ARM与x86的战争史诗(作者：sailing)

sky-Hawk where

The world is changed. I feel it in the water. I feel it in the earth. I smell it in the air.
从1978年开始的PC帝国，以Intel最终战胜AMD为标志，正式步入后PC时代。这个帝国的成员们各司其职，在可预料的未来中这个帝国并无大事。Intel会一代又一代代推出新的PC处理器，Tick-Tock计划将如期而至。每一年都是平淡的一年。

在半导体领域，Intel继续一览众小。Intel依然无奈。半导体领域霸主的无奈在于只要PC依然重要，罗伯特·诺伊斯所创建的这个公司就不会有太大的忧虑；半导体领域霸主的无奈在于对手并不在半导体领域，或者说对手是剩余的所有。

ARM处理器的崭露头角正在开创一个属于更多参与者的帝国。在不远的将来这个新的帝国与PC帝国间必有一战[ii]。我们无法预知x86或是ARM获胜，却可以感受这个世界正在发生的变化。世间最可怕的事，莫过于等待。有些人愿意去预测，去揣度，去逃避无休止的等待，结果即便是上帝不经意间的偶然，也依然执着，愿意为逼近明天而重温历史。也许已经发生的和正在发生的事情，揭示了未来。

Wintel帝国

Wintel[2]是Windows和Intel的合成词。Wintel指使用x86处理器[iii]并运行着Windows的处理器系统。在Wintel这个词汇中，Intel占有更多的字符，也是Wintel的主体。

Wintel诞生是一个自然的过程。几十年前，一个富有朝气的公司选择了另外一个富有朝气的公司。在他们所涉及的应用领域中，打遍天下无敌手，创建了令所有对手望而生畏的时代，一个只属于这两个公司的时代，Wintel帝国时代。帝国有着铁血般纪律，组成部件各司其职，互不渗透，有功必赏，有过必罚。帝国没有衰退的前兆，也没有太多不和谐的声音。

在PC帝国中，Intel是处理器的最重要的供货商，AMD占据着为数不多的市场份额，更少的一部分份额留给了中国台湾的VIA[iv]。PC处理器大多使用Windows操作系统，也有些PC安装着其他操作系统，如Linux和BSD。在中国，预装Linux系统的这些PC机，在购买后，基本上会被重新安装。在国外，使用Linux系统的也不过是一些爱好者。Linux给Wintel帝国的运行制造了一些困难，却没有触及帝国的根本。

帝国的日常经营由一些OEM(Original Equipment Manufacture)厂商、ODM(Original Design Manufacture)厂商和BIOS厂商协助打理。因为Linux的存在，还出现了一些OSV(OS Vendor)，如Redhat、Ubuntu(Canonical)和SuSE。这些OSV将来自开源社区的代码与Linux内核集成为Linux发布包，提供给OEM使用。

帝国的OEM也都是一些知名公司，如Dell，HP，Acer，Lenovo和Asus等。ODM多集中在中国台湾。BIOS厂商数量并不多，却也能及时地为这些OEM/ODM服务。整个PC帝国协调有序发展。

帝国内也有些出人意料之外的事件。第一个尝试AMD处理器，昔日的OEM霸主Compaq悄然离去。Dell从一个网络直销商，一夜间横空出世。IBM将PC业务转移给了Lenovo。Acer日益壮大。新人来，旧人去，PC帝国依然是铁打的营盘。

Intel的领导人进行了多次更替，先是罗伯特·诺伊斯，后是戈登·摩尔，安迪·格罗夫，克雷格·贝瑞特，到现在的保罗·欧德宁。诺伊斯和摩尔无论是技术还是商业都有领袖才能。诺伊斯是集成电路的发明者。摩尔创造的定律至今尚不过时，这个定律更是一个商业定律，引导着Intel一代又一代的工程师为捍卫理想，奋勇向前。

格罗夫是Intel的第一个员工，特殊的经历决定了他独特的性格。有人说如果他母亲碍着了他，他也会把她解雇。Intel的前两代领导人恐怕不会这么做。也有人说诺伊斯过于慈善，这使得格罗夫的闪亮登场成为必然。帝国需要有人苛刻一些，严厉一些。

严明的纪律使Intel度过了1986年的寒冬。Intel从存储器领域过渡到处理器领域，甩脱了在其后紧随，随时可将之超越的日本人[3]。这个决策拯救了Intel。多年之后，更加拼命，更加执着的韩国人在存储器领域战胜了日本人。格罗夫留给Intel的“唯偏执狂才能生存”是许多员工的座右铭，当然真正的偏执狂并不认同这句话。前三界领导人的性格互补，使得Intel渡过难关，日益壮大。

1984年，Intel遇到了创建以来的第一次危机，存储器危机。在上世纪七十年代，Intel是存储器芯片的主要提供商。在那个年代Intel在存储器领域的市场占有率几乎是100%，远超过Intel今天在PC领域的市场占有率。

从上世纪80年代起，Intel的存储器危机初露端倪。日本人迅速掌握了存储器设计与生产这个门槛并不是很高的技术核心，借助其特有的高效与后发优势，在短短的两三年时间，大肆吞噬着Intel在存储器领域的市场份额。Intel几乎从一个存储器领域的统治者沦落为二流存储器芯片供应商。

1984年，Intel的存储器芯片在库房里堆积如山。1986年，Intel迎来了自公司创建以来的第一次亏损。格罗夫与摩尔对此早已先知先觉。

1985年，格罗夫在一次公司会议中问摩尔，“如果我们无法渡过这次危机，被迫下台，下一届领导人将怎么做？”。

“他们将抛弃存储器业务。”摩尔回答着。

“我们为什么不自己动手？”[3]。

也许格罗夫在科技的前瞻性上无法与摩尔相比，但是他如岩石的执着，如烈火的果敢，化解了Intel面临的第一场危机，PC开始进入寻常百姓家。从Intel今天在PC领域的领袖地位上看，格罗夫这个决策似乎顺理成章。而只有将历史回溯到1985年时，我们才能更加容易地体会到格罗夫的艰难与不得已。

