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曾领先美国13年!突破封锁/禁运,前苏联/俄罗斯的CPU自研之路!

2020-05-12 13:06:07 来源:EETOP整理自technews

本文将带你了解:

 前苏联计算机工业象征的Elbrus电脑系列

 Elbrus崛起路上的两位重量级大人物

 1999年初倍受争议的《俄罗斯人来了》

 充满俄国式暴力美学的Elbrus 2000

 高性能能处理器的研制能力仍为国家安全的重中之重
 

2019年,俄罗斯制「Elbrus」处理器执行游戏《上古卷轴III》画面在网路曝光,提醒世人,俄罗斯并未放弃将处理器视为核心技术、企图掌握自主研发能量的努力。

注:Elbrus为高加索山脉主峰,为欧洲最高峰,中文翻译:厄尔布鲁士峰

这30年来,坊间也一直不缺「很少有人知道,Intel的Pentium和Itanium处理器,在世界上最著名的技术源头,其实来自于苏联的超级电脑与优秀工程师」之类的乡野谣传。

6080yy电影在线看从1947年到1991年的冷战,世界分成两大阵营,在这将长达近半世纪的时间内,前苏联也建立起和西方世界分厅抗拒的计算机工业技术体系。回顾历史,不可否认,前苏联在计算机技术的发展中,取得相当重要的成就。

6080yy电影在线看各位想想看,苏联早在1957年就发射人类第一颗太空卫星,震撼了整个西方世界,1965年更创下人类史上第一次的太空漫步,看在庞大的国家核心重工业份上,加上航空航天和核能等琳琅满目的先进科技研究,难道苏联的科学家都非得自己用纸笔,去算那些有字天书般的数学方程式吗?无论如何,苏联非得自行打造高效能电脑,以满足尖端科技的计算需求不可。(EETOP编辑)

早从1948年,苏联就建造了用于研发弹道与火箭的MESM(Malaya Elektronno-Schetnaya Mashina,虽然以今天观点来看可是一点都不小的「小型电子计算机」),1950到1960年代,再由5,000个真空管组成的BESM(Bolshaya Elektronno-Schetnaya Mashina)系列接替。

6080yy电影在线看BESM系列相当长寿,做为末代机种的BESM-6,从1968年到1987年,总计生产了多达355台,在1992年才陆续被技术领先好几代的Elbrus-1K2取代。

至于一般民用的计算机产品,毕竟苏联在这段时期,在怎么说也是仅次于美国的世界第二大经济体,就算计算机技术着重在军工产业,也不代表苏联人民就没电脑和网路可用。但冷战结束后,直至今日,却仍然有不少人依然对此偏见深信不疑。

6080yy电影在线看在1980年代,苏联陆续仿照西方世界的产品,研制民用电脑与电子游戏机,像普及的DEC PDP-11 和Apple II 都成为苏联「借鉴」的对象。1984年,苏联大学与高等学术机构的数学和物理相关科系,普遍设置电脑教室。共产世界的网际网路服务和广域无线通讯,也在1991年苏联解体前陆续实用化。

但整体看来,前苏联在电子工业和半导体6080yy电影在线看产业,远远落后于西方阵营和日本,一直是不争的事实,因为俄国人认为集成电路在核子战争的可靠度与抗干扰都不佳,走向了偏好小型化真空管的路线(但这不代表没在研发集成电路,只是投入优先权较低),从此被西方阵营按在地上摩擦了好几十年。

1976年9月6日,一架苏联空军的Mig-25突破日本防空网,迫降在日本北海道的函馆,向美国和日本投诚,当然马上被拆个一干二净,好好的研究一番。让西方世界大吃一惊的,除了苏联的最先进战斗机「竟然是钢做的(被戏称「飞得比飞弹还快的不锈钢」)」,再就是航电系统「还在用真空管」!(EETOP编辑)

