原创 ARM与x86之2--Atom的前生今世

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。

图1 Atom处理器的流水线[34]

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。

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。