【转】20世紀末的x86神風特攻隊NexGen Nx586/Nx686丨CISC和RISC的差別究竟在哪裡？
硬科技：20世紀末的x86神風特攻隊NexGen Nx586/Nx686 (上)
by 痴漢水球 2020.08.21 03:00PM
常常看到很多人提出1個共同的疑問：為何今日x86處理器市場，是由Intel和AMD聯手壟斷，幾乎沒有其他廠商的生存空間？ 有經歷過1990年代中期的科科，或許多少知道，這間因創辦人Jerry Sanders那句「有晶圓廠才是真男人」而聞名的公司，在其創立於1969年後的25年內，x86處理器也並非其業務重心，而且曾經擁有過相當成功的快閃記憶體事業。AMD是到了1995年，才決定中止其自家RISC處理器Am29000的發展，將資源集中在x86處理器市場，並在2003年將快閃記憶體事業單位分割成與Fujitsu合資的Spansion，進一步累積長期對抗Intel的本錢。 也因此，AMD在x86處理器市場企圖挑戰Intel的霸權，一開始也並非一帆風順，曾被寄以厚望的「Pentium殺手(Pentium "Killer"，AMD從K5開始以K作為產品世代命名由此而來)」的5K86就面臨上市一再延宕(當時最大個人電腦品牌Compaq還打算全面使用K5取代Pentium，甚至不惜延宕Pentium個人電腦的上市時程，但就一直等不到)，且產品效能不彰(1996年3月27日上市的初期SSA/5版本，動態分支預測是不能動的，平白損失30%效能)的問題，可謂出師不利，前景堪慮。 在那時候，只要一提到「究竟哪間廠商有機會顛覆Intel」，大多數人第一時間會想到的是Cyrix，而不是AMD。但發生在1995年10月21日的8.65億美元NexGen併購案，卻確立了日後「x86雙雄」的格局—即使當時沒多少人預見未來的發展，Rise、Centaur、Transmeta等x86神風特攻隊還是繼續覬覦這「看起來只要咬下一小塊足以把自己養的肥滋滋」的巨大市場，然後油門踩到底地拼命向前衝。
- 神風特攻隊駕駛員：NexGen
- 公司成立時間：1986年
- 公司消失時間：1995年10月21日
- 員工人數：不明
- 最具象徵性產品：Nx586
- 由盛而衰的轉折：沒有
- 未能實現之遺憾：Nx686轉生成暢銷的AMD K6，沒什麼好遺憾的，倒是原本NexGen規劃中的第七世代x86處理器(Nx786？)究竟長的如何，還讓人蠻好奇的
如果要用1句話形容NexGen和其他x86神風特攻隊的差異性，大概只有「思想遠比其他Intel競爭者先進的太多」，更遠非盲目追求「簡單、迅速、便宜」的Centaur所能望其項背。 由印度人Thampy Thomas在矽谷創立的NexGen，打從一開始就開創了「將x86指令轉譯成1到數個固定長度的類RISC微指令，以加速常用簡單x86指令的執行效率」的RISC86構想，並早在計畫中的80386相容產品中實現，時間點大略與AMD K5總工程師Mike Johnson在其知名的Stanford大學博士論文("Superscalar Microprocessor Design"，日後在1991年由Prentice Hall出版成書，成為在超純量管線技術領域中的首本專書)中提出的K86差不多。 後來NexGen因初代產品設計太過複雜，竟然變成「8顆晶片」的實作品，只能放棄，等待486等級的第二代產品：代號F86的Nx586。Nx586並非超純量管線架構，但卻也是x86世界首款非循序指令執行(OOOE，Out-Of-Order Execution)與預測執行(Speculative Execution)的處理器，光憑這點，就足以在計算機工業史上流芳百世。
雖然1994年3月上市的Nx586看似「超級先進的486處理器」，但除了極度開創性的處理器微架構，靠著先進的快取記憶體，效能卻能夠對抗Intel的早期Pentium。
首先，Nx586採用自家定義的NexBus匯流排，不相容Intel處理器腳位，且提供了類似Intel Pentium Pro的DIB(Dual Independent Bus)、讓L2快取直接處理器核心的專用匯流排，無須耗費系統匯流排頻寬才可存取L2快取，更利於拉抬L2快取時脈(處理器的一半)，大幅提昇效率。 其次，讓人更感到極度驚奇的是：Nx586的L1快取運作時脈，竟然是處理器的「2倍」，1個時脈週期內可進行2次存取，「多出來的那次」就用來跟L2快取互通有無，或著用來進行快取資料一致性協議的窺探(Snoop)。下款「2倍時脈L1快取」的x86處理器，就是Intel 90nm製程Pentium 4「Prescott」，相隔整整10年。
