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[主筆漫談] 專屬型微處理器的復興

電腦的世界自始至終都是圍繞在軟體與硬體的協作之上,單純的硬體或是單純的軟體,是無法完成任何事情的。如果從這個角度看,所謂的軟體定義抑或是硬體定義,只不過也就是「為賦新詞強說愁」罷了! 回到本文主題的微處理器身上。早年,也就是從所謂的「電腦」(計算機)剛被發明出來,一直到筆者唸...

2021/11/03

[主筆漫談] 專屬型微處理器的復興

電腦的世界自始至終都是圍繞在軟體與硬體的協作之上,單純的硬體或是單純的軟體,是無法完成任何事情的。如果從這個角度看,所謂的軟體定義抑或是硬體定義,只不過也就是「為賦新詞強說愁」罷了!

回到本文主題的微處理器身上。早年,也就是從所謂的「電腦」(計算機)剛被發明出來,一直到筆者唸書的年代,教科書上寫的一直都是中央處理「單元」(Central Processing Unit),也就是 CPU。所謂的「單元」,當時在意義上指的是一系列可以執行運算工作的邏輯/實體機器;例如當年筆者學寫 COBOL 程式時使用的 IBM 4381 大型主機,它的中央處理單元佔地就是好幾塊標準高架地板的大小。


圖片來源:Apple

早期的這些處理單元不僅僅是專屬(於某一個作業系統/供應商)而已,它還是客製化的,甚至為了不同的應用目的也會客製不同的處理單元。而隨著半導體技術的發展,這類中央處理單元從機器演變成模組,由一片片的電路板組成,但此時的處理器也還是專屬的。

直到大約從 1970 年代開始,經由大型積體電路製造出了所謂的「微處理器 (Microprocessor)」後,「處理器」一詞這才被用來特指那一顆晶片,而此時處理器也開始從專屬走向開放、通用,未必需要特定的作業系統才能運作。Intel 的 x86/64 架構就是通用處理器的代表,而個人電腦的發展當然也與 x86/64 架構有著密切的關係。個人電腦發展史上最著名的戰役,當然就屬 Apple「封閉的」Macintosh+Motolora 68000 處理器,對戰 Microsoft「開放的」Windows+Intel x86/64 處理器,最終結果大家都很清楚了。
但今天當我們回顧起這段歷史時,應該可以理解所謂的「通用」一詞,是就相對性的,也就是指相容性的與使用量上的多寡而言,通用並非絕對開放毫無限制;但無論如何,它就是要比「專屬」的處理器更開放一些。
後續我們將會再次的看到這個「相對性」的概念。

在同一個時期,從 IBM 大型主機以降的企業級伺服器,其專屬的微處理器也在發展著,高峰期則大約落在 1980~2000 年代,當時全球三大主要的伺服器供應商,都有著自己專屬的處理器搭配著自有的作業系統在全球銷售:HP(E) 的 PA-RISC/HP-UX,而後由 IA64 接棒、IBM 的 PowerPC/AIX 與 Sun Microsystems 的 SPARC/Solaris,這三大巨頭幾乎橫掃當時的企業級伺服器市場。相較於通用型微處理器,這個時期的專屬處理器有著較大的優勢,一是基於 RISC(Reduced Instruction Set Computer 精簡指令集電腦)架構的微處理器,效能更好。
二是因為專屬所以特化,作業系統(軟體)與伺服器(硬體)完全整合,可以為達成某些特殊的功能而做出獨特的設計。

筆者當年在某家伺服器供應商服務時,也是以此為宣傳的重點。而效能與特化這兩大優點,恰好也都是當時企業組織所需要的,因此使得專屬微處理器佔據了當時大部份的伺服器微處理器市場。

開發一顆微處理器需要投入巨大的資源,這些巨額的研發投資當然也會反應在產品的售價上,但如果銷售成績「好」到足以在財務上支撐研發的延續性,高價就不會是問題,這就是當時三大巨頭可以佔領大部份企業市場的主要原因。但隨著製程越先進,研發的成本也會越高,也就需要更多的客戶、更多的銷售來降低製造成本,但這與專屬處理器的特性是互相矛盾的;高成本與限制性並不利於為其找到更多的客戶,這也為其在 2000 年後快速消失埋下因子。