在那个年代，中小型机大行其道。DEC公司的VAX机是所有处理器厂商难以逾越的高峰，Motorola半导体的68K处理器如日中天。很少有人相信Intel能在处理器领域有所作为。在那个年代，Intel推出的每款处理器都是学术界奚落的对象。1986年Intel推出的386处理器遭到了整个学术界的诟病。这些学者的这些技术观点多数是对的。从技术的角度上看，386处理器并不成熟，也给Intel留下了向前兼容[v]，这个堪称伟大的包袱。

技术并不是早期x86处理器的长处。在上世纪80年代至90年代，几乎全部处理器都被技术上绝对领先，绝对强势的Alpha系列处理器[vi]压得喘不过气来。竞争对手每推出一个处理器芯片，DEC都会推出另外一个强大到令人放弃追赶的新一代Alpha。

Intel真正的优势是格罗夫虽百折而不挠，我行我素，笼罩当世的大气魄。

1987年，格罗夫成为Intel的第三任CEO，与另外一个耀眼的企业领袖比尔·盖茨联手创建了Wintel这个事实上的铁血联盟。无论是Intel还是Microsoft都不承认Wintel联盟的存在，却无法否认这个词汇在整个处理器行业制造的恐慌与肃杀[vii]。在那个时代，对于在帝国之外妄图涉足PC领域的厂商，Wintel这个词汇本身就是一个魔咒，使之望而却步。

1978年，23岁的比尔·盖茨与42岁的格罗夫第一次见面，当时的Microsoft仅有11名员工，Intel已经推出8086处理器，员工已过万人。公司间的不对等很难给比尔·盖茨带来荣誉，两个人在个性中的共同点使得争吵时有发生。在某个晚宴上，两个人的争吵引起了所有人的关注，包括在厨房工作的服务人员。格罗夫能够有条不紊地尽享美餐，而盖茨却吃饱了一肚子气[3]。

在许多情况下，公司间的合作与领导人的恩怨无关。格罗夫与盖茨间的不和谐并不影响Intel和Microsoft在各自的领域成为巨人，也不影响Wintel这个事实联盟的不断前行。从工作划分上看，Intel领导着OEM/ODM提供底层硬件平台，Microsoft提供操作系统和上层软件，彼此互不干扰，也没有太多的直接冲突。Wintel帝国的各个成员也相安无事。这是一段属于PC帝国的美好年代。Wintel联盟双方相互间存在的依赖，相互成就了对方的事实，维持着Wintel帝国的稳定。

如同所有联盟，合作和冲突永远并存。只有面对强敌时，两个弱者间的联盟才最为可靠，弱者一定程度的上的妥协是维护联盟的必要条件。随着Wintel帝国的前行，Microsoft不再弱小，市值逐渐超过了Intel，也更加富有。掌控着底层硬件平台的Intel对OEM/ODM却有着最大的话语权。

这一切使得Wintel帝国内部的冲突愈发频繁。Microsoft率先发难。Windows NT[viii]开始支持x86处理器的竞争对手，RISC处理器，包括MIPS R3000/R4000, Alpha和PowerPC。Microsoft多次断言RISC处理器替代Intel的x86是大势所趋[4]。

面对这场危机，Intel开始动摇，着手研发抗衡RISC处理器的产品，安腾(Itanium)和Pentium Pro处理器[ix]。采用向前兼容的Pentium Pro处理器在CISC vs. RISC的战争中大获全胜，放弃了向前兼容的安腾最终被遗忘。Pentium Pro的胜利和安腾的失败化解了Wintel帝国面临的最大的一场危机。对“向前兼容”的依赖，使帝国的这两个重要成员重归蜜月期。1996年，比尔·盖茨在公开场合承认，“最近的两年内，英特尔与微软在合作方面所花的时间比前十年加在一起还要多”。

新贵对盟主地位的追求永不休止。1997年11月20日，Joachim Kempin[x]在给盖茨的Email中明确地提出微软应该收购AMD或者Cyrix[xi] (Nsemi)以对抗来自Intel的威胁[5]。格罗夫在卸任时也承认自己犯下的最大错误就是使Intel过分地依赖Microsoft[3]。近些年发生的事件[xii]更加表明Wintel联盟虽然没有分崩离析，却已貌合神离。在IT这个激烈竞争的行业里，只有后浪推前浪，没有永远的合作，更没有永远的联盟。

格鲁夫之后，材料学出身的克雷格·贝瑞特于1997年5月成为Intel的第四任CEO[6]。在并不长的8年任期中，他带给Intel的影响超越了多数评论家的想象。并不夸张地说，如果在未来的某一天Intel走向衰退，贝瑞特将是始作俑者。

贝瑞特给Intel留下了“Copy Exactly”的成产哲学。如果Intel将来要走一条富士康或者台积电的道路，“Copy Exactly”是必须的，而且需要更加强烈的，更加令人窒息的纪律。这个哲学一经推出就饱受质疑。连Intel的员工也在质疑着贝瑞特，既然您坚持“Copy Exactly”，为什么还要我们“Innovate”？

在“Copy Exactly”的大背景下，Intel有史以来最失败的处理器Pentium IV诞生了。过分迷信工艺的力量，使得Pentium IV一再挑战着CPU主频的极限。这并没有改变Pentium IV高频低能的结局。AMD的x86 64与多核处理器几乎摧毁了Intel。2006年，Intel业绩步入谷底，这也改变了贝瑞特向互联网进军的蓝图。

贝瑞特接任后，开始了预谋已久的“互联网”计划。1997年DEC将StrongARM内核正式出售给Intel[7]。StrongARM内核基于ARM V4 ISA(Instruction Set Architecture)，由DEC和ARM联合开发。Intel使用这个内核替代了自己的i860和i960处理器，在此基础上创建了基于ARM V5 ISA的XScale架构。

XScale架构得Intel正式进入了嵌入式领域。随后Intel大手笔推出基于XScale架构的一系列处理器，用于手持领域的处理器PXA210, PXA25X, PXA26X, PXA27X和PXA3XX，用于网络存储的I/O处理器IOP31X, IOP32X, IOP33X和IOP34X。

