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[转载] 硅谷传奇:微处理器之父——泰德•霍夫(二)

已有 6257 次阅读 2015-1-25 02:45 |个人分类:往事如云|系统分类:人物纪事|关键词:RPI,微处理器,霍夫| 微处理器, Rpi, 霍夫 |文章来源:转载

【华夏文摘】老钱:硅谷传奇:微处理器之父——泰德•霍夫(二)

2011年11月15日,是英特尔4004首次面市30周年纪念日。它是第一款将可编程的计算机核心要素集成于单一芯片的产品。此后,CPU使得计算机将各种信息整合为一体,后来的手机和PC上均用上了CPU。但是,4004的面世实在是一个偶然事件。英特尔前董事会主席安迪·格鲁夫曾表示:“这款CPU在当时代表了英特尔产品的未来,但在最初的15年中,我们根本就没有意识到这一点。最终,这款CPU却成了英特尔商业领域的标志性产品。”

过去的几十年里,CPU已经无处不在。仅在2000年,英特尔就卖出了3.85亿个CPU。一家市场分析公司的首席分析师表示:“这款CPU的面世对每个人的生活都产生了根本性的影响,这么说毫不奈张。在微处理器面市之前,计算机全都是庞大的机器,有时甚至与一个房间一样大。”

英特尔4004面世时成本不到100美元,英特尔当年的首席执行官戈登·摩尔称这款CPU是人类历史上最具革命性的产品之一。但其他人并没有同感。当时供职于DEC公司的处理器分析师纳萨恩·布鲁克伍德(Nathan Brookwood)表示:“这款CPU的概念的确有趣,但人们当时没有认识到它能够产生如此重大的影响。”事实上,很多人几年之后仍然没有掌握这款CPU的概念和意义。总而言之,英特尔4004是一场偶然的革命。

尽管CPU给英特尔带来了辉煌的未来,但直到1985年,它的286已在数百万台电脑中得到应用时,英特尔才决定将主营业务转向CPU。有意思的是,日本企业在这一过程中又发挥了“重要”的作用——他们当时正以低价策略在存储器业务上挑战英特尔等美国同行,不断下滑的存储器利润和CPU的美好前景促使摩尔和格鲁夫做出了这个艰难的决定,不过,现在来看,这个决定非常明智。

在推广CPU的过程中,有一个故事很有趣,那就是直接面向最终消费者宣传CPU的作用和价值。这个故事发生在80年代中期386问世时,当时的PC制造商们不愿意换用这款CPU来更新产品,于是英特尔打出了有名的“红叉”广告,它在286三个数字上打了一个大大的红叉,并在旁边的386三个数字下附上广告语——现在,你可以在286系统的价位上获得386系统的性能(Now, Get 386 system performance at 286 system price )。这个广告让消费者对于386的兴趣大增,使其从此热销。后来,在1991年,英特尔开始了“Intel Inside”品牌推广计划,正是这个计划,改变了人们对于PC的认识,开始关注它所采用的CPU。如果没有这些广告,或许今天人们在购买PC时,仍不会对它们内部的构造和组件提出要求。

在CPU、 以及PC 的发明、技术革新和市场推广上,英特尔起到了最重要的作用。除霍夫外,诺伊斯、摩尔、格鲁夫对此也功不可没。诺伊斯是霍夫发明4004时最坚定的支持者,他也是集成电路的发明人,集成电路技术是CPU以及所有芯片的基础工艺;摩尔提出的摩尔定律,是多年来所有半导体企业在产品创新方面尊奉的铁律,英特尔的CPU产品,一直在严格按照摩尔定律进行技术革新;偏执狂格鲁夫,最初没有认识到CPU的价值,但后来他和摩尔一起,将英特尔从一家存储器制造商成功地转型为CPU产业的龙头和全球最大的半导体制造商。

