第75章 Alpha

    除了以上三种非常着名的RISC处理器外，还有一种RISC处理器也不能不提到，那就是212XX系列芯片。

    212XX系列全称叫Alpha处理器，是由DEC公司设计制造。Alpha处理器计划于80年代的中后期，它的诞生并不是为了在专业领域极强的服务器或者超级计算机而设计的，更不是为了占领嵌入式CPU市场，DEC开发Alpha的原因，是为了于英特尔公司在桌面电脑领域，也就是在个人电脑上一挣长短。

    只要对国际半导体芯片发展史有所了解的人都知道，RISC处理器诞生后，如同一颗巨大而耀眼的彗星撞向了地球，RISC的诞生让半导体界很快分成了两派，一派就是传统的CISC支持者，他们坚定的站在CISC一边，拥护着CISC的一切，这里面最典型的代表就有INTEL和AMD，以及当初的摩托罗拉。

    这三家公司之所以坚定的站在CISC阵营上，是因为他们已经建立一条以CISC为基础的商业利益。

    INTEL和AMD公司都是以存储器芯片起家的，但自日本掌握的存储器技术后，很快就向美国发起了冲击，国际上存储器的价格是一降再降，很快以INTEL和AMD为首的半导体存储器制造商很快就支撑不住了，于是纷纷开始谋求转型，1970年，INTEL公司推出世界上第一款CISC处理器C－4004，从而开创了历史上着名的X86构架，经过多年的发展X86构架技术已经成熟，从而形成了一系列的以CISC为核心的商业利益体系，特别是在桌面电脑上更是如此。

    RISC相比CISC在技术上虽然有更多的优势，但这个时候的INTEL不可能把它多年建立起来的CISC体系给推翻，然后加入到RISC当中来。

    但DEC公司则不同，六七十年代DEC公司一直是IBM最强劲的竞争对手，其推出的中型机一直在中小企业中占有垄断地位。

    可PC的诞生，则终结了DEC公司的神话，大量的PC微机涌入市场，占据了原本属于DEC的市场，更何况PC相比DEC的中型机来说，它的价格更加便宜，更何况PC还是个全开放的电脑，大量的第三方兼容机的涌入，使得DEC的市场极度萎缩。

    面对种种不利的局面，DEC公司开始反思自己未来的路，经过详细的调查，他们发现在未来，个人电脑计算机前途无量，DEC想要存活下去，就必须加入个人计算机的发展潮流中。

    可要加入个人计算机潮流，DEC将不得不面对一个现实问题，那就是如果加入PC阵营，那就是DEC向IBM认输，在情感上会让DEC难以接受，更何况PC阵营中有许多的兼容机厂商，这些兼容机厂商没有任何的技术基础，他们的生存法则是，从市场买来各个电子元器件，再把他们组装在一起，然后就买给了客户。

    如果DEC加入他们，岂不是说DEC跟这些不入流的兼容机厂商是一个水准，这让DEC这样的技术贵族更是无法接受。

    于是DEC决定另起炉灶，重新制定一个个人计算机标准，这个时候市面上闹的红火的RISC进入了DEC的法眼，于是DEC决定开发一款精简指令集技术的个人计算机——alpha处理器就是在这样的历史背景下诞生。

    Alpha架构于1992年2月25日，DEC公司在东京召开的一次会议上面被正式推介，新处理器采用完全64－bitRISC设计，执行固定长度指令(32bits)。

    有32个64bit整数寄存器，cao作43－bit的虚拟地址(在后来能够扩充到64－bit)。和VAX相同，使用little－endian字节顺序，即低字节的寄存器占用低内存地址线。

    而不像如摩托罗拉等大多数处理器所使用的big－endian字节顺序，即低字节寄存器占用高内存地址线。除此之外，处理器还内建一个算术协处理器，有32个浮点64－bit寄存器，采用随机存取，而不是在intelx86协处理器上使用的堆栈存取方式。整个Alpha的生命周期被设计为至少25年。

    Alpha虽然是一款RISC处理器，但它主要是作为桌面电脑的CPU，因此Alpha上面拥有明显的桌面CPU特征，Alpha保持了可以运行多种cao作系统的特点，其中包括Tru64UNIX、OpenVMS和Linux等，而在这些系统中，已经有许多成熟的应用程序，这也是Alpha处理器相比X86的一个优势。

    对于追求性能的用户，DEC公司的Alpha处理器对骨灰级玩家来说也是一款非常具有诱惑力的CPU，因为Alpha是RISC处理器中运行速度最快的一种，而且是唯一得到了WindowsNT继续支持的RISC处理器，而与此同时微软且在1995年中断了对MIPS和PowerPC的支持。

    除了上述这些优点外，Alpha也是世界上第一款支持多媒体协议的CPU，比英特尔的多媒体处理器奔腾早于三年问世。

    虽然Alpha有如此多的优点，但也掩不住它在商业上的失败，Alpha诞生的太晚了，90年代围绕在CISC为中心的各种应用软件多得是数不胜数，刚刚诞生的Alpha处理器面临PC市场的最大挑战就是缺乏足够多的应用软件。

    虽然后来Digital虽然尽力吸引软件开发人员而且有一个很惊人的应用列表，但这些应用主要是面向工程师和创作人员的，而不是面向主流的PC个人应用领域，这就为Alpha在个人电脑市场上推广更是难上加难。

    另外在价格上Alpha相比X86也不具备任何的优势，Alpha的生产成本很高，单颗CPU的价格高达495美元(500MHz的型号)，而533MHz的21164售价更是高达1450美元。与之相比，INTEL的233MHz的PentiumII处理器且只需要386美元。

