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漫談64位元處理器的市場發展
 

【作者: 陳隱志】   2002年09月05日 星期四

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前言

64位元處理器並非是新消息,早在1992年迪吉多(Digital Equipment Co;DEC)便提出64位元運算架構的Alpha晶片,堪稱全球第一顆64bit CPU,不過最近64位元處理器再度成為熱門話題,主因在於今(2002)年的Computex Taipei國際電腦展上,Intel、AMD等以往在32位元領域較勁的業者,紛紛預告了今年下半年的64位元產品藍圖,Intel除了原有於2000年推出的第一顆IA-64架構晶片:Itanium(原研發代號:Merced)後,今年七月份也推出接替產品:Itanium 2(原研發代號:McKinley),同樣的AMD預告已久K8、Hammer、SleidgeHammer/ClawHammer,也正式命名為Opteron,並於Computex展場上有靜態的展示。為了瞭解64bit晶片會有如何的消長發展,且讓我們逐一探討各類64bit晶片的過往與現況。


《圖一 Intel Itanium 2(McKinley)晶片圖(Sorce:HP網站)》
《圖一 Intel Itanium 2(McKinley)晶片圖(Sorce:HP網站)》

Compaq/DEC Alpha 21x64晶片

64bit的Alpha晶片,是DEC為了接替該公司原有32bit的VAX電腦所設計,VAX電腦在當初也屬相當前瞻的32bit電腦系統設計,使用MIPS的處理晶片,而MIPS(荷商美普思科技)於1991年與Compaq康柏、Microsoft微軟、SGI視算、DEC迪吉多等重量級廠商合組先進運算環境(Advanced Computing Environment;ACE)聯盟,此策略主要是MIPS針對打擊Intel CISC CPU所提出,但後來效用不大,也因此DEC決定以當時32bit的MIPS晶片為基礎,開發自家用的64bit Alpha晶片。


Alpha晶片主要有21064、21164、21264等型號演進,在1996年前後DEC將以21164、21264為基礎衍生出21164PC、21264PC,鎖定的對手即是Intel的Pentium、Pentium Pro/II,策略上是要讓21164PC、21264PC的時脈為Pentium、Pentium Pro/II的2倍,但價格相同,以價格相同下之時脈效能優勢與Intel對抗,然而此策略對Intel CPU的影響亦有限,之後到了1998年,DEC便被Compaq以96億美元併購,自此Alpha晶片成為Compaq的產品,


既然Alpha晶片最初的設計用意是接替VAX電腦用的MIPS晶片,因此自然能執行VAX電腦用的VMS/OpenVMS作業系統,此外UNIX、Windows等開放式作業系統盛行,因此Alpha晶片也支援DEC UNIX與Windows NT,而在Compaq併購DEC後,DEC UNIX強化成Tru64 UNIX,Windows NT則在Compaq考量評估下,決定放棄Alpha的Windows(至NT v4.0版)支援,由Intel CPU持續提供Windows作業系統方案,讓Alpha晶片專注於OpenVMS與UNIX的支援,除此之外,近年來盛行的Linux,也同樣有Alpha版本。


Compaq併購DEC取得Alpha晶片,以及取得Alpha工作站、伺服器等的用意,是希望開拓高階企業解決方案的資訊服務業務,用意雖佳,但實際執行卻事與願違,Compaq的Alpha業務拓展始終落後於同業的其他晶片或主機,在UNIX伺服器、工作站等領域其市佔率都低於IBM、SUN以及HP,因此目前Alpha晶片與系統已逐漸淡出主流商務市場,轉進科學領域運算的特殊利基市場。


由於Alpha系統與晶片逐漸式微,Compaq難以負擔後續更高階Alpha晶片的開發成本,已經於2001年決議將旗下150位Alpha晶片設計小組的成員移轉給Intel,並將Alpha晶片的架構特點、設計技術用於後續的Itanium家族晶片中。而Compaq則將持續強化手邊現有的Alpha晶片之效能,包括依照進度提升時脈、加大快取、加快與加寬匯流排等,預計提供銷售至2003、2004年,服務將提供至2007年,未來Compaq的高階電腦將由Alpha轉為使用Itanium/IA-64晶片,而這樣的策略不僅適用於Alpha,包括Compaq於1997年併購的Tandem電腦,其NonStop Himalaya專屬主機,也會由現有的MIPS晶片換用Itanium/IA-64晶片。


