憶往昔展未來 AMD能否建立不毀防線?
最近拜AMD“準時”推出Zen 微架構的Ryzen 桌上型處理器,與重返服務器戰場的EPYC 產品線所賜,自從因AMD Bulldozer 微架構被Intel Sandy Bridge 打爆、至今一路死氣沉沉的x86 處理器市場,終于再度人聲鼎沸,熱鬧滾滾。
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但AMD 在x86 處理器的前景真的有值得樂觀的理由嗎?這就得好好回顧一下過去10 年發生的點點滴滴了。要了解這歷史全貌,不需高深的電腦結構知識,更不需要攜帶水球、大鎖和鏈條進入立法院,只要帶著常識正常運轉的大腦。
自K8 重大勝利后就青黃不接的AMD x86 微架構
20 多年來,從“產品單價極高,小廠只要有一點點占有率,即可把自己養得很滋潤”,演變到今日實質只容得下兩間x86 處理器供應商,對AMD 以及歷史上諸多消失于市場洪流的x86 處理器廠商來說,要在Intel 的陰影下求生存,追求足以支撐營運的出貨量及利潤,需要達成的戰略目標,依序如下:
·進入品牌電腦大廠的個人電腦供應鏈。
·進入品牌電腦大廠的商用個人電腦及工作站供應鏈。
·進入品牌電腦大廠的筆記型電腦供應鏈。
·進入品牌電腦大廠的商用筆記型電腦供應鏈。
·進入服務器市場。
·進入云端資料中心業者的機房。
其余應用,如手機、平板、游戲機、機上盒、嵌入式系統等,都是比較次要的事。
簡而言之,長期重點還是在服務器與云端資料中心。
AMD 近代超純量x86 處理器的發展(所以就不包含486 體系的Am5x86),大致可簡述如下,技術細節就不談了。
K5:大師手筆,卻聽說讓Compaq 癡癡等不到
由“x86 指令集毫無道理可尋”留名于世的K5 總工程師Mike Johnson(他同時也是AMD 的Am29000 RISC 處理器總工程師,K5 有部分執行單元是直接“拷貝”自Am29000),其領軍操刀的產品一再延宕,江湖傳言搞到原本不打算采用Intel Pentium 硬要癡等K5 的Compaq(后來被HP 并購,成為HP x86 服務器與個人電腦的基石)也hold 不住,最后沒有得到品牌電腦大廠的青睞,只能打零售街頭游擊戰,僅在Windows 95 引爆個人電腦市場急速成長的美好年代,留下“價格實惠”與“較好超頻”的殘憶。
K6:購并而來,但打不過枝繁葉茂的Intel P6 家族
AMD K6 并非自家設計,而是透過購并NexGen 而來,為了相容于Intel Pentium 家族腳位,而移除L2 快取記憶體專用匯流排(類似Pentium Pro)的產物。
總之,產品推出時程還是太晚,還是以卵擊石地一頭撞上Intel P6 微架構的桌上型處理器家族,一直玩想掩蓋時脈較低弱點的PR(Performance Rating,意指整數邏輯運算效能相當于同時期Intel 處理器的時脈)話術,套句當年PC Magazine Inside Track 專欄的毒舌評論:PR 只是讓自己的產品看起來比較差,而不是比較好。既然競爭力比較差,售價當然不得不“經濟實惠”,有沒有那么好超頻就見仁見智了。
有如二戰后期德國和日本的主力戰機家族,K6 家族的諸多衍生產品也是一路挨打,不敵Intel 的Pentium III,更遑論遙不可及的x86 服務器市場了,那時正是Intel 創建Xeon 品牌,開始跟著Windows NT 與Linux 體系服務器作業系統,四處攻城掠地、掃蕩日暮西山的搭載RISC 處理器Unix 服務器家族的關鍵時刻,但AMD 卻看得到吃不到。
K7:曙光乍現,x86 世界的Alpha 21264
真正讓AMD 看到逆轉戰局曙光的,是曾擔任DEC Alpha 21064 / 21264 架構師的Dirk Meyer 領導的K7──“x86 世界的Alpha 21264,還沿用相同的EV6 匯流排”──AMD 歷史上首次在微架構復雜性與帳面上的制程技術超越同期Intel 產品,也是AMD 首款原生支援雙處理器的微架構(搭配AMD 760MP 芯片組),更讓AMD 創下單季營收10 億美元的紀錄。
比較不會有人注意的是,AMD 一反過去在K6 過度投資分支預測,即使指令管線變深,AMD 還是不太愿意在K7 的動態分支預測(以及后繼的K8)上投資太多心力,扯遠了。
不過,K7 后期也是被Intel NetBurst 微架構的Pentium 4 窮追猛打,因種種技術限制和商業因素,AMD 也未能實現成功進入服務器市場的悲愿。
直到AMD 的雷神之錘K8──也許可視為x86 世界的Alpha 21364(等同于整合記憶體控制器與新型匯流排的Alpha 21264)──直接往Intel 頭頂狠狠尻下去為止。
K8:空前大勝,神也寫不出來的劇本
綜觀整個電腦工業歷史,論處理器市場的競爭,除了IBM 賭上身家“人類歷史上除了太空梭以外投資最大的產品開發案”S/360,與相容IBM 全體RISC 指令集、歷史上首款原生雙核心處理器Power4,還真的找不到如此成功、剛好兼顧天時地利人和的巨大戰略勝利(如果有請告訴我),讓AMD 過了好幾年爽日子,爽到一直生不出K8 的正統后繼者,也就是真正的“K10”原始開發案,兼具深管線、高時脈、同時多執行緒與愿意在動態分支預測大力投資的先進微架構,也就是我們現在看到的Zen,又扯遠了。
天時:Intel當時內部正陷于“64位元指令集”內亂,如果真的推出64位元的x86指令集Yamhill,那正統的IA-64(Itanium)該怎么辦?這讓AMD有了靠64位元x64指令集的回溯相容性,可為了當時容量水漲船高的記憶體容量,提供高性能平面定址的優勢,橫掃千軍萬馬直取上將首級、奪取服務器市占率。
至于攸關營運成本的電力效率,AMD K8 的Opteron 表現更遠勝Intel NetBurst 的Xeon,在高密度服務器如刀鋒與磚塊看似即將流行的21 世紀前幾年,更突顯AMD 這方面的優勢。
但AMD x86-64 在擴張指令格式上并非良好的設計(如果跟后來Intel AVX 相比,或者有充分理由相信AVX 的VEX 本來就源自Yamhill 原案),這在后面讓整個x86 處理器產業都付出了代價。
地利:K8并非砍掉重練的全新微架構,而是以為K7的基礎的衍生設計,主要新增64位元指令集(當然,指令管線、執行單元和記憶體管理單元也需要相對應的調整)、讓K8可以原生支援8處理器環境的HyperTransport匯流排與整合性記憶體控制器,而對多處理器/多核心平臺事關重大的快取記憶體一致性協定,也早在K7時期就導入可大幅減輕頻寬負載的MOESI,意謂AMD可以更快完成產品的設計與驗證,盡快讓Opterton進入市場跟Xeon一決雌雄。
人和:當時微軟姿態擺得很明,相較于萬丈高樓平地起還要先打地基的IA-64,64位元x86指令集比較便于他們建立軟體生態圈,也不愿意同時支援兩套不同的64位元x86指令集,這也是逼迫Intel不得不在Prescott加入x86-64(還不是原本Intel自己的Yamhill)最后一根稻草。
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