正當專屬型微處理的發展遇上逆風時,對手陣營卻正準備展翅高飛,專屬的二大優勢被逐步追上。在效能方面,通用型微處理器隨著技術的進步速度越來越快,多核心、多執行緒的出現,即使單核效能稍差,但多核心同時處理,反而可以使整體工作完成的時間更短。另一方面,原本只有專屬系統才能提供、企業用戶最在乎的所謂「企業級」功能,例如高 RAS(High Reliability, Availability, Serviceablility 高可靠性、可用性與可維護性),在開放陣營的努力之下,透過叢集與其它技術的協助,以「很多低可靠性的伺服器達成高可用性與高維護性」的目的,也有效地擴展了通用系統在企業級伺服器的市場佔有率。如今,根據 Statista 的數據,2019 年專屬系統伺服器的市佔率大約只有 8%,而市場上傳統的專屬型微處理,大概也只就剩下 IBM 的 PowerPC 有在繼續做商業發展了。(HPE/Intel 的 IA64 架構在 2017 停止開發;Sun 的 SPARC 在 2005 年開源,被收購後 Oracle 也在 2017 年停止開發。) 這個市場的發展趨勢幾乎已經是不可逆的,至少到目前為止,筆者是看不出有什麼逆轉的可能性!


圖片來源:Stataista

除了上述的因素外,人力也是研發處理器另一個重要的資源,所有打算自行研發處理器的公司,都在互相競爭市場上有限的處理器研發人才。儘管我們沒有看到實際的數字,但筆者相信 IBM PowerPC 的研發團隊肯定沒有 Intel 某一型微理器的研發團隊來得大!優秀的人才會往高薪資、有發展潛力的地方流動,而這也對專屬的微理器發展造成負向的循環。這也就是為什麼 HP(E) 會與 Intel 合作開發 IA64 微處理器的原因,這在當年看來是難以理解的「與狼共舞」,不過對 HP(E) 來說,可能也是不得不的選擇。

廿年過去了,到了 2021 年的今天,鐘擺效應使得整個微處理器的發展又開始往專屬方向走,一路從行動裝置燒回伺服器。造成這一波專屬型微處理器復興的主要原因之一,就來自於同樣是 RISC 的 arm 架構的興起,而所謂「arm」就是先進 RISC 機器 (Advanced RISC Machine) 的簡稱,因此筆者將此稱為「復興」。事實上 arm 架構的發展早於 2000 年,與先前 RISC 專屬型微處理器不同,arm 架構最後走的是智財授權的模式,允許其它公司基於這個架構開發出自己專屬的微處理器。

目前市場上最知名的 arm-based 微處理器當然就是 Apple 的 A-系列與 M-系列。此外,像是 Fujitsu、Google、Nvidia、Qualcomm、Samsung、TI 與台灣的聯發科等一眾公司,都有開發出基於 arm 架構的微處理器。到目前為止,以上這些基本上都還算是「專屬型」微理器。
但當擁有市佔率超過八成 Windows 作業系統的 Microsoft 也說要自己開發基於 arm 架構的微理器,再加上市佔約 10% 的 Apple Mac OS 已經可以使用 M-系列微處理器時,到底誰是專屬?誰又是通用?
事實上 Windows 已經有 arm 版本,另外還有不少雲端服務公司,像是 Facebook、中國的阿里巴巴與騰訊等,也都說自行開發微處理器,更別提一票的手機製造商,幾乎可以用「前赴後繼」來形容這一波自行研發微處理器的浪潮。

造成專屬型微理處器復興的另一個主因,則來自於 Intel 的老大心態!行動裝置、包括筆記型電腦需要的是高效能與低耗能的微處理器,但 Intel 的 Core-系列行動裝置微處理器,長期以來在這兩方面始終達不到業界的要求,更別提個別廠商希望微處理器可以特化的需求,這原本就不是「通用型」處理器的強項!這也使得有需求的廠商一旦市場成熟,並且具備足夠的能/財力時,自然而然就會往這方向走。

儘管 Fujitsu 最新一代的超級電腦「富岳」也是採用 arm-based 的 48 核心 A64FX 系統單晶片,但這算是特殊應用場景,未來 arm-based 微處理器具否足堪企業級伺服器的大任,雖然還未可知(但可能性很高),因此短期來看,企業資料中心的伺服器仍然會是 Intel 微處理器的天下。不過,大家常說商場如戰場,形勢瞬息萬變,Apple 的 M-系列微處理器只是推波助瀾的一段過程。如果有一天 Windows Server 開始支援 arm-based 的微處理器,原本就具備處理器研發經驗的 IBM,也讓旗下的 Red Hat 支援 arm-based 微處理器時,這恐怕才是 Intel 最擔心的事吧!