雖然Alpha晶片未來僅有數年光景,但Compaq仍持續提供升級方案給客戶,2002年5月Compaq公佈EV7代號的新Alpha晶片架構,新晶片的特點包括內建兩組RDRAM的記憶體控制器、1.5MB L2快取、晶片面積達400mm平方、使用0.18製程(韓國三星Samsung代工製造)、更後頭的EV79則會使用0.13um製程與SOI(矽絕緣)技術製造,並將晶片面積降至300mm平方。


EV7預計推出後的型號為21364,最多可以連結128顆CPU,每顆最高記憶體定址達32GB,時脈可至1.2GHz,約2003/2004年推出,此應是Compaq所提出之末代Alpha晶片。(註1)


SGI MIPS R1x000晶片

由史丹佛大學研究出的MIPS晶片架構,堪稱是RISC晶片的經典教材,後來的研究人員走出校園創立MIPS,以販售晶片技術為業,之後被SGI視算科技所併購。


MIPS晶片最初為32bit,當時即被各類電腦與資訊系統所採用,時至今日仍有許多嵌入式系統、IA產品都採用MIPS晶片,目前MIPS的處理核心,與英國ARM安謀的ARM處理核心,並列兩大晶片技術的提供業者。


MIPS晶片的初期演進有R3000、R4000、R4400、R8000等,而64bit架構的MIPS晶片:R10000也於1995年推出,後續演進推出的還有R12000、R14000等,而MIPS的未來展望中也已經將R16000、R18000等納入規劃,不過與其他64bit處理晶片相比,無論架構與時脈技術上,都已經有明顯的落後差距,當今日IBM Power4晶片已達1.3GHz、SUN UltraSPARC-III已達1.05GHz、Alpha 21264C已達1GHz、HP PA-8700達750MHz的同時,MIPS R14000僅有600MHz。


也因為MIPS晶片逐漸失去效能優勢,因此採用MIPS晶片的業者也開始另覓出路,前面已經提過Compaq併購的Tandem,其NonStop Himalaya電腦將由現有R12000、R14000逐漸轉換成Itanium/IA-64晶片,而使用MIPS最多的SGI電腦,目前除以NUMA架構提供多處理器的科學運算系統外,未來也將轉用Itanium/IA-64晶片。


因此就現在來看,MIPS晶片若無革命性的架構突破與改變,未來追上主流64bit晶片的機會並不大,即便是在32bit的嵌入式應用領域中,也受ARM、IBM Power等的強力競爭,所以MIPS雖然是資訊與其歷史教材中的經典,但未來不樂觀的發展卻令人相當惋惜。


最後若就高階的工作站、伺服主機應用來看MIPS晶片,MIPS主要是支援SGI自家的IRIX作業系統(該公司的UNIX),而Linux也同樣在支援之列。


IBM Power晶片

IBM Power晶片是自1990年便開始研究的架構,也是IBM RS/6000工作站(註2)、伺服器的源頭,其最轟動的過去便是1991年Power-2架構提出後,IBM、Motorola、Apple等合組PowerPC聯盟,與當年MIPS的ACE聯盟頗有分庭抗禮之勢。


1992年,IBM/Motorola提出PowerPC-601,後續還有PowerPC-602/603/603e/604/604e等,但這些皆為32bit RISC晶片,其中Apple用PowerPC接替原Motorola的68K CISC晶片(如68030、68040)外,IBM也使用自己設計、生產的Power晶片,作為RS/6000電腦的運算核心,而支援的作業系統方面,Apple主要為Mac OS,IBM則為自家的UNIX作業系統:AIX,雖然PowerPC曾經支援過Windows NT,但後來仍是放棄支援,僅支援Windows NT v3.51,到了Windows NT v4.0即放棄,而近年來盛行的Linux,也有PowerPC版本。


由於Apple的產品持續停留在桌上個人電腦、筆記型電腦、媒體設計工作站等領域,近日才初步跨入伺服器,因此沒有使用較高階的64bit Power晶片,此方面多半為IBM使用,如今不僅是RS/6000,包括IBM大型主機的S/390、專屬系統/迷你電腦的AS/400等都普遍使用Power晶片,64bit版的Power晶片自POWER3開始,之後有POWER3-II、POWER4,目前最高階的即是POWER4,時脈達1.3GHz(Turbo版),也採用SOI、Copper、MCM等先進半導體設計、製造、封裝技術而成,此類技術也是Intel、AMD、Sun、HP等同業競相模仿的地方。


