中国台湾的X86芯片往事
2020-04-27
18:56:55
来源: Sophie
1998年10月，曾有一间很小的x86处理器厂商，很低调的推出低功耗的低价位产品，但在1999年底，就闪电退出市场，转战嵌入式应用。某个晚上，笔者被某位在竹科工作的友人敲讯息：「你知道这颗CPU是靠台湾资金做出来的吗，听说老板还是台湾人」。
Rise Technology（华巨资讯）成立于1993年，由曾在NEC负责RISC处理器产品行销的林廷隆（David T.Lin）成立，位于美国加州圣塔克拉拉（Sata Clara，因为英特尔总部也在那边，时常昵称为「Satan Clara」）。
Rise募集到的3,000万美元创业资金，主要来自投资银行（BT Alex Brown，Needham&Company）、风险创投（Draper Fisher Associates），以及包含个人电脑制造商（宏碁电脑）、芯片厂商（威盛电子）与晶圆代工业者（联华电子）等15个台湾投资者。
1993~1998年，历经5年，Rise美国总部累积了将近100名工程与行销团队，成员大都来自Amdahl、HP、IBM、LSI Logic、MIPS、NEC、Sun 及其他业界知名电脑厂商，并在台湾新竹设立业务办公室。
这算是联电功败垂成的x86处理器产品线之后，以及威盛电子（VIA）购并Centaur与Cyrix之前，最具台湾色彩的x86处理器厂商。
有趣的是，根据1998年底的微处理器报导（Microprocessor Report），关于Rise mP6交由哪间晶圆代工厂商生产，那时IBM、意法半导体（STM）和德州仪器（TI）都是榜上有名的候选人，最后还是统统交给台积电搞定了。
与晚两年登场的Transmeta Crusoe相似，低功耗的Rise iDragon mP6打从一开始就寄望攻入英特尔垄断的笔电市场。这从两个地方可清楚看出端倪：原生BGA封装（称为Turbo Thermal BGA，或简写T2BGA），以及支援系统管理模式（SMM，System Management Mode），尤其后者对笔电厂商来说，特别举足轻重。
那么BGA封装的Rise mP6要相容Socket 7脚座的方法就是把处理器打在一片提供PGA 296 针脚的载板（Interposer）上，这也让Rise mP6 的外观相当与众不同。
英特尔在80386SL和80486SL处理器制定SMM的初衷，在于让笔电OEM厂商可自行定义必备的电源管理与周边装置管理，例如为了省电，动态关闭用不到的周边设备，需要时再重新启动等。英特尔在Pentium 时代将SMM 从「笔电专属的特殊武器」提拔成「所有产品的制式装备」，暗示英特尔认定笔电即将普及化的未来。
但反过来讲，既然Rise丝毫不考虑进军伺服器市场，所以多处理器环境必备的先进可程式化中断控制器（APIC，Advanced Programable Interrupt Controller）就跟着付之阙如了。
顺道一提，相对于x86指令集在节区定址定义的Ring 0到Ring 3四层权限（数字越小权力越大），SMM 的权限经常戏称为Ring -2，因SMM独立于真实模式和保护模式，干了哪些好事，连作业系统都不知情。那Ring-1跑到哪里去了呢？答案是x86硬体虚拟化技术，用来拦截「在使用者模式，仍会更动系统底层的危险指令」的那一层。
论「追求每个时脉周期可完成的最大指令数」的「架构性效率」，相较于稍早的Cyrix 和AMD，Rise直接提供和英特尔P6（Pentium Pro、Pentium II、Pentium III）同等级的3个指令解码器，可谓有过之而无不及。Rise mP6 的内部执行单元规模亦不含糊，总计配置了3个整数逻辑运算器（ALU）、7个MMX 单元、与一个管线化的x87浮点运算器。
