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RISC 架构

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1974年, IBM 研究院的研究员 John Cocke 和他的团队开始设计电话交换控制器。他们成功设计了采用精简指令集计算机 (RISC) 架构计算机原型。新架构的设计旨在使计算机能够以更快的速度运行,直到今天,这种架构仍应用在几乎每台计算设备中。

RISC 架构

第一台采用精简指令集计算机 (RISC) 架构的计算机原型由 IBM 研究员 John Cocke 和他的团队在 20世纪 70年代末设计完成。凭借这项成果,Cocke 在 1987年荣获图灵奖,在 1994年被授予美国国家科学奖章,并在 1991年被授予美国国家技术奖章。

IBM RT PC

RISC 技术个人电脑 (RT PC) 于 1986年推出,它采用了 32位 RISC 架构。

IBM RS/6000

IBM RS/6000 在 1990年发布。这是第一台采用 IBM POWER 架构的机器。RS/6000 的名称在多年发展过程中改变了许多次,包括 IBM eServer™ pSeries®、IBM System p® 和 IBM Power Systems®。

才华出众的 John Cocke 对计算机软硬件及其交互方式具有深入的了解,这使得他能够在多个不同领域中找到问题的解决方案。他经常穿梭于 IBM 的不同办公室之间,与同事讨论他们正在实施的项目,即使那不是他的专业。他似乎始终比别人领先一步,通过讨论细节而领导着他们开展工作。据 Harwood Kolsky 回忆:“他经常抽着烟从一个房间到另一个房间,从一个实验室到另一个实验室,不断传播自己的想法。”

Cocke 以独特方式看待事情的能力让他想出了 RISC 架构的概念。当时,复杂指令集计算机 (CISC) 架构是一种标准,尽管这个名字并没有存在几年。CISC 设计的目的是以尽可能少的汇编码完成一项任务。架构师将复杂指令直接加入到硬件中—这种微处理器采用一个特定的指令集,其中,每个指令执行一系列操作。在这种设计中,编译器只需做极少的工作即可将高级语言语句转换为编译语言。

Cocke 和他的团队缩减了指令集的大小,消除了某些很少使用的指令。Cocke 在 1987年回忆到:“我们知道,我们需要一种具有简单架构和能够在单个机器工作周期中执行的一组简单指令的计算机—使得这种机器的运行效率非常高,而这是其它更复杂的计算机设计不可能实现的。”

借助新的设计,CPU 只能执行有限的一组指令,但执行速度要快得多,原因是指令非常简单。每个任务都可以在单个机器运行周期或者电子脉冲中完成,例如读取一个指令、访问内容或者写入数据;对于 CISC,任务通常需要多个机器运行周期,执行一个任务的时间至少要长一倍。

每个指令的执行都需要同样多的时间,因此,流水线技术可以实现。通过流水线技术,指令可以设置为像一个同时执行多个指令的装配线。例如,在读取一个指令时,另一个被解码,第三个被执行,而第四个写入结果。每个阶段同时处理,从而提高了整个工作负荷的吞吐量。此外,外部内存仅由加载和存储指令访问;其它所有指令仅限于内部寄存器使用。这种简化的处理器设计为更快的计算打开了大门。

尽管 IBM 最初的电话交换控制器项目终止了,但 Cocke 和他的团队在 1980年完成了第一个采用 RISC 架构的计算机原型的设计—推出了 IBM ® 801(根据开发该机器所在的建筑物号码而命名) 。801 CPU 用在 IBM 硬件中,然后,在 IBM RISC 技术个人电脑 (RT PC) 在 1986年推出后,它被用作 IBM ROMP 处理器。

在 Cocke 和他的团队开发 801的同时,美国国防部高级研究计划署 (DARPA) 赞助的其它两个小组也在开展类似的项目,这些项目也采用了精简指令集。其中一个项目是在 David Patterson 和 Carlo H. Sequin - 他们提出了“RISC” 这个词 - 的指导下在加利福尼亚大学伯克利分校开展的。另一个项目由斯坦福大学的 John L. Hennessy 领导。

在 IBM ,RT PC 并没有取得多大的成功,但它促进了微处理器的进一步发展。1990年, IBM 推出了 RISC System/6000,简称 IBM RS/6000®。这个新系统的多芯片架构被命名为 POWER1,表示“采用增强的 RISC 优化性能”,而且它是当前的高性能、低能耗 IBM Power Systems™ 系列的直系前代。

在 RS/6000 推出后不久, IBM 与苹果和摩托罗拉建立联盟,共同开发基于 IBM POWER®架构的单芯片微处理器家族。1993年,AIM 联盟推出 PowerPC®架构。PowerPC 架构(现在叫 Power ISA)最早出现在 Apple Power Macintosh 6100 中,它在消费电子行业中具有重要的地位,广泛应用于游戏系统、汽车和通信设备中。

自从 RISC 架构设计推出后的多年内,处理器不断发展,而且其强大的能力超出了很多人的想象。 IBM 始终致力于推动处理器设计的创新。在过去 20年内, IBM 的基于 RISC 的处理器广泛应用在服务器和路由器、汽车发动机和飞机控制系统,甚至是航天器中—1996到 1997年间,NASA“火星探路者”的机载电脑就采用了 IBM POWER 处理器。

IBM 还将基于 RISC 的处理器用在所有超级计算机中。 IBM Blue Gene® 系列超级计算机和 Watson(2011年 2月参加 Jeopardy!智力竞赛并获胜的计算机)采用了 POWER 处理器。 IBM 、索尼集团和东芝公司开发的 Cell 宽带引擎架构™也基于 RISC 架构。第一台基于 Cell 的超级计算机 IBM Roadrunner 包含 12,240个 IBM PowerXCell™ 8i 处理器,同时配置了 6562个 AMD Opteron 处理器,它是第一台突破 Petaflop(每秒 1000万亿次运算)的超级计算机,在 2008年,其处理速度达到了 1.026 Petaflop。

如今,每个处理器都基于 RISC 架构。每年交付的基于 ARM RISC 的处理器达到数十亿个,应用在手机和其它小型设备中,而且 PowerPC 处理器在游戏系统和汽车领域也占有统治地位。

对 John Cocke 来说,他在 1987年荣获美国计算机协会每年颁发的图灵奖。Abe Peled 回忆到:“他的图灵奖论文真正反映了他追求高性能的实质… 很明显,早在 1960年,他的头脑中对于极高性能的计算机就有了非常明确的想法。他所做的就是等待技术成熟后将其变为现实。”

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