设计沿用30年 x86架构老当益壮

    1970年代末期问世的计算机技术，到现在恐怕都已成为老古董，唯独有个例外：对世上绝大多数计算机发号施令的x86指令集架构(ISA)。

    今天，世界上逾九成的PC与服务器都采用x86指令集架构，但这种ISA设计早在1978年就问世，是英特尔8086芯片的一部分。

    本月英特尔全球开发者论坛将在北京举行年度大会，届时x86指令集架构将是一大主题。

基本上，指令集是一串让软件程序能使用的计算机操作指令。当然，除了x86指令集之外，另有别的指令集，例如IBM的Power、Sun的Sparc和英特尔自家的EPIC (explicitly parallel instruction computing) Itanium计划，诸如此类。但x86仍活跃至今，而且放眼望去看不到竞争对手，因为x86提供“够强”的效能，而且近三十年来为支持x86平台而写的软件不计其数。 

    单名Arvind的麻省理工学院(MIT)计算机科学与工程学教授说：“若你回顾计算机学的历史，巨变之所以发生，都是因为市场上涌现截然不同的新需求或新的变化。”

    但x86显然是特例。即使发明了浏览器，或低价位的网络计算机，眼看PC似乎就要被淘汰，但x86幕后的工程师总是能想出办法，让它能适应环境变迁。

    批评者指出，过时的功能与软件是x86的负担，为了维持其固有的设计，往往在节电效率与软件开发上必须有所牺牲。 但这恐怕是见仁见智的问题。

出身寒微

    x86 ISA在1978年随着英特尔推出8086处理器而首度亮相。Mercury Research分析师Dean McCarron说，即使在当时，这种设计受限于它搜寻内存地址的方式，也不被视为市场上最优秀的指令集架构。但因IBM的新PC选用8088 ISA--与8086大同小异的版本--于是 x86架构开始普及化。

    超微公司（AMD）技术官Phil Hester说：“x86起初是为八位芯片设计(英特尔与AMD目前的芯片已进步到64位)，用来执行电子表格。”因此，原来的设计不足以支持当前运算所需的一般用途缓存器(general-purpose registers)的数量。缓存器基本上是数据等候处理时暂存的小型装置，一般用途缓存器可储存数据或地址。

    随着使用IBM PC的人数及制造IBM兼容PC的厂商增家，x86逐渐成为PC市场不可或缺的心脏。1990年代中期，英特尔挟着x86芯片进攻服务器市场，进一步巩固ISA的支配地位。今天，全球售出的服务器中，超过90%都采用英特尔或AMD制造的x86处理器。

    英特尔与AMD不断在ISA中加入延伸指令集，所以x86能一直与时俱进。例如，英特尔在1990年代中期加入MMX和SSE指令集，用来改善绘图效能。AMD近年来则加入64位延伸，协助避开缓存器的问题。 

    但随着一代又一代的延伸指令集加入x86 ISA，x86芯片也变得愈来愈复杂，而且必须兼顾对旧功能的支持，才能确保软件的兼容性。

    XenSource虚拟化软件技术官Simon Crosby说：“不论如何，英特尔架构实在没理由这么复杂。何不舍弃芯片上60%的晶体管，毕竟其中大多数都用来支持老旧的程序。”

    Crosby说，如果芯片制造商宣称该公司的芯片只能用来跑1990或1995年以后写的旧软件，成本和用电量势必大幅降低。问题是，在Windows操作系统深处埋藏了许多撷取自1980年代初期所写的MS-DOS操作系统的程序代码，而那些程序代码在开机时会找寻某些指令集。

    这正是促使英特尔与惠普连手推动EPIC计划的动机。EPIC计划的目的，是以“干净的”设计，清除x86设计的许多怪异特色以及对旧技术的支持，以便为未来20年的现代运算奠定基础。

    然而，EPIC也演变成不宜推出新指令集的教训。

    软件开发人员怯于从头学习全新的计算机语言，而且初期部署的问题重重，都阻挠英特尔和惠普为EPIC处理器打造广大的市场。同时，AMD的Opteron x86-64处理器(后来英特尔也跟进)是压倒骆驼的最后一根稻草，把EPIC和Itanium打入高阶服务器市场，让应用程序能利用Itanium提供的效能优势。

    资金也是问题。业者多年来已在x86软件上投入巨资，即使是影响力强大的英特尔，也无法说服软件开发人员舍弃既有的投资。

有替代品吗？

     去年，英特尔技术官Justin Rattner表示，该公司不打算在可见的未来开发新的ISA。微软资深副总裁Rick Rashid说，他领导的研究部门并未从事有关替代指令集的计划，虽然微软支持多种不同的指令集，例如1999年支持Windows NT 4.0。

    未来有什么变量能改变现况呢？ 效能总是软件开发人员关切的因素，但目前还看不出来有什么重大的新发展。Hester说，不大可能出现所谓“干净”的设计，能够达到比现代x86 ISA强10%以上的效能或节能效率。

    英特尔数字企业事业群资深副总裁既资深芯片设计师Pat Gelsinger说，小幅的效能改良，不足以鼓励开发人员大举迁离x86平台。他说：“现行设计每年让效能加倍，且能执行旧有的应用程序。”

    同时，芯片业持续在处理器上塞进更多的晶体管，意味维持旧程序运作需要的晶体管日益减少。Gelsinger说：“兼容性的负担仍在，但兼容性的利多于弊。”

    可能促成改变的一种技术改良，是双核心或多核心芯片的推出。芯片制造商已公认，用多个速度较慢的处理器核心来打造芯片，是回避单一高速核心耗电问题的一种方式。不过，目前，每个核心必须使用同一指令集。

    Arvind说，有些人认为，未来可能采用混合式的解决方案：为x86设计小型、节电效率更高的核心，但采用别的ISAs，专门用来执行特定的任务，例如视讯处理。IBM的Cell处理器设计便是一个例子，用于Sony的PlayStation 3游戏机。Cell使用PowerPC核心。

    放眼更远的未来，芯片制造商可能维持基本的x86核心，以维持回溯兼容性，并采专用的硬件来复杂处理任务，这部分就不一定会在x86上执行了。