但大概为了控制成本，第一阶资料快取记忆体的总容量才区区16kB，显得未免太吝啬了，只等于早期Pentium的水准，远不如同期对手。
Rise mP6并不像AMD K5/ K6和Cyrix M1/M2，并未采取非循序指令执行，不禁让人联想起坚持「暂存器更名是魔鬼的工作」而拒而远之的Centaur。
此外，Rise mP6也不像AMD K5/ K6会将「将复杂的x86指令，转译为固定长度的RISC 型态微指令」。8阶指令管线中，也只有一个阶段用于x86指令解码，形同明显的瓶颈，讲白了就是对「激增时脉」这档事不感兴趣，这点极神似Transmeta的风格。
Rise mP6设定的对手并非英特尔，而是同时期的其他x86小厂。从这个角度来看，Rise mP6的晶粒面积有点大得夸张，也难以像英特尔，可让产品以高单价销售，获取丰厚利润。这也是除AMD外，英特尔的竞争者一间一间被迫退出市场的远因。
不过，Rise mP6却有不少令人惊喜、今天看来还是让人觉得非常厉害的巧思。
以「自动撷取分支目标」（Automomous Prefetch）为例，无关现正执行的指令流，Rise mP6 可根据分支预测得到的指令流程，预先撷取最多横跨4条指令流的指令序列，只要预测正确，可大幅缩短撷取分支目标指令的延迟。这技术几乎是英特尔NetBurst（Pentium 4）的「执行追踪微指令快取」（Trace Cache）和AMD 推土机的「解藕式分支预测」（Decoupled Branch Prediction）概念雏型。
英特尔 NetBurst透过「分支预测判断的实际指令流」，存放解码后的微指令（uOP）。如处理器重复执行相同的程式区段，无需重新从记忆体撷取指令并解码之。图中的案例，也恰巧是4 个分支目标（T1-T4）。
AMD推土机的分支预测机制与指令撷取单元「脱钩」，可锁定分支预测目标的相对位址，假使不存在指令快取内，就「主动出击」预先撷取，可掩盖发生快取误失时的延迟。并在Zen 2世代，替更耗时的机械学习分支预测器TAGE「争取训练的时间」，大幅强化AMD处理器的分支预测精准度。
可能基于消费性市场的行销诉求，Rise极度重视MMX指令集和浮点运算的执行效能，7个MMX 单元，最多可每个时脉周期执行3个MMX指令。管线化的x87 浮点运算单元，可一并执行交换x87 浮点暂存器堆叠的FXCH指令，这刚好是Cyrix AMD难以抗衡英特尔的大弱点。
Rise mP6最有趣的特色，莫过于可将其中一个ALU的资料，同时传送到另一个3 输入的ALU。
功能非常简单易懂，假如要同时执行这两个指令，第二个指令需要第一个指令的AX结果，会导致管线停滞。
但藉由将原先的BX暂存器「转送」到3输入的ALU，即可同时执行。
简而言之，Rise经由简单的手段，解决单纯的资料相依性麻烦，或多或少弥补缺乏非循序指令执行的不足。
至于难搞到极点、连英特尔自己都承认「研发x86 处理器的最高门槛」的「确保x86 指令集相容性没有问题」，Rise 则外包给独立实验室XXCAL。
1998年8月24日发表内建128kB第二阶快取的Celeron 300A（应该不少人还记得300 超450 的传奇故事），象征英特尔正式启动P6 体系（Pentium Pro、Pentium II）彻底取代P5 家族（Pentium）的转移战略。
所有对抗英特尔的x86 处理器厂商，势必设法提高产品竞争力，毕竟在AMD K7 出现前，没有任何一款长期依附在Socket 7脚座的x86处理器微架构，可正面迎击由内到外、每个环节都面面俱到的P6。也因此，从Socket 7 的AMD K6-III 到Socket 370的VIA Cyrix III，无不「加装」256kB第二阶快取记忆体，Rise 当然也不能免俗。