论军用电子科技,过去约定俗成的「苏联落后西方十年」都还是太过客气的说法,直到Su-27战斗机,都还发生雷达严重过重,导致重新设计机体的状况。不过今日的音响爱好者,可能得多多感谢当年俄国人的错误决定,让他们还买得到便宜耐用的苏联军规真空管,听说还包括Mig-25专用的高档货色。

苏联解体后,俄罗斯继承了其计算机工业的主体,但也失去了国家的全力支持,人才大量外流,既有的技术研发团队也急着寻求资金投入,这也埋下了在1999年2月,做为苏联计算机工业象征的Elbrus,在《微处理器报导》(Microprocessor Report)的争议性亮相。

苏联计算机工业象征的Elbrus电脑系列

Elbrus(厄尔布鲁士峰)山位于俄罗斯西南部大高加索山脉,其海拔5,642公尺的最高峰,不仅是俄罗斯的最高点,更是欧洲第一高峰。俄国人以Elbrus命名苏联用来开发飞弹系统、核子武器和太空计划的超级电脑,可见地位之崇高与期待之殷切。

6080yy电影在线看时下关于计算机组织结构的主流历史与课堂上使用的教科书,清一色都是出自于西方世界(尤其是美国)的产物。几乎成立于1950到1960年代,做为苏联计算机工业象征的Elbrus电脑系列(现属于MCST,Moscow Center for SPARC Technologies,莫斯科SPARC技术中心),其产品历程堪称其缩影。

论「世界上第一个非循序指令执行的RISC处理器」,一般的制式答案是1990年的IBM Power1(限于浮点运算指令),或者1993年的IBM PowerPC 601。但在1978年完成的苏联Elbrus-1,就已经使用结合超标量、非循序执行与预测执行的RISC处理器了,领先美国人整整13年,这应该会颠覆很多人对前苏联计算机技术水准的刻板想像。(EETOP编辑)

讽刺的是,因俄国人「太早体验」超越时代的先进处理器架构,觉得这类硬件设计太过复杂,反而转向超长指令集架构(VLIW),企图将复杂度转嫁到软件,才催生了在1999年让众人瞠目结舌的Elbrus 2000。

Elbrus崛起路上的两位重量级大人物

在这里必须介绍被誉为「俄罗斯的克雷(Cray)」、苏联超级电脑之父Boris Babayan,出生于1933年,现已高龄87岁,从1950年代就历经苏联早期计算机与超级电脑的研发,担任Elbrus- 1 与Elbrus-2的副首席设计师,并负责超长指令集架构的Elbrus-3,和后继的Elbrus 2000(Elbrus-3的单芯片实作)与Elbrus90micro(Elbrus的SPARC v9 指令集相容处理器)。

苏联解体后,理所当然的,美国人一定对老对手的计算机技术深感兴趣。Boris Babayan 从1992年开始,在当年成立的MCST(Moscow Center of SPARC Technologies)与Sun一同研发UltraSPARC处理器6080yy电影在线看架构、操作系统(包含Solaris)、编译器与多媒体函式库,间接或直接的帮助了Sun的崛起。

据说,原本先找上门洽谈合作的是惠普(HP),那时HP和Intel正展开IA-64指令集与Itanium处理器6080yy电影在线看的研发,但Boris Babayan 早在1989年,就跟Sun创办人Scott McNealy 碰头了。

Boris Babayan 在2004年8月加入Intel,担任Intel莫斯科研发中心的微处理器研发主管,也成为第二位获得Intel院士(Fellow)头衔的欧洲人。此外,他也得到两项前苏联的最高荣誉,1974年在电脑辅助设计(CAD)的成就拿到「十月革命勋章」,1987年因Elbrus-2超级电脑取得「列宁勋章」,看起来很威。