直到80年代结束时,英特尔的主要竞争对手是Zilog,这家公司的创始人是英特尔早期的员工,霍夫开发4004的同事——费金,这位参与了4004、8008、8080开发工作的英特尔前员工自立门户后推出了有名的Z80与英特尔的8080竞争。早在 1974年,英特尔的竞争对手就投放了18种同类产品与英特尔竞争。不过,凭借强劲的技术实力,英特尔的CPU一直是业界最受欢迎的产品。

英特尔在CPU领域面对的第一个真正强大的对手是摩托罗拉。摩托罗拉于1975年推出了M6800,此后直到80年代中期,它和英特尔都处于竞争状态,英特尔的80×86系列和摩托罗拉的680×0系列是那时市场上最具竞争力的产品。由于摩托罗拉对于市场的应变能力不足,很快败给了敢于冒险和以创新为生命的英特尔。

令人意想不到的是,早期英特尔与AMD不但不是竞争对手,还是AMD的生意伙伴。AMD的创造人杰瑞·桑德斯(Jerry Sanders) 与英特尔创始人诺伊斯是好朋友,桑德斯早年是摩托罗拉的销售明星,后来被创办了著名半导体公司——仙童的诺伊斯挖走,成为仙童的销售负责人。仙童没落后,诺伊斯和摩尔创立了英特尔,桑德斯成立了AMD。因为桑德斯不是诺伊斯和摩尔那样的知名科学家,很难吸引到投资。他说:“诺伊斯总是说英特尔只花了5分钟就筹集了500万美元,而我花了500万分钟只筹集了5万美元”。诺伊斯后来凭借个人信用为AMD的商业计划担保,才解了桑德斯的燃眉之急。很多业内人士看来,诺伊斯此举意义非凡,因为英特尔和AMD这两家当今CPU霸主,都是在诺伊斯的帮助下成长起来的。

AMD 成立后,没像英特尔那样成为行业技术创新的领导者,而是定位于凭借出色的产品质量成为各种半导体产品的第二供应商。早期它与英特尔惟一一次冲突是英特尔起诉它侵犯了自己EPROM的专利技术,这场官司在桑德斯的努力下化险为夷,AMD借此机会成为了英特尔的第二供应商和战略合作伙伴。后来在英特尔争取IBM支持时,它在IBM的要求下将其CPU的关键技术,如x86技术授权给了AMD,这无形中成就了AMD今天的事业、也为英特尔目前的主要竞争对手埋下了伏笔。

现在就着霍夫的故事来看看CPU和PC的发展过程。最初,霍夫和英特尔都没有预测到CPU的重要性。当时英特尔对8086并没有一个明确的市场定位,只想尽可能多地促销。IBM 只是其客户之一。1981年,IBM 为了尽快地搞出PC ,使用了8086,英特尔因此一举成名。1982年,英特尔出品了和8086完全兼容的第二代PC 处理器80286,用在了IBM-PC上。1985年康柏(Compaq)造出了世界上第一台IBM-PC兼容机,IBM-PC兼容机一下子就在全世界冒了出来。尽管这些兼容机的其他硬件不相同,但是为了和IBM-PC兼容,CPU都得是英特尔的。于是,英特尔就成了CPU的最主要生产厂家了。

虽然英特尔站到了信息革命的前沿,英特尔还得有能力来领导CPU的研发。当时,世界上最大的三家半导体公司在日本,PC里日本芯片占60%。当时,日本股市的总市值占全世界的一半,日本东京的房地产总值相当于半个美国的房市总值。但是,日本的半导体工业集中在技术含量低的芯片上,如内存等,而最高端的芯片工业,如CPU和通信数字信号处理器全在美国。八十年代,英特尔果断地放弃了内存业务,只做处理器。1985年,英特尔继摩托罗拉后,第二个研制出32位的CPU 80386,开始扩大它在半导体工业的市场份额。该芯片的研制费用超过三亿美元,这是一场豪赌。但英特尔靠80386成了IBM-PC的绝对霸主。