假若要說Nx586最像486的地方，恐怕就是「並未內建浮點運算器」這件事了。早期Nx586須外掛1顆Nx586浮點輔助運算器。專用的界面加上L2快取匯流排，讓Nx586的處理器腳位數(463)遠多於Pentium(296)，這也增加了晶片封裝和主機板的製造成本。 除此之外，Nx586也需要專屬的系統晶片組與相對應的主機板，不僅變相提高了行銷推廣的門檻，也拉高了潛在的技術風險，像NexGen自行開發支援PCI的NxPCI晶片組，過程就不太順利，延期整整1年，這也埋下了NexGen被AMD併購後，決定讓Nx686相容Pentium腳位的種子。
在1995年11月，也就是貨真價實第六世代x86處理器Intel Pentium Pro登場之際，NexGen推出IBM 0.44µm製程、將Nx586和Nx587透過多晶片封裝「包」在一起的Nx586FP。
不過為時已晚，不但那時NexGen已被併購(所以之後AMD用5K86出貨給已經下單購買Nx586的客戶)，在1995年10月10日，NexGen更公開了後繼者Nx686的工程樣品，奠定了AMD K6的技術基礎。但AMD K6之所以能獲得重大成功，也並非因單純併購NexGen而功德圓滿，這就留待下篇Nx686再與各位科科分享。
硬科技：20世紀末的x86神風特攻隊NexGen Nx586/Nx686 (下)
by 痴漢水球 2020.08.22 03:00PM
我們在NexGen Nx586看到了不少領先時代的概念，也得知讓AMD在x86處理器市場站穩腳跟的K6處理器，實際上是源自於Nx686的產物。但在Nx586上市後1年半就出現工程樣品的Nx686，並非完全等同於AMD K6。此外，AMD K6之所以能夠成功，也是兼備天時、地利、人和，才能功德圓滿。從AMD K6的故事，各位科科很快就能快速理解，AMD可以擁有和Intel分庭抗禮的地位，絕對不是偶然的。 還沒看上集先來看這篇：20世紀末的x86神風特攻隊NexGen Nx586/Nx686 (上) 天時：NexGen剛剛好就有個現成的優秀產品設計擺在AMD眼前，AMD不趁機買下NexGen解決燃眉之急，並藉此成立第2個x86處理器研發團隊，建立起2個團隊交互負責不同世代產品的研發體系，就太對不起自己了。 地利：AMD在德州奧斯丁建造的新晶圓廠Fab 27剛剛落成，其代號CS-34的0.30µm製程也是當時的一時之選，AMD很急著想要有新產品去塞滿新廠的產能。 人和：「Pentium之父」Vinod Dham (也是印度人)曾在Intel執掌Pentium設計團隊領導者與事業單位總經理，在1995年跳槽到NexGen接任營運長。在AMD併購NexGen後，基於Nx586因專屬匯流排和系統晶片組而難以推廣的教訓，推動Nx686修改原案設計，取消NexBus和L2快取記憶體專用匯流排，使其相容Intel Socket 7(P54C)腳位。他本人也在AMD內部，擔任計算產品事業群副總裁，掌管K6與K7的相關計畫。先前的NexGen研發團隊也沒有解體，繼續執行K6的後繼衍生改良案。 Nx586、Nx686和AMD K6的主要差異，1張比較表勝過千言萬語。
總之，AMD並未照單全收Nx686，而是針對製造成本、效能瓶頸和行銷需求，做出不少調整與改進，其中最具影響者，莫過於相同Pentium主機板的決策，避免重蹈Nx586覆轍。AMD為此犧牲的L2快取「專用通道」，則是到了1999年2月22日上市的K6-III才補完，但這代價看來是值得的。更重要的是，即使AMD K6的整體技術水準仍不及Intel P6家族(Pentium Pro、Pentium II、Pentium III)，但對付其他競爭者，完全綽綽有餘。
接著就是常跑光華商場的科科們爾孰能詳的回憶：AMD在1997年11月，在台灣正式推出盒裝版K6，在零售市場大受歡迎。1998年5月28日，AMD發表支援3DNow!的K6-2。在個人電腦年度出貨量到達1億大關的1998年，AMD只用3季就賣出了1300萬顆K6-2，相當於13%全球市占率(這還沒算入前面K6的銷售量)，Cyrix和其他x86神風特攻隊全部被AMD活活打趴在地上，確立後來超過20年的「x86雙雄」局面。 爬文至此，各位科科大概內心也多少能夠理解AMD為何能夠在眾多Intel競爭者中脫穎而出。俗語說的好，他山之石可以攻錯，至於在1999年先後併購Cyrix和Centaur的某間台灣公司，到今天還是看不到AMD的車尾燈，也就好像不讓人感到任何一絲一毫的意外了。科科科科科。
硬科技：豆知識 CISC和RISC的差別究竟在哪裡？
by 痴漢水球 2022.07.01 11:51AM