此外,也值得一提Elbrus另一位重要人物Vladimir Pentkovski,1946年生,2012年逝世于美国,享年66岁。他也参与过Elbrus-1与Elbrus-2超级电脑的研发,并领导高级程序语言El-76的开发。在1986年,他带领从事32位El-90微处理器的研制,1987年设计完成,1990年样品问世,基于El-90的El-91C则随着苏联解体而无疾而终。坊间对El-90的普遍评价是「很像稍晚出现的Intel Pentium」,江湖也流传着Pentium此名,其实源自于Vladimir Pentkovski 的传说。

Vladimir Pentkovski 在1990年代初期移民到美国,1993年进入Intel并晋升为首席工程师,主导Pentium III 的架构(重点在于新增128位元SIMD的SSE指令集,以及为此改善微架构),后来他也长眠于Pentium III 研发工作主要所在地的加州Folsom。无独有偶,Intel下一个「升级现有处理器的制程,并趁机增加大量新指令」的45nm制程Core 2「Penryn」(SSE4指令集),也是在此地诞生。也许Intel在这里的团队,对这件事颇具心得,或本来就专精于此。

6080yy电影在线看各位或多或少应能察觉到:冷战结束后,在某些科技领域,美国逐步拉开与俄国的差距,前苏联人才大量外流,很可能是举足轻重的因素。

6080yy电影在线看总之,Elbrus以超级电脑起家,其深远影响也就原封不动的呈现在Elbrus 2000 的特色上,让世人见识到俄国人独特的思考逻辑与行事风格。

1999年初倍受争议的《俄罗斯人来了》

在1999年2月,【微处理器报导】发表了《The Russians Are Coming》一文,深入介绍当时尚无实品,仍处于VerilogRTL语言阶段的Elbrus 2000 处理器

这篇看似平凡的报导,之所以引起争议和质疑,有3个主因:

俄国人摆明借此来找肯掏钱的金主:Boris Babayan在英属开曼群岛,成立了号称拥有366名成员研发团队的Elbrus International,宣称他们没有足够的资金购置EDA工具,需要6,000万美元和3年时间,才能完成设计。然后将Verilog语言落实成真正的处理器产品,光要做出嵌入式应用的缩水版E2K处理器6080yy电影在线看,就开价500万到1,000万美元的经费。换言之,要做好做满完整的产品规格,开销只会更高。

极度不可思议的超高效能、超小芯片面积与超低功耗:假设Elbrus团队宣称的效能为真,那将是当时的王者Alpha 21264(EV68)的2.5到3倍,而且耗电量竟然只有一半,晶体管数量也才2800万。天知道前苏联到底藏了哪些不为人知的「黑科技」,但这也太夸张了,怎么看都不像是真的。

6080yy电影在线看看完这张比较表后,各位大概也不难理解,为何Intel和HP携手合作的Itanium会出师不利了,并且被前苏联的VLIW专家,视为很好殴打的沙包,在宣传文件与技术白皮书,紧紧的抓着Itanium穷追猛打。

6080yy电影在线看透过二进制动态编译的软件手段件容x86指令集:这让人不得不第一时间联想到Transmeta。事实上,TransmetaCEO兼共同创办人Dave Ditzel,在Sun任职期间,于1992年到1995年,还真的跟Elbrus团队共事过。但在1999年,经由软件途径相容x86的效率,并未获得充分的实证,更让Elbrus团队宣示的惊异效能,充满了满满的问号。

在1999年,笔者还只是躲在学生宿舍熬夜上网混日子的文组大学生,没事闲晃Micro Design Resources(主办微处理器论坛与出版微处理器报导的公司)的网站,寻找计算机结构课程作业要用到的资料。一翻到这篇《The Russians Are Coming》 ,看完之后,除了满脸黑直线,就无法有其他的生理反应了,更没料到事隔多年,他们还真的做出如假包换的实际产品。