1989年,英特尔推出了从80486,它只是在80386上加一个浮点处理器80387以及缓存(Cache)。 靠80486的销售,英特尔超过了所有的日本半导体公司,成为半导体行业龙头老大。1993年,英特尔公司推出奔腾(Pentium)处理器。从奔腾起,英特尔公司不再以数字命名它的产品了,但是在工业界和学术界,大家仍然习惯性地把英特尔的处理器称为x86系列。Pen就是5,tium是元素的结尾。奔腾使英特尔进入了高性能CPU的市场。由于奔腾的速度已经达到工作站CPU的水平,高端微机从那时起,开始取代低性能的工作站。如今,即使是最早生产工作站的SUN(SUN Microsystem)和世界上最大的计算机公司IBM,及以前从不使用英特尔CPU的苹果公司,都开始在自己的计算机中使用英特尔的或者和英特尔兼容的CPU了。英特尔垄断了计算机的CPU市场。

英特尔真正的竞争对手其实只有八十年代的摩托罗拉一家。英特尔的崛起是靠击败老牌半导体公司摩托罗拉而实现的。摩托罗拉成立于1928年,它是二战期间美军无线通信设备供应商。从六十年代起,它在通信和集成电路方面领先于世界。摩托罗拉比英特尔早两年就推出了在运算性能上优于8086五倍的16位CPU68000。68000这个名字是因为它集成了68000个晶体管而来的。而8086的晶体管数目不到三万。当时,惠普、SUN和阿波罗工作站都采用摩托罗拉的CPU。在英特尔搞出80286的1982年,摩托罗拉推出了在性能上优于80286的68010,是当时主要工作站的CPU。传说英特尔第二代CPU本来应该命名为80186,但是英特尔将这个产品编号给了一个不重要的输入输出芯片,而将它的CPU的产品编号跳到了80286,这就让不懂技术的人以为英特尔的CPU高出摩托罗拉一代。在32位CPU的较量中,摩托罗拉在技术上和推出的时间上都占了上风,它接下来的68020也优于英特尔的80386,除了被用于主要的工作站上,68020也是苹果麦金托什的CPU。

但英特尔很幸运,由于IBM-PC兼容机的普及,技术上相对落后的英特尔占了更多的市场份额。虽然,摩托罗拉后来又推出了对应于英特尔80486的68030,但此时各个工作站公司都开始研发基于指令集RISC的CPU了,摩托罗拉只有苹果一个用户,这使它很难和英特尔竞争。几年后,摩托罗开始研发基于RISC指令集的PowerPC了。十年后,苹果也使用英特尔的CPU了,摩托罗拉则彻底退出了CPU市场。

摩托罗拉没有败在技术和资金上,1980年代前,摩托罗拉在资金、技术上明显优于英特尔。在很长时间里,它的CPU的性能优于英特尔的同类产品。摩托罗拉之败,主要是英特尔有微软这个未签约的同盟军。但摩托罗拉在商业、管理和市场各方面有很多失误。如果摩托罗拉经营得当,它应该是工作站和苹果的RISC指令集CPU的主要供应商。

英特尔在微软的帮助下,占领了CPU市场。接下来的十年里,英特尔又在技术上和全世界所有的CPU生产厂家进行了一场竞争。

今天的CPU可以根据指令集合分成复杂指令(CISC)和简单指令(RISC)两种。一个计算机的程序最终要变成一系列指令才能在CPU上运行。每个CPU的指令集不相同。在设计时,有些CPU尽可能地实现功能齐全的指令,早期IBM和DEC的计算机和今天的英特尔/AMD的CPU等就是这样的。采用CISC-CPU的好处是它可以实现复杂的指令,但是它有三个问题:第一,设计复杂;第二,每个指令的执行时间不一样,CPU内各个部分很难流水作业,CPU会出现不必要的等待;最后是高功耗的问题。针对这些问题,1980年代的计算机科学家们提出了基于精简指令集的CPU设计思想,代表人物是斯坦福大学校长翰尼斯(John Hennessy)教授和加大伯克利分校著名的计算机教授彼特森(David Patterson)RISC系统保留很少的常用指令再将复杂的指令用几条简单的指令代替。基于RISC 的设计思想是计算机史上的一次革命,它使CPU的设计大为简化,由于RISC-CPU 可以保证每条指令执行时间相同,CPU 内各部分可以很好地流水作业,速度因此而加快。