根據瞭解,IBM已經將POWER5、POWER6晶片納入研發進度,研發小組的成員與初步規格都已經確立,其中POWER5將採行與Intel Xeon MP晶片類似的HyperThreatingxxx(超執行緒)技術,並且將具有一種稱為「快速路徑」的加速架構,此外更會將以往eLiza專案研究中的自動偵測錯誤、自動修正錯誤技術納入,以及將作業系統常用的軟體常式服務(如網路傳輸的資料封包編製)以硬體電路方式實現。至於POWER6,更會將高階的企業級軟體功能(如Oracle資料庫、IBM應用伺服器WebSphere等)以硬體電路型式呈現。


HP PA-RISC晶片

HP的PA-RISC晶片架構早在1986年即出現(原IBM 801計畫之研發團隊),初期為32bit RISC架構,後亦演進為64bit架構(1997年的PA-8000型),而PA-RISC的「PA」字樣為「Precision Architecture;精準架構」之意。


PA-RISC晶片主要應用於HP自家的UNIX工作站、UNIX伺服器,所支援的作業系統即是HP自家的UNIX:HP-UX,而64bit的PA-RISC從PA-8000型晶片開始後,一路又有PA-8200、PA-8500、PA-8600以及PA-8700,目前最新的PA-8700自去(2001)年開始全面汰換PA-8600,最高時脈為750MHz。


《圖二 HP PA-8700晶片圖(Sorce:HP網站)》
《圖二 HP PA-8700晶片圖(Sorce:HP網站)》

由於HP與Intel早在1994年便開始合作,希望能開發一顆同時相容HP PA-RISC與Intel x86的新系列統合型晶片,此即是後來2000年推出的Itanium,因此HP對於既有PA-RISC晶片的後續研發投資心力,也有部分受Itanium影響而降低,原本計畫在PA-8500之後將轉移至Itanium,但由於Itanium晶片的進度不斷落後,使得HP不得不持續維護原有的PA-RISC系列,除PA-8500外後續又有PA-8600、PA-8700,也由於Itanium雖已正式發表但接受與成熟度仍不足,因此HP在PA-RISC上的備胎晶片還有兩顆仍在產品展望規劃中,即是PA-8800(研發代號:Mako)以及PA-8900之後將視Itanium家族晶片之進展,再行轉移或保持。


據了解(HP 2001年10月16日的網站文件),PA-8800將會仿效IBM POWER4,採用「雙CPU電路整合於單一裸晶上」的設計方式,將原有PA-8700的CPU兩顆整合為一,並持續保有各768KB程式與768KB資料的L1快取,以及晶片外連接32MB DRAM L2快取,預計使用0.13um、SOI(矽絕緣)、Copper(銅導線)、Low-K(低電介質)等先進半導體技術,電晶體使用數將達3000萬,邏輯閘達250萬,晶片面積23.6x15.5mm,時脈1GHz以上。


《圖三 HP IA-32、IA-64、PA-RISC架構發展藍圖(Sorce:HP網站)》
《圖三 HP IA-32、IA-64、PA-RISC架構發展藍圖(Sorce:HP網站)》

SUN UltraSPARC晶片

SUN早期在80年代的主業務為工作站之設計、製造、銷售,當時以Motorola的CPU為主,之後才轉入自行研發RISC CPU的路線,並稱為SPARC(Scalable Processor ARChitecture)晶片,其技術設計源自柏克萊(Berkeley)大學的RISC-1、RISC-2晶片架構。


SPARC晶片初期為32bit,第一顆SPARC晶片出現於1987年,之後接替晶片SuperSPARC於1993年發表,但市場反應並不佳,直至Sun於1995、96推出64bit架構的UltraSPARC(也稱為SPARC V9架構),才又漸入佳境,自SPARC、UltraSPARC的成功後,1997年Sun又推出第二代的64bit晶片:UltraSPARC-II以及其衍生晶片:UltraSPARC-IIi、UltraSPARC-IIe,專攻特殊應用領域市場之用,而最新的第三代UltraSPARC-III,以及以銅導線製程製造的UltraSPARC-III Cu,也於去(2001)年正式發表,衍生的UltraSPARC-IIIi也已推出。


UltraSPARC-III初期仍使用傳統的鋁製程,最高時脈為750MHz,為往上突破時脈,採用銅製程,目前達950MHz與1050MHz,預計時脈仍會持續推升,最高可能至1.8GHz,直至UltraSPARC-IV接手為止,而Sun未來的計畫除UltraSPARC-IV外,UltraSPARC-V也在規劃之列。