按照Rise的原订产品时程表，预定1999年中发表的mP6 II，将新增256kB第二阶快取记忆体，资料和指令存取延迟，仅分别4 与3 个时脉周期，只有Celeron A（128kB）的一半。
唯一的隐患是：0.25um（250 纳米）制程时，预期中的Rise mP6 II晶粒面积，将高达170mm²，与同样256kB 的Pentium II不分轩轾，转进0.18um（180 纳米）制程势在必行。Rise乐观的预估，核心电压可压低到2V 的mP6 II，功耗可低于10瓦，整合式第二阶快取将减少对外记忆体存取频率，也间接让系统更省电。
但别说mP6 II了，1999年5月6日公开的0.18um制程mP6 PR333 / PR366，仅停留工程于样品阶段，Rise就决定转变经营路线，改为专注于视讯机上盒与资讯家电，也在当年被矽统（SiS）购买所有处理器技术及相关智慧财产权。SiS寄望在低价电脑市场，找出一条击败英特尔的途径。
Rise mP6在1999年12月前退市，在x86桌上型处理器市场，昙花一现，如流星稍纵即逝。接着就如我们熟知的，1999年6月23日降临，性能空前出色的AMD K7，与接连爆发的1GHz时脉争夺战，注定了x86处理器市场，终究只会剩下两间大厂互殴的结局，最起码在伺服器、工作站、桌机、笔电等领域，确实如此。
Rise mP6并未就此消失，Rise在2001年COMPUTEX，展示iDragon mP6-500MIPS IA处理器，供电仅采用一般市售三号电池，即可播放VCD 电影达数小时之久。在2001年10月4日问世的SiS 550 系统单芯片系列，即整合了mP6 核心，与源自Cyrix MediaGX 的国家半导体（National Semiconductor）Geode 正面竞争。
随后DM&P（瞻营全电子）将SiS 551重新命名为M6127D，并以mP6为开端，发展了一系列Vortex86系统单芯片，也授权泰国的Xcore 重塑成Xcore86品牌。
总之，这些厂商之间「互通有无」的细节，与错综复杂的关系，其实我们管不着，况且这部分可以考证的资料真的很有限，就别为难笔者了。但可以肯定的是：逃跑并不可耻且很有用。很难想像，假若Rise像Transmeta那样「硬撑」5年，一直烧钱（如果还有得烧），会沦为何等悲惨的下场。
讲了这么多，Rise mP6的性能表现，究竟是好是坏？坦白讲，有很重要吗？还不如瞧瞧谣传中藏在mP6里的「彩蛋」。谁说彩蛋只限于软体？
当初出身于纽西兰的Rise主任工程师Chris Norrie，据他所称，只要将代表纽西兰（New Zealand）的国码简写NZ，以ASCII码写入EAX暂存器，并执行CPUID指令，从EAX到EDX暂存器的内容就会出现他的姓名。最让他感到骄傲的时刻是：他写个几行组合语言做这件事，将暂存器的内容复制到记忆体，再呼叫BIOS将字串印出到萤幕。
可以瞒过整个工程研发团队和产品验证部门，将这个「硬体彩蛋」深藏不露的埋在处理器微码内，看起来好像满了不起的，哪位大恩大德能否测试看看这彩蛋是否属实？顺便看看CPUID的制造商代码，是否如微处理器报导所言，叫做「RiseRiseRise」？
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
今天是《半导体行业观察》为您分享的第2292期内容，欢迎关注。
『
半导体第一垂直媒体
』
实时 专业 原创 深度
识别二维码
，回复下方关键词，阅读更多
中国半导体｜苹果
｜封测
｜
蓝牙
｜设备
｜晶圆｜英伟达｜射频｜台积电
回复
投稿
，看《如何成为“半导体行业观察”的一员 》
回复
搜索
，还能轻松找到其他你感兴趣的文章！
责任编辑：Sophie