CISC vs RISC

虽然RISC和CISC各有千秋,但学术界几乎一边倒地认为CISC 已经过时,RISC先进。而美国各大学计算机原理和计算机系统结构两门课都用翰尼斯和彼特森合写的教科书。很长时间里,书中以翰尼斯设计的 MIPS 精简指令芯片为主。同时,IEEE 和ACM系统结构的论文也以精简指令为主。英特尔设计8086时还没有RISC 指令集,否则英特尔很可能会采用这一技术。英特尔一旦用上了CISC,为了和 8086 完全兼容,在以后的80286和80386中就必须继续使用CISC。 1980年代中后期,不少的RISC-CPU做出来了,它们的速度比当时的CISC-CPU快得多。

1980年代末,英特尔面临一个选择,是设计和x86兼容的芯片还是转到RISC-CPU 上去。如果转到RISC-CPU上,英特尔的市场优势会荡然无存;如果坚持CISC-CPU, 它就会和全世界CPU的发展潮流相悖。在这个问题上,英特尔很理智。首先,英特尔在维护它的 x86 系列芯片的CPU市场优势的同时,也推出了基于RISC 指令集的80860。这个产品并不成功,市场的倾向说明了用户对兼容性的要求比性能更重要。因此,英特尔在RISC 指令集上推出80960后,就停止了这方面的工作,而专心做CISC 指令集系列。1990年代,工业界只有英特尔一家坚持开发CISC-CPU,对抗着整个CPU产业。

早在1990年初,英特尔就从486的设计小组里抽调出了一些人,着手从事P5也就是奔腾芯片的设计。P5必须和486完全兼容。但此时最重要的是如何使CISC指令集的CPU具有RISC指令集CPU的功能。英特尔在以色列的工程师尤里•维塞对此下了很大功夫,他把超量化(Superscalar) 概念用到了CISC指令集的CPU上。就是用多个执行单元,在一个时钟周期内执行多个指令,而不是像RISC一个时钟周期只执行一个指令。也就是说在CPU指令的层次上实现并行化。超量化的概念最早由技术机天才克雷(Seymour Cray)提出,他在1968年设计的CDC6600上使用过。

维塞带领一个小组先在计算机上进行模拟,结果非常令人满意。维塞发现CPU指令集和实现它的微电路,可以是完全独立的。在一个时钟周期内完全可以在多个执行单元上同时执行多个CISC指令集。模拟结果说明:只要在设计上稍加改进,英特尔现有的CISC指令集CPU完全可以胜过RISC指令集的CPU。在英特尔进行此类研发的同时,SUN公司也在做RISC的超量化研发。SUN比英特尔先一步做出了他们的CPU,但当时SUN的CPU无法让用户马上使用。同时,SUN CPU的时钟频率一直无法超过50兆赫,英特尔为此大大加快了研发速度,终于在1993年完成了32位的超量化CISC指令集CPU——奔腾。

英特尔每一款CPU的销量都超过了当时所有的工作站CPU销量的总和,它可以在CPU的开发上投入比任何一种RISC-CPU多的多的经费和人力。英特尔通过高强度的投入,保证了它CPU性能提高得比RISC-CPU要快。RISC-CPU 阵营里,1990年代的五家大工作站厂家SUN、SGI、IBM、DEC和HP各自为战,生产自己的 RISC-CPU,加上摩托罗拉为苹果生产的 PowerPC,六家瓜分一个市场,最后谁也没做大、没做好。到了2000年,大家都做不下去了,它们全部或部分地采用英特尔的CPU了。最早的精简指令的MIPS-CPU 现在几乎没有人用了。翰尼斯和彼特森也将英特尔的CPU加进了自己编的教科书中。

