1991 年问世的第二代i860 XP（代号 N11）增加 4MB 分页、更高容量第一级cache内存（16kB 指令、16kB数据）、支持外部第二级cache（82495 快取内存控制器搭配数颗 32kB 容量的 82490 SRAM）、更快系统总线（理论传输带宽 400MB/s）、频率提升至 50MHz 且提供多处理器环境必备的总线窥探协议、与可外挂的 MESI 快取数据一致性协议控制器，以上诸多强化项目，让i860 XP的晶体管数量激增到255万。

▲ i860 在 1990 年代初期可是非常吓人的怪物，说是那时代的「超级计算机单芯片」一点都不为过，只是最后还是雷声大雨点小，无疾而终。

当时i860结合了许多独一无二的功能，最引人注目的是超长指令集（VLIW）架构与高速浮点运算能力。

i860 有一个 32 位宽度的整数逻辑运算单元和三个 64 位宽度的浮点运算器（浮点加法、浮点乘法、绘图），标准「单指令标量」（Scalar）模式，i860 每个频率周期仅能撷取并执行一个指令，但「双指令超标量」（Superscalar，这名称很容易误导人，超标量流水线和超长指令集本质上是截然不同的概念）模式时，可配对一个 32 位编码长度的整数指令和一个32位编码长度的浮点指令成64位指令包，使能同时透过64位宽的总线撷取并执行，这一个萝卜一个坑能塞多满，极度仰赖编译器的指令安排。因此英特尔命名为「i860 64 位微处理器」，很显然是极易让人困惑的说法，坊间已长期以讹传讹积非成是的「如何定义 64 位」只会越来越乱无章法。

i860 还有一种看起来很神奇的「用户可见流水线」（User Visible Pipeline）模式，当指令用到某个「存放多频率周期运算结果」的暂存器，可直接使用目前值，而不必等待最后结果，这让笔者隐约想起 DEC Alpha 为了追求更佳浮点运算效能的「不精确中断」和 Itanium 处理器的背后精神「Relax Limitations For Performance」。

此外，i860 内置浮点运算器，32个32 位浮点数据暂存器，可为「16 个 64 位双倍精确度浮点」或「8 个128 位四倍精确度浮点」。附着在浮点运算器的「绘图单元」（是的，你绝对没看错）可当成「16个64位整数」，执行线条绘制、Gouraud着色、去除隐藏线条的Z缓冲（ZBuffer），与如SIMD指令的让64位数据路径处理8个8位像素、4个16位像素或2个32位像素。

▲ 多处理器配置是 i860 XP 的重头戏，英特尔就以此为基础，建造 4096 颗 i860 XP 的 Paragon XP/S 超级电脑。

英特尔 i860 累积的宝贵经验，对后来 Pentium 出现的 MMX 指令集产生极大影响，负责 i860 的主架构师、以色列海法研发中心的 David Perlmutter，也是 Pentium MMX（P55C）主导者，之后更藉领导Pentium M「Banias」体系发展，替英特尔变出救命稻草，奠定世人对英特尔的以色列人「 擅长精炼现有产物，压榨最多潜在价值等既定印象。

乍看i860好像很厉害，号称频率33MHz时，拥有高达66M FLOPS（每秒6，600万次浮点运算）的理论浮点运算效能，远远超越「介于5M~10M」的主流处理器，但还是老话一句：整个i860的设计都基于「编译器能有效处理好指令排程任务」，但现实证明是不可能的任务。宣称峰值60M~80M FLOPS的i860 XP（英特尔于HotChips公布的数字更是惊世骇俗的100M FLOPS），即使执行人工撰写的组合语言代码，也顶多达40MFLOPS，甚至大多数编译器，连实现区区10MFLOPS都有困难。

i860 还有更严重的问题：无法高效快速执行多进程（Process）储存和重现处理器状态（Context Switch，可翻译成上下文交换或「环境切换」）。当多工操作系统的多行程要共享单一处理器，交换处理器的行程或发生中断（Interrupt）时，必须先储存目前行程状态，再将准备执行的行程状态载回处理器。i860 最理想也需最少 62 个时钟周期，最差更高达「2 千个」，使其根本无法当成一般用途的泛用处理器。想当初，Pentium MMX 那共用浮点寄存器的 MMX 暂存器切换，才不过「几十个」时钟周期，就让很多人不满意了。

总之，简单一句话回答 i860 没有成功的主要原因：账面空有优异的理论性能，但缺少配套的最佳化编译器（英特尔又再次栽在软件）及正常行程切换，无法发挥「一定程度」潜能。时任英特尔CEO的安迪·葛洛夫（Andy Grove）就暗示i860市场失败，应归因于「分身乏术」（being stretched too thin），同时推出「基于CISC，却兼容所有个人计算机软件」的80486和「基于RISC，效能很棒，却不兼容任何现有软件」的i860，让消费者完全搞不懂英特尔到底要走哪个方向， 最终市场依旧做出习以为常的决定。

话说回来，i860 还是导入超级计算机，最具代表性者莫过于英特尔自家 Paragon 系列和 iPSC（Personal SuperComputer）系列，前者长出多达 4，096 颗 i860 XP 的 Paragon XP/S 超级计算机，后者第三代产品则是用最多 128 颗 i860 XP 的iPSC/860「个人超级计算机」。

▲ 英特尔Paragon 超级计算机的 CP16 运算节点，可很清楚看到三颗 i860 XP。（Source：维基百科）

除此之外，具GPU单元的i860也用在工作站，如NeXT Cube工作站的NeXTDimensions显卡图形加速器和SGI RealityEngine的几何处理引擎（Geometry Engine）。美国军方亦采购相当数量的i860，给航空计算和数字数据处理辅助处理器使用。

▲ 昔日 3D 图形处理霸主 SGI 的 RealityEngine 几何处理引擎，上面壮观的 12 颗 i860 XP。

有趣的是，至今构成微软 Windows 操作系统心脏的 Windows NT 系统核心，最早就以代号「Dazzle」的 i860 XR 工作站为最初平台，后面才陆续移植到「Jazz」MIPS 处理器系统、80386、Alpha和 PowerPC，所以一直不乏 NT 简写并不是「New Technology」而是 i860 XR 代号「N-Ten」（N10）的说法。

行文至此，i860 处理器本身是英特尔尝试RISC架构时的产物，继i960再次用实际行动面对RISC新潮流，不放弃CISC同时，也做点新东西试手气，而从RISC出现后，更无人胆敢逆向操作、自找麻烦打造全新CISC指令集。英特尔i960和i860充分象征无论新来还是后到的处理器厂商，整个计算机工业界，无不遵循RISC精神和思路，改进或设计指令集架构和处理器微架构。

斯坦福大学MIPS共同设计者Steven Przybylski 说过的名言：「RISC 是1985 年后的所有电脑。」 （RISC：any computer announced after 1985.）其意就在此，RISC 的普及大势，仿佛飞出全垒打墙的棒球和变心的爱人，一去不回头。

既然RISC是历史的必然，那身为RISC始祖精灵的蓝色巨人IBM，要怎样设法将旗下纷乱的中端CISC产品线，统合至崛起中的IBM 801后代，就是非常有趣的话题，这也造成IBM的RISC指令集陷入空前绝后的版本分裂，耗费近20年才再度统一。这就是下一期的主题：镜头转回 IBM，一窥 AS/400 的诞生与 PowerPC 的演进史。

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