充满俄国式暴力美学的Elbrus 2000

研发超级电脑长达数十年,「追求极致的平行化」是Elbrus的基因,所以这些俄国人对于VLIW的看法也极度的独树一帜,让起源于Elbrus-3超级电脑的Elbrus 2000(E2K)看起来就不太像西方人会想出来的玩意。

从VLIW变成「VLI-CIS」:标准的VLIW处理器,假如编译器能力不足,将会导致指令包内塞NOP(什么都不做的No-Operation),浪费执行单元、记忆体空间与频宽,并降低执行效能。俄国人索性就让E2K变成像CISC一样可变指令长度的VLIW,想跑什么就放什么,一丝一毫都不会浪费。

有趣的是,同样在1999年面世的Sun MAJC(Microprocessor Architecture for Java Computing,发音是Magic)处理器6080yy电影在线看,也是可变指令长度的VLIW「指令封包」,有鉴于Elbrus团队与Sun的合作经历,说这只是单纯的巧合,大概也没人会信吧。但MAJC被Sun用来打造XVR-1000和XVR-4000工作站专业绘图卡,却让人感到有些意外。

E2K单一指令包长度,从1到15个32位指令,加上标示后面整排指令的排序与行为的32位标头(Header),介于64位到512位。相较于E2K,仅仅3个41位元指令加上5位元指令排序码的Intel IA-64(Itanium处理器)简直小巫见大巫。而IA-64也曾是E2K预定「相容」的指令集之一,不限x86。

然后标头长达32位,可存放更多的资讯,不只标定指令长度,更可定义复杂的运算行为,协助编译器进行更积极的最佳化,实现更有效率的静态指令排程。

一个VLIW指令包只有3个指令的IA-64,容易因多路指令排程浪费指令包空间,造成管线气泡(Pipeline Bubble)。

相较之下,E2K单一VLIW指令包可吃1到15个指令,弹性就大多了,也具备减少呼叫副程式资料传输量的暂存器框格(Register Window),更额外配置了阵列资料预先撷取缓冲区(Array Prefetch Buffer,APB),以便于执行超级电脑常见的回圈重叠(Loop Overlapping)。

Elbrus团队号称E2K理论上可个别做到单一时钟周期14个整数运算、或16个浮点运算、或当回圈重叠时24个浮点运算,光靠帐面上的数字就活活吓死人。

双核心化的数据Cache和暂存器:VLIW处理器6080yy电影在线看内部也需相匹配的宽敞执行单元,因应超长的指令包。E2K的6个整数逻辑运算单元(不含除法)、4个浮点运算单元(加法和乘法)、4个载入回存单元、3个引述(Predicate)单元、2个MMX加法/减法单元、2个MMX乘法/搬移单元、1个整数浮点除法单元(位于ALC5)、1个分支处理单元,分散在6个执行单元(ALC 0到ALC 5)区块。

但E2K的暂存器档案由256个64位元所组成,整数和浮点共用(意谓80位元延伸双倍精确度浮点数或128位元SIMD需动用两个暂存器),如果这么多的运算,要同时存取同一块暂存器档案与资料快取记忆体,势必拉长关键电路路径与存取延迟,更别提资源冲突了。

面对这个问题,俄国人索性放了两块内容同步的暂存器档案(Register File,RF)和L1 Data Cache(L1D),分而治之,乍看之下还以为看到了AMD推土机家族的丛集多执行绪双核。此外,暂存器档案的存取接口埠,更是骇人听闻的「20读取,10写入」。

采用如此暴力的高成本手段,解除潜在的效能瓶颈,的确非常的「俄式风格」,极度的「超级电脑」,也难怪当时根本没人相信,在相近的半导体制程,E2K芯片能够做的跟Alpha 21264 一样小。更何况,这票俄国人对当代的先进半导体制程,也是欠缺经验,预估的2800万晶体管数量,实在是彻头彻尾的乐观过头。