在XScale构架的所有处理器中，IXP网络处理器令思科，爱立信和华为这些通信厂商至今还在心痛[xiii]。IXP网络处理器的技术源自DEC，Intel保留了DEC网络处理器的整个研发团队，以XScale架构为核心，设计了第一颗芯片IXP1200[8]。IXP1200芯片中含有一个类“StrongARM SA1100”的处理器和6个微引擎ME(Micro Engine)。

这颗芯片的亮点是6个微引擎，许多研究资料[9][10][11]表明IXP1200确有较强的网络报文处理能力。一时间网络处理器也成为通信半导体厂商的宠儿，Motorola半导体(Freescale)和IBM也分别收购了几个刚刚Start-up的公司，主推网络处理器[xiv]。

XScale构架没有获得预想中的成功。2006年6月27日，Intel将PXA系列手持处理器作价$600M出售给了Marvell[12]。2007年11月12日，Intel将IXP1200，IXP2400，IXP2800这些网络处理器转交给了Netronome这个刚刚Start-up的公司，并向已有的客户承诺将继续生产这些网络处理器，并持续到2012年[13]。I/O处理器无疾而终。

XScale构架并不是贝瑞特“互联网”计划中最重要的一环。2007年10月19日，ITU接纳WiMAX作为3G标准[14][15]。3G领域增加了一个新成员，这个新成员至今还活跃在通信领域。只是这个新成员在推广过程中的举步维艰，使得更多的人相信“在美国的某个城市需要贴钱才能卖出去的房产，并不是最糟糕的资产，一个产品最大的悲哀并不是消亡，而是僵而不死”。

遍览整个IT史册，只有摩托罗拉的铱星计划能与贝瑞特的“互联网”计划媲美。铱星计划的失败已经成为MBA的经典案例。Intel的WiMAX仍在持续，只是更多的客户开始质疑Intel的耐心，质疑Intel在Wintel帝国之外的坚忍与能力。

贝瑞特卸任前留给Intel有价值的是“Tick-Tock”计划。“Tick-Tock”是一个象声词，如果将正弦时钟波形在音箱中播放时，可以听到连续不断的“Tick-Tock”。Intel从2006年1月5日使用已经成型的65nm技术推出“Core Microarchitecture”，这也标志着Tick-Tock计划的开始[16]。

在Tick-Tock中，Tick指工艺的提高，从65nm，45nm，32nm，22nm，16nm和11nm。数学功底稍微好些的人不难发现，相邻的两个数字之间的倍数大约是1.414[xv]。Intel继续延续着摩尔提出的“集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍”的定律。Tock指CPU内核的进步，工艺的提高使得之前只能出现在经典论文中出现的技术得以实现。Tick-Tock计划规划了Intel x86处理器直到2016年的Roadmap。

表1 Intel的Tick-Tock计划[17]




Intel的Tick-Tock计划已经执行到Westmere处理器，Sandy Bridge处理器将很快如期而至。Intel将以庞大的人力，充实的物力继续着这个计划。所有这一些都是贝瑞特留给Intel的第五任CEO保罗·欧德宁的。欧德宁必须有所作为。

PC领域再无对手的Intel，目光重新锁定在嵌入式领域，Atom处理器应运而生。这颗芯片上承载着Intel的希望，所有人都在关注Atom能否解开Intel在嵌入式领域的无奈，嵌入式领域的另一个处理器巨头ARM也在枕戈待旦。

Wintel帝国的另一个主角Microsoft已完成政权更替。比尔·盖茨于2008年6月28日正式离任[18]。虽然比尔·盖茨强调将一如既往地关心着Microsoft的一切，并尽可能地提供帮助，Microsoft的股东们也应该双手合十，祈祷盖兹永远不要归来。因为那时的微软，处境绝对不会比苹果请回乔布斯时更好。

死灰复燃的苹果，咄咄逼人的谷歌，是微软挥之不去的梦魇。而最为Intel和Microsoft担忧的是Wintel联盟的生死。Intel已经提前做好准备，率先研制基于Linux的Moblin操作系统[19]，在2010年与Nokia，将Moblin和Maemo合并为Meego[20]。

对于Microsoft，Windows和ARM何时走到一起的讨论从Windows 7诞生以来，从来都没有停息过。Microsoft明确表示Windows 7不会支持ARM-based的上网本(Smart Book)[21]之后，却带来了更多有关Windows和ARM的传言。更多的人想知道Windows 8或者9是否支持ARM[22]处理器。对于ARM，这些期待已经不再重要。WebOS，Andriod的异军突起，使得Microsoft更加尴尬。此时的ARM还需要Windows吗？