不過SUN對未來的晶片技術細節透露不多,目前所知,UltraSPARC-IV將採用類似IBM POWER4、HP Mako類似的雙CPU整合製造技術,以及採行與Intel Itanium、Transmeta Crusoe類似的VLIW(Very Large Instruction Words)運算架構,且此架構可相容執行既有已使用十多年的SPARC軟體程式,不需要系統轉移或模擬執行,SPARC晶片主要是執行Sun自家的UNIX作業系統:Solaris,但目前也有SPARC版的Linux可以使用。


Intel IPF/IA-64晶片

Intel一脈相承的CISC/x86晶片32bit架構已逐漸至瓶頸,為跨入64bit架構,特別於1994年與HP技術合作,希望能100%硬體相容執行HP PA-RISC系統與Intel x86/IA-32系統之程式,不過事與願違,Itanium正式發表後,不能100%相容執行PA-RISC的HP-UX 11i v1.5作業系統,是以模擬程式(Emulator)方式模擬執行,效能有相當幅度的折損,而新版針對Itanium所推出的HP-UX 11i v1.6才能真正原生(Native)執行。


至於Itanium相容執行現有x86程式,根據文件說明,是可以100%硬體相容執行,但由於Itanium採行EPIC(其實即是VLIW)運算架構,使其無法以超序(Out-Of-Order)方式執行原有x86/IA-32程式,因此雖可執行但效能低落,程式雖原生執行但與無相容之模擬執行無異。


Itanium依據Intel與HP的合作規劃有3顆M開頭的主軸晶片,即是Merced(Itanium)、McKinley(Itanium 2)、Madison(尚未正式命名)、旁系將有以Madison為基礎的低價晶片(Deerfield),針對工作站或高階桌上電腦而設計,HP已將大部分的PA-RISC晶片設計小組(約90人)轉移給Intel,Compaq也將整個Alpha晶片設計小組(約150人)轉移給Intel,未來Alpha、PA-RISC系統將逐漸轉用Itanium是可想而知的,包括SGI亦是,而Alpha設計小組預計將在Madison之後加入參與新Itanium之研發行列,目前已有兩顆新Itanium家族晶片將是由Alpha小組規劃。


最後Itanium可支援的作業系統相當廣泛,包括Microsoft Windows XP 64bit Edition、Novel Natware新版、HP HP-UX 11i v1.5/1.6、IBM AIX 5L、及Red Hat/SuSE/Caldera/Turbo Linux。


AMD Hammer/Opteron晶片

AMD的64bit晶片傳聞已久,在K7、Athlon發表初期便有風聲,當時的研發代號為K8,後改為Hammer,之後又以等級差異分成低階的ClawHammer與高階的SleidgeHammer,並以ClawHammer先推出,正式名稱為Opteron,預計1GHz以上時脈。


有別於Intel的EPIC/IA-64架構,AMD的64bit架構稱為x86-64,與Intel最大的差異在於強調原有IA-32/x86程式、軟體之效能相容,並以此為基礎往上提供64bit位元運算能力,其晶片運算架構的變革沒有Intel EPIC/IA-64劇烈。


AMD一直以相容Wintel為主路線,因此新的64bit晶片受Microsoft Windows作業系統的支援相當重要,不過初期Microsoft僅願意支援Intel EPIC/IA-64架構,對AMD x86-64架構不感興趣,但在Intel Itanium晶片遲無起色,以及Linux陣營一致支持x86-64的情況下,支持態度也已經軟化,事實上Intel亦有備案,若EPIC/IA-64再無市場起色,將推出與AMD x86-64架構理念相同的YamHill、PreScott晶片,但目前Intel不願多透露此兩款路線修正晶片的相關規格細節。


結論

在傳統32bit、CISC發展已久的業者,如今將運算架構革新與強化,進入64bit的晶片市場,然而原有64bit、RISC晶片/系統業者,如Compaq/DEC的Alpha晶片、SGI的MIPS晶片、HP的PA-RISC晶片以及SUN的SPARC晶片等,都不會坐視Intel、AMD的舉動而不聞不問,對此也紛紛強化現有晶片的製程、時脈,甚至提前公佈晶片產品的發展藍圖(roadmap),由此可知,下半年將會是64bit晶片新市場版圖爭奪的先發戰。


〈註解:註1:Compaq與HP於2001年9月提出合併,並於2002年5月確定正式合併,但本文仍暫以未合併前的方式進行描述、說明。


註2:IBM RS/6000中的「RS」字樣,其意為「RISC System」。〉


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