6080yy电影在线看E2K倒是有个符合「军事等级安全性」而承袭自Elbrus列祖列宗的特殊技能:每一笔32位元数据都附上2位元标签,近似于x86指令集分页表中的禁止执行位元(NX Bits),但更加坚壁清野,据称能让E2K可硬件进行动态型别检查(Dynamic Type Checking),有助于保护软件运行环境不受不必要的更改和篡改,提升系统安全性。这让人看起来一头雾水的功能,其真实效果和真正作用,恐怕只有前苏联红军和俄罗斯国防军才会知道了。

预先准备分支目标指令:为了缩短分支代价,减少撷取分支目标指令的时脉周期,E2K提供了同时最多可执行3个的「分支目标准备」(Branch Preparation)指令,编译器可将其放在分支之前,从指令快Cache预先获取分支指令的目标。E2K的指令快取的「暴力度」亦不遑多让,可同时送出多达4个512位元最长指令包(总长度2048位元),也充满了超级电脑的色彩。

另外,E2K亦具有VLIW指令集常见的引述执行(Predicated Execution)机制,当可在分支发生之前,确认分支条件的结果,编译器即可使用引述码取代分支,来控制指令执行流程。

但假若碰到引述执行无法应付的场合,像分支发生时,来不及确定分支条件结果的话,可选择性的启动「双向预测执行」,彻底挥霍执行单元,两边指令流一起跑。当分支条件尘埃落定,不论是否执行完毕,仅保留正确的那一边。不愧是俄国人,有够土豪。

动态二进位码编译实现x86指令集相容性:E2K并非原生x86处理器,类似系出同源的Transmeta,需藉由动态二进位码编译技术相容x86程式码,必然带来转译过程的效能折损,但也蕴含了对应未来新增x86指令的弹性。按照Elbrus团队的原始计画,E2K将同时支援x86与IA-64,但后者已被Intel宣告死亡,被x86-64取而代之,也就没进展下去的必要。

理想与现实的差距究竟有多大

E2K迟至2005年才以0.13um制程晶片粉墨登场,即使耗电量仅6W,第一阶数据快取容量从8kB激增到64kB,但时钟频率却从1.2GHz大幅缩水到300MHz(那时Intel Pentium 4已进逼4GHz大关),晶体管数量从1999年的2800万爆增到7580万,证明当年外界的诸多质疑并非空穴来风,昔日「0.18um制程时126 mm² 晶片面积」会超标多少,就死无对证了。

虽然MCST持续增加E2K核心数量,也不间断的微幅改进核心架构,一路将Elbrus处理器推进到16核心(硬件动态指令排程、主频2GHz、整合南桥晶片组、60亿晶体管、台积电16nm制程、晶片面积400 mm²、功耗100W、2021年量产),但光从历代产品的制程和芯片面积,就足以断定Elbrus对上同期Intel与AMD的产品,俄国人的「x86相容处理器6080yy电影在线看」毫无竞争优势,丝毫占不了便宜。

高效能处理器的研制能力仍为国家安全的重中之重

既然产品缺乏竞争力,那俄国人干嘛死撑活撑,乖乖的掏钱购买美国人的产品不就得了?但从国家安全的角度去考量,完全不是这么一回事,特别对俄罗斯这种长期跟西方国家对抗的大国来说,更是如此。从民生到军事,没有不需要高效能处理器的地方,天底下没有任何对前途抱有企图心的国家,会想眼睁睁的看着像处理器这样的核心技术,完全受制于人。

以俄罗斯来说,尽管计算机技术明显不如众多战略竞争者,近年来制定并实施「2013-2025年电子工业发展规划」和「国防工业综合体发展规划」等产业战略,仍尽其所能的对内采购国产电子产品,维持本国的软硬件研发能量(笔者必须再次强调:Elbrus二进制动态转译技术的重要性,绝不低于处理器6080yy电影在线看硬件)。否则哪天出现大规模国际冲突,甚至爆发战争,美国人一发动禁运,一切就都完了。

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