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Tick-Tock计划是Intel在2007年开始的一项计划，Tick指工艺的进步，而Tock指处理器内核的革新[1]。
[ii] ARM与x86处理器之间的战争早已打响。许多预测家声称，这场战争最终会彻底消灭其他处理器内核，如PowerPC和MIPS，只留下x86和ARM处理器。
[iii] x86处理器的芯片提供商除了Intel，还有AMD和VIA。
[iv] 1998年，VIA收购了Cyrix的大部分资产，进入x86处理器领域。
[v] 英文是backward compatible。我个人认为翻译成向前兼容好些，因为是后续的产品需要兼容之前的产品，应该着眼于现在，而不是过去，是“以前”而不是“前进”。
[vi] Alpha处理器也是我第一次接触的第一个高端处理器，那是一个充满激情的岁月。
[vii] 今天的Microsoft正在被Google欺负。在盖茨年轻的时候，Microsoft是不可战胜的。有一个工程师向盖茨提了这样一个问题，“我不愿意加入微软，但是我所加入的其他公司，不是被您收购，就是被您挤垮。我需要买一个带花园的小房子，需要一份工作。请问在软件领域，有哪些方面是您不愿意涉足的？”。
[viii] Windows NT在1993年7月正式发布。Windows NT由Dave Culter率领的团队开发完成，Dave Culter也是VMS系统的设计者。
[ix] Pentium Pro是Intel一颗具有里程碑意义的处理器。这颗处理器将复杂的CISC指令分解成为μops指令(一种RISC指令)，之后采用了RISC指令流水线，加大提高了x86处理器的性能。在某种意义上说，这颗处理器拯救了Intel。
[x] Joachim Kempin当时是Microsoft的高级副总裁。
[xi] AMD和Cyrix是Intel当时的主要竞争对手。从今天AMD和Cyrix的状况上看，盖茨没有采纳Joachim的意见无比正确。
[xii] 2010年7月23日，Microsoft正式宣布与ARM展开战略级合作[23]。Intel与Nokia联手开发用于手机的Meego操作系统。
[xiii] 这些网络通信厂商在Intel网络处理器上投入了大量的人力物力，而Intel却却中断了该产品的后续研发。
[xiv] 网络处理器没有一个得到善终。IBM将网络处理器卖给了Hifn，不过近期IBM发布了一颗16核的Wire-Speed网络处理器。Motorola半导体从C-Port手中收购了网络处理器，却无法阻挡Intel在IXP网络处理器的低价格策略。
[xv] 1.414约等于sqrt(2)。Intel使用这些数字的主要原因是继续捍卫摩尔定律。

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世间本没有PC处理器和嵌入式处理器。这两种处理器在同一天诞生。

1976年5月，Intel开始设计8086处理器。工程师没有想到这颗处理器将给后世带来如此深远的影响。如同许多改变人类命运的产品，设计者最初并没有太大的追求，诸多的不经意与偶然促成了一个伟大的产品[24]。1978年6月8日，Intel正式推出8086处理器[25]。1981年8月12日，基于8088处理器的IBM PC诞生[26]。PC很快席卷了整个世界。

嵌入式处理器这个称呼也随之出现。从广义的角度上讲，所有处理器都是嵌入式处理器，包括用于服务器，PC和嵌入式领域的处理器。PC的日益普及，使得PC处理器从广义的嵌入式领域中脱颖而出，成为单独的一个产业，也就有了PC处理器。

在不久的将来手机也将从广义的嵌入式领域中独立，也会有单独的手机处理器，而不再是嵌入式处理器在手机中的应用。ARM处理器在手机领域的强势地位使得越来越多的人将其贴上了手机处理器的标签。更多的人认为将来的PC是揣在兜里，而不是装在包里。这些猜测触动了Intel这个巨人的心，失去未来的PC是Intel无法承受之重。

巨人的行动并非永远迟缓。2004年，地处Texas州的Intel Austin研发队伍启动了代号为Silverthorne的项目，这个项目所研发的芯片将取代A100和A110这两个低功耗处理器(A100和A110处理器的项目代号为Stealey，基于90nm工艺，是Pentium M的派生芯片[27])。这颗芯片也将是第一颗Atom处理器。Silverthorne项目的启动为两年后Intel毅然抛弃XScale构架埋下了伏笔。拥有顶尖处理器设计能力的Intel绝不允许ARM在旁酣睡。

Austin的研发队伍在项目启动时收到了来自高层的三条指令。Atom处理器必须是一个低功耗芯片，TDP(Thermal Design Power)约为ULV(Ultra Low Volatage) Dothan(即Intel Celeron M ULV)内核的十分之一(Dothan的TDP约为21瓦)。这颗处理器必须有足够的性能可以快速地浏览网页，流畅地运行高端操作系统[34]。这两条指令虽然苛刻，毕竟合理，也是可以通过努力实现的。

Austin的研发人员为此热血沸腾，也许他们将有机会创造一个完全不同的处理器，也许他们将有机会再一次改变这个世界。最容易想到的是使用RISC架构。从Pentium Pro开始，x86处理器使用了RISC流水线，在这条流水线中运行的是μops，并不是程序员使用的CISC指令。在流水线的开始阶段，x86处理器将CISC指令转换为μops，之后进入指令流水线运行。

如果能够将μops作为指令集直接提供给程序员使用，Austin的研发人员可以抛掉所有包袱，创造一颗完全不同的处理器。这个处理器可以自由地使用Intel从Pentium Pro开始的，并经过若干次改进而调优的μops流水线。Intel引以为傲的PCI/PCIe局部总线架构也可抛弃，毕竟PCIe设备的耗电量远大于ARM的AMBA设备。

主推一个新的指令集ISA(Instruction Architecture)是一件异常困难的事情。对于Intel这并非不可实现的。使用μops作为新的ISA，不过是将原先由硬件进行的指令翻译过程(Instruction Transforming)转交给编辑器。基于x86处理器的程序只需要经过重新编译，就可以运行在新的处理器平台上。一旦抛弃了CISC指令集，Austin的工程师可以自由地使用Intel所有的技术积累，更重要的是这颗处理器可以借鉴整个处理器界的成果。在多数情况下，新设计的处理器总比之前的好些。

所有这一切不过是研发人员的一厢情愿。来自高层的指令坚定而且明确，这颗低功耗处理器必须严格实现x86向前兼容。这意味着具有30多年历史的x86指令集，必须要不打一丝折扣地在这颗芯片上实现。向前兼容是Intel巨大的利润来源，也是摆在这个星球上最顶级处理器设计人员面前的一个不可逾越的山峰。在Intel并不长的历史中，违背向前兼容的例子只有以惨败而告终的Itanium。

多少年来，Intel的领袖集团都很偏执，偏执的侧重各有不同。格罗夫偏执着改变，将Intel从一个存储器厂商塑造为处理器厂商，更多的偏执着使用了三十多年的x86指令集。

Intel处理器的开发史是工程师与向前兼容不断斗争的奋斗史。许多年之前，Intel凭借向前兼容这一利器，打败了所有RICS厂商，包括DEC，SUN，Motorola和IBM，一统PC与服务器领域。这并不意味着CISC处理器战胜了RISC处理器，x86处理器已经进化成为RISC处理器，只是依然披着CISC指令的外衣。