经过十年努力,英特尔赢得了CISC-CPU市场。英特尔靠的不是技术,是市场。首先,英特尔坚持自己系列产品的兼容性,即保证以往的软件能在新的CPU上运行。时间一长,用户就积累了很多在英特尔CPU上运行的软件。每次CPU升级,用户原来的软件都能使用,很方便。用户就不愿意更换其它厂家的CPU了,即使那些CPU更快。其它CPU厂家常常每过几年就另起炉灶,使用户要重写以前的很多软件。第二,英特尔利用量产的优势,高强度投入研发,使CISC-CPU代代更新。到了1990年代初,英特尔的 x86 系列和RISC-CPU相比在实数运算上要略逊一筹。但经过英特尔十几年来的不懈地努力,后来居上,而其它厂商落在了后面。第三,英特尔从未拒绝新技术,它研制出两个不错的RISC-CPU, 只是因为它们前途不好,才停掉了它们。第四,在RISC-CPU阵营中,群龙无首,这几家做RISC-CPU的公司因为彼此在工作站方面是竞争对手,自各自为战,互相拆台打价格战,最后SUN 和IBM把其他几家工作站公司全收拾了,但它们也无力和英特尔竞争了,现在它们都用上了英特尔的CISC-CPU。只有摩托罗拉才是最有可能成为RISC-CPU 的老大,并和英特尔分庭抗礼的公司,但是摩托罗拉因为种种原因,迟迟未能进入RISC-CPU的市场,最后成全了英特尔在CPU市场上的地位。

PC制造商之间的竞争也极为激烈。1985年,由德州仪器前员工在德州休斯顿创立的生产IBM-PC兼容机的PC制造商康柏(Compaq)后来居上,取代了IBM的地位。当英特尔最新产品80386问世后,IBM竟然一直没有购买。IBM是英特尔CPU的最大用户,IBM不买80386对英特尔来说事关生死存亡。IBM迟迟不买80386让英特尔着实摸不着头脑。此时,IBM-PC之父艾斯特利奇已被调离PC部门。但不管是谁掌管IBM的PC部门,也是要开发新机型的。

后来,英特尔才知道原因:那是因为IBM不相信英特尔能很快推出质量过关的CPU。因为IBM的技术人员在开发PC时发现80286有很多问题。他们认为英特尔能解决这些问题就不错了,英特尔不会有时间和精力设计出性能更好、质量更高的CPU来。所以,IBM对80386持观望态度。还有IBM的大型机都是32位的,80386也是32位的,这样的话会对其大型机形成竞争局面。因此,IBM的高层对于80386并不感冒。IBM的老大心理也在起作用,他们认为IBM掌握着PC的标准,其他公司不敢贸然先用80386开发新机型。但是,IBM想错了。康柏在80386推出后不久,迅速地在1986年9月推出了康柏自己的以80386为基础的PC。康柏对80386寄予了厚望,认为它将引领新一代PC的潮流。康柏与英特尔进行了密切的合作,80386的规格一出,康柏就开始了386PC的设计工作。因此,在80386CPU上市不久,康柏就推出了基于80386CPU的386PC。康柏获得了巨大的利润,康柏因此成了PC业的领头羊。1986年底,康柏进入了《财富》杂志世界五百强企业之列。改写了苹果公司以五年时间跻身世界五百强的记录。此后,其他的IBM-PC兼容机的生产厂商纷纷跟进,生产以80386为基础的386PC。1987年初,80386的需求大增,英特尔再次在半导体行业领先。