    在追求高性价比的个人电脑用户来说，用户最终会选择谁，是不言而喻的事情。

    从这里就可以看出，在性能和成本之间，DEC公司没有做好两者间的平衡，Alpha太过于追求高性能，从而忽视了普通用户的经济承受能力，这也是Alpha最终失败的根本原因之一。

    虽然Alpha失败了，但作为当初桌面CPU的绝对王者，Alpha却深深的影响了后来CPU的设计潮流，比如说Alpha是世界第一款支持多媒体协议的处理器，后来的INTEL公司发布的Pentium、赛扬以及后来的酷睿系列，都加入了支持多媒体的技术协议，甚至就连ARM、MIPS和SPARC都支持多媒体协议技术，如果哪款处理器不对多媒体协议进行支持，那么这款处理器在市场上就根本卖不出去。

    Alpha也是第一款符合80/20法则的CPU，所谓的80/20法则（二八法则）是由意大利经济家帕累托提出的，也就是大家所熟悉的帕累托定律。

    即，80%的结果，来自20%的原因；20%的努力，常产生80%的结果，或者是80%的财富且被20%的人所掌握。

    而这一法则在CPU当中同样适用，众所周知，微处理器的基本逻辑是运行指令的电路，计算机的任何一个程序都是由或多或少的基本指令组成，而指令本身又是由若干个微cao作构成，例如对两个二进制数进行加减运算，或者将结果送进寄存器中等等。

    这些基本指令被称为微处理器的微代码，指令数量越多、完成微cao作所需的逻辑电路就越多，芯片的结构就越复杂。

    CISC的英文全称是ComplexInstructionSetComputer，意为“复杂指令系统计算机”。它的特点是指令数量庞大臃肿，每个指令不管执行频度高低都处于同一个优先级，程序员的编程工作相对容易。但它的致命弊端是执行效率低下，处理器的晶体管被大量低效的指令所占据，资源利用率颇为低下。

    早在上个世纪60年代，计算机科学家就发现，计算机中80%的任务只是动用了大约20%的指令，而剩下20%的任务才有机会使用到其他80%的指令。

    RISC处理器就是在这样的背景下诞生的，由于指令高度简约，RISC处理器的晶体管规模普遍都很小而性能强大，深受超级计算机厂商所青睐。

    它的应用范围也远比X86来得广泛，大到各种超级计算机、工作站、高阶服务器，小到各类嵌入式设备、家用游戏机、消费电子产品、工业控制计算机，都可以看到RISC的身影。只不过这些领域同普通消费者较为脱离，故而少为人知。

    无论在执行效率、芯片功耗还是制造成本上，选择RISC都比沿用X86更加英明。

    我们不妨作一番实际的比较：以Intel公司的Pentium4XE为标准，，它的晶体管总数在1亿7800万个以上，最高功耗达到130W，但它的运算能力不超过20GigaFlops（FLoatingpointOperationsperSecond，每秒浮点运算）。

    而与他同期推出的RISC处理器是IBM推出的Cell，它的晶体管总数为2.34亿个，在采用90纳米工艺制造时芯片面积为221平方毫米，但它的运算力高达2560GigaFlops，整整是Pentium4XE的128倍。

    Inte在在年中推出双核心的Smithfield，性能最多能有80%的提升，而芯片规模将达到与Cell相同的水平。由此可见，二者完全不是一个层面上的对手，X86指令系统的低效性在这里一览无遗。

    PC钟情于X86的原因在于软件兼容，尤其是微软只为X86PC开发Windows系统，这也被认为是PC采用RISC架构的最大障碍。

    而Alpha且打破了这个常规，它的理论基础也是着名的80/20法则，与传统的RISC和CISC不同，Alpha另辟蹊径，提出了一个全新的发展思路，将20%的常用指令定义为“热代码（HotCode）”，剩余的80%指令使用频率没那么高，被定义为“冷代码（ColdCode）”。

    对应的CPU也在逻辑上被划分为两个部分：一是热核（HotSpot），只针对调用到热代码的程序；另一部分则是冷核（ColdSpot），负责执行20%的次常用任务。

    由于热核部分要执行80%的任务，设计者便可以将它设计得较为强大，占据更多的晶体管资源。而冷核部分任务相对简单，没有必要在它身上花费同样的功夫。

    而这也就是CPU历史上赫赫有名的双核的慨念，我们现在所使用的双核和多核处理器，就是由Alpha最早提出来的。

    事实上，X86处理器一直都从RISC产品中获取灵感，包括EV6总线、整合内存控制器、超线程技术、双核心等等新技术新概念都是首先在RISC产品中得到成功应用，之后才被Intel/AMD引入到X86处理器当中。实践证明，这种做法往往对X86处理器的性能提升有着决定性的影响，而从RISC汲取营养也就成为X86业界的习惯做法。

    Alpha创造了一种崭新的双核概念，过去我们谈论的双核心指的是在一枚芯片内集成两个对等的CPU内核，通过并行运算获得性能增益，我们可以将它看作是横向维度的对等设计。

    而Alpha则是一种纵向维度的双核理念，热核与冷核地位并不对等，且无法独立运作，只能说是一个CPU内核中的两部分分立逻辑。它所起到的是提高CPU的硬件资源利用率，以高执行效率达到高效能的目的，这种做法显然比目前业界鼓吹的“双核心”更具革命意义。

    后来INTEL的酷睿系列基本上沿袭了Alpha的设计思路，由此可见，Alpha对后来的CPU发展带来了多么广泛的影响。