对CISC指令的向前兼容需要许多额外的晶体管，更为重要的是Intel从1978年使用至今的CISC指令绝非完美，PowerPC和ARM用区区两三百页就能描述清楚的指令集，x86处理器需要使用1千6百多页。x86处理器的指令不仅冗长，更糟糕的是并不等长。处理这些不等长引发的对界问题是众多IC程序员的技术噩梦。

Itanium处理器决定放弃向前兼容，却成了Intel的一场商业噩梦。Intel至今没有醒来，也不敢在Atom处理器上重新进行尝试。一次错误并不意味着下一次依然错误。也许Atom处理器已经错过了再次改变世界的良机。也许Intel错过了丢弃这个糟糕指令集的机会，失去了这个可能的伟大变革，也可能失去了整个世界。

变革不仅需要勇气，更多的是能力。放弃向前兼容的变革也许会使Intel再次获得历史赋予的机会，也许会毁掉Intel。这样的决定，是勇气，是梦想，是坚贞，是决别。这样的决定，诺伊斯可以做，摩尔可以做，格鲁夫可以做，贝瑞特不敢做，欧德宁不敢想。

Intel这样的大公司，只有创始人才敢做，也有能力做出一些伟大的变革，只有他们才有毁掉这个公司的勇气。领袖有了雄威之气，剩下的人才可能有雄威之气。贝瑞特和欧德宁们恐怕做梦都没有考虑过这些可能毁掉Intel的决定，虽然这个决定也可能是上天赐给Intel的机会。睡梦中的格罗夫也许曾无数次被怒火激醒，“再锋利的剑，到了你们手里只能是一把生锈的钝刀！”。

Intel使用了三十多年的CISC指令又一次被强加在Atom处理器中。失落的设计人员需要再一次为向前兼容付出惨重代价。Intel天才的工程师需要再一次直面这些为处理CISC指令而带来的古怪逻辑。Atom处理器再一次被套上枷锁。Intel再一次丧失了和ARM站在同一起跑线上的机会。

与RISC构架使用的定长指令集不同，Intel的CISC指令的长度从16b到120b不等[35]。变长的指令为指令译码部件带来了额外的负担，而且基于CISC指令的流水线很难进一步提高速度和并发指令条数。从Pentium Pro开始，Intel抛弃了CISC指令流水线，而使用μops流水线，为此在x86处理器中需要使用一个特别的指令译码部件，首先将CISC指令转换为内部指令流水线可以识别的μops[33] [36]，然后再送入μops流水线中执行。

x86处理器的绝大多数CISC指令可以方便地翻译成一条或者多条μops指令，也可能是多条CISC指令被优化成为一条μops指令。仍有为数不多的过于复杂的CISC指令需要借助Microcode ROM进行查表译码，x86处理器处理这些指令的效率极低，但是这些指令出现的频率极低，并不会影响指令译码效率[33]。

Silverthorne处理器可以使用两种方法实现严格的向前兼容，或者使用μops流水线，或者使用CISC流水线。使用μops流水线也意味着Atom处理器必须保留将CISC指令转换为μops指令的逻辑，也必须保留在绝大多数时间可以安然入睡的Microcode ROM。对于已经集成了23亿个晶体管的Nehalem EX处理器，增加这些古怪的逻辑并不会极大地增加功耗。对于TDP的设计目标仅有2.1瓦的Atom处理器，这些逻辑是不可能被接受的，因为这些古怪逻辑本身使用的功耗已经超过了一些低端ARM处理器。

来自Austin的设计人员必须另辟蹊径。他们试图在Atom处理器中使用Intel最新的工艺，直接执行复杂的CISC指令，这也重新揭开了上世纪九十年代开始的RISC与CISC构架之争。在那场战争中，Intel打败了所有RISC厂商，这并不意味着CISC处理器战胜了RISC处理器。在PC服务器领域，Intel的x86处理器最终被RISC处理器同化，而在剩余的几乎所有领域中CISC构架被RISC构架**。

面对CISC构架的举步维艰，Pentium Pro做出了折中选择。Atom处理器却要继续扛起CISC的大旗。所有这一切并不是因为CISC构架仍有可能优于RISC构架，而是Austin的工程师面对向前兼容的不得已。

也许使用第一流的工艺可以化腐朽为神奇，也许使用最顶尖的工程师可以将一个O(N2)算法实现得比普通工程师实现O(N×LogN)算法更为快速。也许这些“也许”永远都是“也许”。虽千万难，吾独往矣。帝国启动了赌局。

工程师首先改变的是Power设计理念。多年以来，Intel在PC**务器上有关Power和Performance性能的设计理念是，处理器提升1%性能，Power可以提高2~3%。在Atom处理器中，这个比例是1比1，处理器每提升1%性能，相应的Power不能提高1%[37]。


Atom处理器抛弃了许多在Core 2和Nehalem处理器使用的高效设计，从零开始。与诸多传说并不一致，Atom不是削减版的Pentium M或者Core 2。Atom处理器是Intel自Pentium处理器以来最为简单的设计，也是一个全新的设计。这个设计使用了Intel最为古老的CISC流水线。

无奈的工程师面对由来已久的向前兼容，剩下的选择除了无奈，还是无奈。没有人愿意直面x86处理器这些乖张，谬妄，怪僻，荒诞的CISC指令，也没有人敢甚至去说说挑战“向前兼容”的不合理。

使用μops流水线无法越过Power的天堑，剩下的只有CISC流水线。无奈的设计人员第一个想到的是19***发布的486处理器[ii]，这颗处理器使用了单发射(single-issue)，顺序执行(in-order)的CISC流水线。

即便在当年486也不是一个顶级处理器，Atom处理器必须对此加以补充。多发射技术仍是必须的，Atom处理器支持双发射。现代高端处理器常用的乱序执行(Out-of-Order Execute)对于追求低功耗的Atom处理器是奢侈的，Austin的设计人员暂时放弃了乱序执行这个已经被广泛验证，可以显著提高流水线执行效率的功能。486处理器使用的5级流水线并不利于处理器主频的提升，Atom处理器将其提高到16级，如图1所示。