源自於日文的「豆知識」是一種生活中少見的知識，一種另類的知識。可有可無，知道就好，不知道也無所謂。 關於RISC (精簡指令集電腦) 和CISC (複雜指令集電腦) 的差異與比較，原本隨著80x86統治大半個資料中心與個人電腦領域而不再被世人所重視 (IBM大型主機：請不要忘了我啊)，但又因為ARM的崛起與RISC-V的興起，在近年來再度吹皺了一池春水，彷彿RISC指令集好像是橫空出世的偉大發明。 不過，即使不同的指令集架構都奠基於不同的時空背景，但人類依舊希望一套指令集能夠長期發展並易於實作節能省電的高效能微架構，也因此，近代新型指令集架構，無一不依循RISC的設計概念，像x86這種「毫無道理可尋」的東西，也很難再度出現第二個榜樣。 硬科技：一個科科眼中的RISC-V 硬科技：簡報王與他們的產地 NVIDIA RISC-V處理器 是先有RISC還是先有CISC？ RISC一詞是源自於加州大學柏克萊分校的David Patterson教授的著名的論文 "The Case for Reduced Instruction Set Computer" (1980年)，所以才「衍生」了CISC這個對照用的名詞。在此之前，大多數的電腦都還是CISC，但RISC的諸多概念，卻也早已出現在1965年的CDC6600與1975年的IBM 801計畫，後者更被公認是RISC的真正起源，只是沒有特別創造這個名詞。 為何早期的電腦會是CISC？難道不一開始就RISC不好嗎？ 這讓筆者不得不想起「為何還要無線上綱，難道不能無線上網」的冷笑話。 主要在於商用電腦發展初期 (1950-1970年代)，記憶體容量可謂寸土寸金，高階語言編譯器的技術尚未成熟，大多數都是以組合語言撰寫程式，程式設計師希望可以用較少的指令去完成工作，但當時的電子工藝技術卻難以直接用硬體實做這些功能強大的指令。也因此，透過「微碼 (Microcode)」組成微程式 (Microprogram)、CPU再執行這一系列的微指令 (Microinstruction)，來實現功能複雜的指令，就成為當時的風潮。 RISC又是怎麼冒出頭的？ 在這裡先將技術名詞束之高閣，筆者用另一個角度檢視RISC的誕生：
- 電腦開始有普及化和低價化的需求，勢必要設法降低成本，提高效能 (管線化、快取記憶體等等)，並且縮短產品開發的時間。
- 記憶體容量漸漸充裕。
- 高階語言編譯器逐漸成熟，而越來越多人發現其實他們最常用的指令都很簡單。
結論就是：
- CPU只需要提供高階語言編譯器最常用的簡單指令即可。
- 盡量不使用微碼實作指令。
- CPU和記憶體的速度差距正在拉大，為了減少影響，RISC使用大量資料暫存器，除了載入 (Load) 回存 (Store) 指令外，其他指令都只能使用暫存器作為運算元。
- 三運算元格式 (C = A + B)，提高暫存器的使用效率。過往的雙運算元格式 (A = A + B) 會有破壞一個運算元原本資料的問題，需事先複製到另一個運算元 (如其面的A)。
RISC是否保證一定就是低功耗？ 只要微架構複雜到一個程度，功耗自然就很難低下來。就筆者的個人觀點，ACPI的問世就象徵著作業系統對於電源管理的舉足輕重性，要做到極致的省電，最好作業系統和硬體架構都出自於同一間廠商，而我們已經在Apple M1和M2看到類似的成果，但這招其他廠商也學不來。 RISC真正的價值？ 就商業角度就是 “Time To Market”，縮短產品開發時程並快速應對市場需求，這也是動不動開發期三年五年的x86陣營所作不到的。 「可同時執行一個以上指令」的商用超純量 (SuperScalar) 處理器，難道是IBM Power (1990年)？ 其實不是，Motorola 88100 (1988年)、Intel i960CA (1989年)、AMD AM29050 (1990年) 這三顆更早，更有趣的是，這三間廠商原本都是做CISC處理器起家。 如果我們把眼光放遠，不限於西方世界，1970年代的蘇聯Elbrus-1超級電腦，就同時具備超純量、非循序執行與預測執行等特色，比美國早了十幾年。 硬科技：20世紀末的x86神風特攻隊Elbrus E2K 近代x86處理器都透過微指令轉譯實作更高效率的微架構，這有解決x86的宿疾嗎？ 硬科技：為何Intel的競爭者都要如此辛苦 硬科技：為何Intel的競爭者還是如此辛苦？ 當然沒有，x86指令集的複雜性還是擺在那邊，況且這種作法的根本目的，也是類似RISC的精神「盡其所能加速最常用到的簡單指令」，各位科科只要長期觀察不同世代x86處理器的指令延遲 (Latency) 與輸出率 (Throughput)，大概就知道筆者想表達的意思了。在今天還在用CMOV？還不如對賭越來越準的分支預測還比較實際。科科