Compaq Motherboard for Intel 386 CPU

康柏此举在当时及计算机发展史上意义重大。当时IBM控制着PC的市场和技术标准。康柏敢于率先用英特尔的新型芯片设计新型PC,实在是大胆之极。人们都认为IBM只要采取一些措施就能把康柏的新型PC挤出市场。但是,康柏的运气奇佳,IBM未能迅速做出反应,实际上IBM根本做不出反应,因为在康柏推出386PC时,IBM甚至连一个80386CPU都没有。IBM太自大了,它在一年后才做出了反应。此时康柏的386PC早已在市场上站稳了脚跟。康柏此举,打破了IBM在PC行业里的统治局面,从此,IBM不再是PC行业的老大了。IBM成为众多PC厂商的普通一员。PC的发展从此后就不再以IBM为主宰来带动了,转而由CPU生产厂商英特尔和操作系统开发商微软两家来决定。此后,人们称PC为英特尔-微软体系(Win-tel)。

80386的成功得益于芯片开发的全盘规划。在芯片推出之前,英特尔就对整个开发计划进行了周密的部署。不仅考虑到了设计、制造等技术问题,还充分考虑到了如何与外围芯片的配合,甚至考虑到了如何使软件能更好地运行。英特尔还考虑到了市场、销售、和推广应用等一系列问题。英特尔为此实施了专案经理制,专案经理协调、管理、解决了新芯片开发的所有问题,大大加快了芯片的开发速度,80386因此比原计划更早地推向了市场。

在80386的行销和推广应用上,英特尔做了重大调整。英特尔不再采用第二供应商的做法,不再向任何公司提供生产许可证,英特尔独占了80386市场。英特尔当时已清楚地认识了80386在结构上的优越性。它可以支持几代CPU的升级。独占了市场的英特尔,80386的售价从80286的40美元上涨到了150美元,还是供不应求。

由于80386的成功,英特尔获得了高额利润。1987年4月,英特尔从1986年亏损1.73亿美元,变成了盈利2500万美元,销售额达4亿美元。到了1987底,英特尔的销售额达19亿美元。1988年,英特尔的销售额达29亿美元。到了1990年代,英特尔的CPU市场占有率已超出了80%,成了CPU市场的龙头老大,从此,英特尔与微软一起控制了PC的发展进程。

阅读与探究历史是很多人的习惯。大多数人都无法忍受对自己从事的事业和喜好的事物的缘由一无所知。于是,人们想尽办法去探究那些事业是在何时何地由谁所创、因何而生、及其发展沿革。这也是我写这些文章的缘由。然而在《硅谷传奇》的写作过程当中,我惊讶地发现了一些全新的的东西,它不同于我以往的阅读感受。大家清楚地知道,20世纪是人类史上最为血腥残暴的岁月。很多民族在上个世代所遭逢的苦难,都是空前的,史无前例的,尤其是中国人。但是,当我沉浸在21世纪的计算机网络中时,我会感受到一种令人喜悦的、源于内心的、超越种族、国界、价值观、超越既有疆界藩篱的共享自由和共享文明。和以往世代里,人们将战争、征服、殖民视作为文明象征的人相比,今天,由计算机网络带来的文明非常宝贵。尽管这一文明仅仅是一颗刚刚播下的种子。但我相信,这一由高科技播下的新文明的种子,将会有更大的收获,将会产生一种全新的、和谐的人际关系及网际关系,将会产生一种全新的生活方式和价值观。以往世代中,人类彼此掠夺的行为,将会在未来社会中绝迹,共享自由、共享文明将会成为人类整体奉行的道德公理。过去的历史曾经告诉我们正义、公理、与理想的胜利,不过是昙花一现。但是,在21世纪的最初几年里,在计算机网民们的努力下。这一崭新的共享自由、共享文明的种子,已经展现出令人惊叹的前景了。这一切一定能创造出一个崭新的未来。而这一切都离不开二十世纪中叶美国的贝尔实验室,离不开二十世纪下半叶的硅谷,和那些天才的发明家。霍夫就是其中的佼佼者。

《硅谷传奇》参考资料

来源:作者投稿

华夏文摘第一二四〇期(cm1501d)




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