这不是Atom处理器流水线的全部。Atom处理器还含有两级预先译码部件(Predecoder)。传统的x86指令并不等长，而是16b~120b，Predecoder部件的作用是划分指令边界，然后将其导入L1指令Cache。Atom处理器L1指令Cache的大小为36KB，实际可利用大小仅为32KB，剩余的4KB存放SOI(Start of Instruction)，EOI(End of Instruction)，等信息[34]。

Atom处理器可以直接处理多数CISC指令，但是仍然有一些过于复杂的CISC指令被分解为若干个μops，再进入指令流水线。Atom处理器的流水线并非没有可取之处，这颗处理器可以直接执行ALU/Memory指令。这类指令首先被分解为ALU和Memory两个微操作，然后成对进入流水线。虽然Memory操作仍不能先于ALU操作执行完毕，也明显提高了这类指令的执行效率。

Atom的指令流水线不如RISC架构完美，但这是Intel的工程师在向前兼容的大前提下，为降低功耗而进行的一次大胆尝试。Atom使用按序执行流水线，这也使得HT(Hyper-Threading)技术的引入成为必然。HT技术是Intel对SMT(Simultaneous Multithreading)技术的一种称呼。在现代处理器的设计中，可以使用两种技术在节约整个设计成本的前提下大幅提高并行度，一种是提高ILP(Instruction Level Parallelism)，一种是增强TLP(Thread Level Parallelism)[38]。

Superscalar技术是提高ILP最常用的方法，Superscalar技术是指在同一个时钟周期CPU可以发射多条指令。这一技术最早出现在1964年，Seymour Cray的CDC6600就使用了这一技术[39]。这一方法在绝大多数高端处理器中得到了广泛的应用。Intel的高端处理器可以并发执行3~4条指令。

TLP技术最常用的实现手段即为SMT。DEC的工程师准备在Alpha21464(EV8[iii])上率先实现SMT技术。而Alpha21464还没有完成最终的Tape-Out，就需要为Itanium让路而被迫取消[40][41]。这是在学术领域无所不能的Alpha处理器的最后绝唱。DEC的这些工程师历经辗转，最终在Pentium IV上实现了HT技术。此后MIPS MT和Power5也支持SMT技术。

HT技术的本质是在同一个CPU中支持多个线程，每一个线程都具有独立的通用寄存器，Local APIC等其他资源，所有线程共享同一条流水线，可以是一个线程的指令处于流水线的译码阶段，而另一条线程的指令处于执行阶段。当某个线程因为需要执行一些耗时较长的指令时，流水线可以切换到另外一个线程继续执行以避免流水线的阻塞[iv]。对于某些需要大量访问共享资源的应用，使用SMT技术不仅不能提高流水线效率，反而会降低。

Intel声称使用了HT技术的Atom处理器，可以提高36~47%的效率[34]，也无法回避某些Benchmark的结果，使用HT的结果更加糟糕。有一点可以肯定，不支持乱序执行的Atom处理器如果还不支持HT，其执行效率不值得去评估。

体系结构上的缺陷很难用任何技术去弥补。Intel依然坚持，依然尝试。在Atom处理器的L1 Cache中一个Cell使用了8个晶体管，与使用6个晶体管的设计相比，这种设计显然将占用相对较大的die size，却可以使用更低的工作电压，最终降低功耗[28]。这些优化并不能弥补Atom为支持“向前兼容”而带来的，源自体系结构的先天缺陷。



第一代Atom处理器，Silverthorne和Diamondville早已问世。基于Atom处理器的Asus EeePC和Acer Aspire One取得了不俗的战绩。第二代Atom处理器，Pineview也得到了帝国各个成员的拥戴。向前兼容持续着已有的成功。PC领域因此增加了两个新的成员，Netbook和Nettop。这两个新成员被赋予了一个新的名字，上网本。

Asus的第一个上网本EeePC预装着Linux操作系统[31]。起初这个产品并没有被Wintel帝国重视，EeePC的成功却出乎他们的意料之外，在2007年EeePC的销量达到300,000台[32]，迅速地向百万台销售目标进军。Microsoft如梦初醒，迅速作出反应，在EeePC上预装WinXP，很快在EeePC上Linux与WinXP的预装比例达到了1:9。这个比例依然没有完全反映Linux在上网本中所占的比例，许多预装着Linux的上网本是销往中国的。随后比WinXP更加秀丽的Win7也出现在上网本中。

Wintel再一次统治了上网本市场，也亲手毁掉了这个市场。最初灵巧便携的EeePC已经成为历史，越来越多的人们看到的是上网本中Atom处理器的低速与Windows的臃肿。上网本的唯一优点只剩下价格。至此上网本成为廉价笔记本的简称。当Apple的Jobs拿出第一个iPad时，属于Wintel的上网本盛宴已经结束。一个新的名词平板电脑(Tablet)被万众瞩目。ARM处理器和Apple却是主角。

Wintel帝国并没有彻底失败。Intel需要的并不是上网本，不需要这样的产品去瓜分Laptop市场。帝国的终极目标依然是可以手持的PC。上网本是技术尚不成熟的临时产品。Intel很清楚的意识到初期的Atom并不能离开Windows，向前兼容依然重要。只是向前兼容这个紧箍咒套上容易脱离难。

Moorestown平台终于浮出水面。这是Intel为手持PC开发的第一款产品，与ARM的单芯片解决方案并不相同。

Moorestown平台由两个芯片组成，分别是代号为Lincroft的处理器和代号为Langwell的芯片组。在Lincroft中包含一个Atom处理器、GPU和存储器控制器，用Intel的45nm工艺实现，在Langwell芯片组中包含手持PC中常用的外部设备，如摄像机接口、USB接口、1080p HDMI接口和NAND控制器等[29]。

为了更快的推出Langwell芯片组，Intel并没有使用自己的生产工艺，而是依靠TSMC的65nm工艺。这引发了人们无限的猜想，在诸多半导体厂商中，Intel始终坚持“in-house-design”的思路，一个芯片从设计到生产都在Intel内部完成，而且Intel有太多的工厂可以生产65nm的芯片。Intel究竟需要从TSMC获得什么？

Intel的Roadmap揭示Moorestown平台仅是一个权宜之计，在并不久远的将来，Medfield平台会将Lincroft和Langwell合二为一，这也将是Intel有史以来第一个单芯片处理器[29][30]。这颗芯片依然采用Intel的“in-house-design”的设计理念吗？




这一切并不重要，从体系结构的角度上看，Moorestown和Medfield平台使用的依然是Atom内核，并以某种方式连接手持PC使用的外部设备。从性能/功耗比的角度上，基于ARM AMBA总线的外部设备目前是最优的，胜过追求性能的PCIe设备。

Moorestown和Medfield平台与ARM处理器平台需要一决胜负的依然是处理器内核。与在SPECint_base_rate2006 benchmark程序获得117高分的Nehalem处理器(在此之前没有任何一款处理器获得100以上的分数)不同[42]，性能并不是Atom处理器的优势。并不出乎体系结构专家的意外，在许多Benchmark程序下，Atom处理器落后于Cortex A9处理器[43]，如下表所示。而Atom处理器使用的功耗与ARM处理器目前并没有可比之处。



Youtube上有一个流传已久的视频[44]，一个1.6GHz的Atom处理器(很可能是N270)与一个双核500MHz的Cortex A9平台在相同的分辨率，相同的主存储器大小，相同的操作系统环境下，浏览网页的速度几乎不分上下。采用RISC架构的Cortex A9依然有非常大的潜力可以进一步提升性能，而在体系结构上强调向前兼容的Atom处理器早已被捆住手脚。

失去性能优势的ARM处理器，还有功耗。而失去了性能优势的Atom处理器，只剩下向前兼容。越来越多的人们开始发问，在手持式领域，向前兼容是不是如Intel所料那样重要？虽然Intel一再宣称x86处理器拥有最大的软件Ecosystem，又有多少x86兼容的程序可以不加修改地移植到手持式设备中，又有多少硬件IP可以与PCIe总线直接互连？

如果在手持式设备中，“向前兼容”也不再重要，Atom处理器剩下的只有Intel耗费重金打造的芯片生产工艺。多年以来IT技术被归于高科技领域，这并不是指架个微机编写软件。半导体芯片的制作使用了人类有史以来最复杂的工艺。

首先是硅的提炼，硅原料被投入一个巨大的硅熔炉中，然后再植入一个精度极高的硅种，被融化的硅原料将围绕这个硅种生长，最后形成一个纯度至少为99.9999%的单晶硅锭(圆柱体)。这个硅锭的直径一般为8英寸或者12英寸。之后这个硅锭被切割为一个个Wafer(硅晶片)，Wafer再被切割为一个个正方形的Die。每一个Atom处理器将使用一个Die。
这些Die将被多次影印(Photolithography)，蚀刻(Etching)，最后形成一个多层3D结构。至此Foundry完全结束。经过Foundry处理后的Die，将经过封装，测试等流程，最终成为一个个半导体芯片。

所谓纳米工艺是发生在Etching阶段，Etching也是半导体工艺技术的重中之重。经过影印后，硅晶片将被涂上一层光敏抗蚀膜，之后使用极短的紫外线曝光光敏抗蚀膜，并用化学溶剂清除已曝光的光敏抗蚀膜连同其下的一层硅。曝光的硅最后将被原子轰击，以生成N井或者P井，最终实现门级电路。

45nm，32nm技术指MOS晶体管栅极的宽度。这个宽度越低，在相同大小的Die中就可以集成更多的晶体管。贝瑞特时代的Intel抓住了半导体工艺的发展启动机遇，在诸多半导体厂商中脱颖而出。但是这种领先很难持久。半导体成产工艺是材料科学，化学工业，光学技术和精工机械的集大成者，本质上是一门实验科学，需要大量的资金投入。

Intel取得了先机，也在以一隅敌全国。Intel率先在Westmere处理器上实现了32nm工艺，22nm将在2011年中期实现[45][46]。这种领先是一年，还是两年，并不重要仅是白驹过隙。ARM Cortex A9已经可以使用Global Foundry提供的28nm工艺。当22nm技术来临时，Intel在生产工艺上的领先优势将不复存在。

Intel率先推出45nm时，也是与其他半导体厂商差距最大的时刻，领先其他半导体厂商一代。而技术的革新与进步总是开头最难，中期发展阶段最快，至末期的举步维艰[v]。种种迹象表明硅晶片的制造工艺已日趋极限。

如果Atom处理器连工艺的领先都无法依靠，在技术上[vi]将没有优势可言。也许一个产品成败并不完全取决于技术也许二十年前Intel战胜所有RISC厂商的故事可能再次发生，也许偏执的力量可以战胜顶尖的技术。
只是Intel已无格鲁夫。

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x86向前兼容至少需要使用1.65M个晶体管，比ARM7内核本身还复杂。
[ii] 如果程序员基于Atom处理器，进行程序优化，发现gcc编译器使用486的arch速度最快时，不要大惊小怪。
[iii] Alpha系列的处理器内部代号都是EV，EV是Extended VAX的缩写。VAX机曾是一个时代的经典。我书写的第一行程序就用VAX机下的行编译器的LET TEMP = A; LET B = A; LET A = TEMP。
[iv] 对于计算机体系结构较为熟悉的读者，可以将HT技术说得更简单一些，就是分属不同线程的指令之间没有相关性，只要有空余的执行单元，即可通过预约站，进入执行单元。
[v] 感谢“不懂工艺就不要乱说”在弯曲评论上的批评与指正。我本想修改部分内容，反复考虑后仍觉没有太大必要。留在这里也许更好，这能够提醒我，认真做事未必能做好。所知不多时，不该妄下结论。
弯曲评论的连接见http://www.tektalk.org/2010/11/27/atom的前生今世/。这些批评对我很有帮助。在此提醒读者，这部分与工艺相关的内容，尚有较大的争论。
[vi] 我一直在猜测也许Intel的以色列团队正在基于Sandy Bridge处理器做一个真正意义上的低功耗Atom。我所意识到的一切，在Intel一定有人更早的意识到。个人以为目前的Atom内核已经死去，替代品也许仍然叫Atom，但是这并不重要。

sky-Hawk where

多年以前，我有编写一系列关于处理器体系结构的书籍，包括PowerPC, x86和ARM。两年的坚持，我完成了《Linux PowerPC详解—核心篇》，本应还要写一本《Linux PowerPC详解—应用篇》。我几乎完成了“应用篇”大约三分之一的篇幅，最终放弃。

我的懒惰不是《Linux PowerPC详解—应用篇》没有正式出版的原因。“应用篇”本由网络，USB和PCIe总线三部分组成。网络部分是我较为熟悉的部分，却与处理器体系结构并没有直接的联系，USB总线距离处理器内核也略远一些，只有PCIe总线部分保留下来，形成了《PCI Express体系结构详解》的初步文字。

一次偶然的经历，我有机会使用FPGA设计基于PCIe总线的网络设备。对PCIe总线有了真实的理解后，我将这本书的名字改为“PCI Express体系结构导读”并正式出版。想起详解的书名无地自容，区区几百页的书籍与详解如何能有联系，怕是“导读”也未必有资格。

《PCI Express体系结构导读》的出版，没有带给我喜悦，更多的是如释重负。瞬间的平静后，我准备重新书写“x86体系结构导读”这本书籍。我起初准备书写“x86体系结构导读”，后写《PCI Express体系结构导读》。我甚至写好了“x86体系结构导读”的前言部分，就是我在“开源”杂志率先发表的《PC的足迹》这篇文章。

“x86体系结构导读”不会面世。我不是选择放弃书写，只是深入学习Nehalem微架构后，明白x86体系结构大巧大拙，包含着太多的不得已和不透明，我并没有将x86体系结构独立成书的能力。Nehalem微架构有上万页，我无法忘记这些细节。不能忘记也就无法聚沙成塔，更无法进一步提炼而为书籍。写书是准备了一桶水，给读者倒一杯。我对x86体系结构的理解只限于一杯水。

MIPS是我即熟悉也陌生的体系结构。第一次接触MIPS处理器是通过阅读John和David的”A Quantitative Approach”。阅读这本书的起因是为了完成毕业论文，当时国内并没有引入这本书籍的第二版。借助研究巨型机的便利条件，我们很早就有了这本书的复印件。1千多页的复印件分成四份，也是沉甸甸的。在不断翻译腾挪的过程中，我不自觉地喜欢上了体系结构这门学问，坚持至今。我没有书写MIPS处理器的相关书籍的准备，这些书籍只应属于John和David。

我从”A Quantitative Approach”的第二版开始读起，直到第四版，我逐字反复研读了这本书。除了红楼梦之外，没有任何一本书花费我如此气力。感慨中国在近十年内没有任何人能够写出如此深度的书籍。我们这代人即便站在这些巨人的肩膀上，也无法越过他们的头顶。只有水涨船高，群星捧月。

我们努力，却无法改变所处的平面，无法掩饰着星光黯淡。恨天短，恨中国不够强大。我搁下了科技文字的书写，而去书写我们的近邻，历时一个多月，完成了《又逢己丑》。写这些文字，没有任何想法，只是面对无法改变的现实胸中有股不平之气。《又逢己丑》完稿后，《PCI Express体系结构导读》很快出版。我有了许多空余时间，本想继续着一些微不足道的文字，却已没有思绪。

每一代人都有自己的使命。70年代的人历经变革，未向其父辈饱受磨难，却更多地活在理想中。这一代的绝大多数人没有受到最好的教育，没有过多的继承，最优秀的一群人漂流在海外。世界进入到21世纪，因为这一代人的懈怠，我们没有缩小与其他国家的差距。等到再次励精图治，已悄然老去。

八十年代的人，距离我们太近，看到的更多的是缺点。七十年代面对八十年代的叛逆只有长叹，求人不如求己，却忘记自己也是由叛逆到前卫，由前卫至流行，由流行而怀旧。在某一代也许可以出现某个人可以闪耀古今，也无法改变一代更比一代强这亘古不破的道理。事物的发展如此，人类的进步亦如此。对八十年代不公平的是高企的房价，这是他们失落的重要原因。不要苛求暂时并不属于自己的东西，半套房的付出可以使你们周游列国，钢筋混凝土没有想象中重要。

寄寓九十年代。无所求的一代人在有所求的领域必有所得。

4年前，我开始书写一些文字，没有太多目的，或者是在追求着无所求，追求着随遇而安。金钱与声名无法靠写书来实现，只是希望下一代人用最小的代价获得我们千辛万苦积累的这些微不足道，以播下希望的种子。这些苦难也会因此随风而逝。

书写“ARM与x86”是为了自己的心愿。不会写ARM相关的书籍，也不会再苛求纸质的图书，而依然苛求着心愿，不再放弃。以此结束为序。

作者：sailing

sky-Hawk where

好长好长 啊 不过看看还是有好处的

sky-Hawk where

呵呵，战争史诗

sky-Hawk where

竟然化了一个小时看完，尽管很多地方看不懂。不过ARM与Intel的竞争确实是史诗性，包含了太多的落差，而且是正在发生的。AMD开始准备ARM架构处理器，越来越精彩。

sky-Hawk where

呃，只能说楼主很强悍！

heise362707296

“ARM11之后，ARM处理器内核不再以ARM作为前缀[iv]。ARM公司取消这个前缀完全出于迷信的考虑[v]。在ARM的历史上，所有以偶数结尾的ARM内核，包括ARM2，6，8和10，都没有获得成功。ARM不想使用12，而13似乎更加糟糕，于是换了一个新的名字。ARM这个单词并没有在Cortex系列中消失，Cortex的三大系列M-R-A，合起来就是ARM。”

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