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美政府幹擾中資收購 致MIPS架構發展路斷

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如果不是美國政府對MIPS的囚禁,MIPS架構本來應該有機會在中國獲得新生。

出品丨自主可控新鮮事

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通用計算機發展以來,基於不同的設計思想,誕生過許多各有特色的

CPU

架構。

“架構”在大多數時候與“指令集”是同義詞,

它專指CPU指令系統的行為規範,也約定了

軟體

呼叫CPU物理電路功能時使用的控制訊號。而

CPU核心的電路設計稱為“微架構”或“微結構”

,只是這些詞語被許多企業和媒體有意無意地混淆了。

在指令集架構中,其中之一MIPS的發展衰落,尤其令人惋惜。多次易主,被美國政府幹擾收購,幾乎斷送了發展之路,造成這個指令集最終從興轉衰。

對於MIPS的歷史,可以用十六個字來簡述:“始於微末,成於天時,衰於割裂,亡於自囚”。

第一階段:精簡指令集得天下

上世紀七八十年代,一些學者認為往CPU中不斷新增各種指令是在錯誤的方向上越陷越深

,每一條新指令都需要大量的電晶體去實現功能,許多指令的功能有重合的部分,也使編譯器和程式設計師在選擇指令時無所適從。

他們提出了一種新的思路,最主要的特徵是:

把各種指令功能儘可能的拆解為最小單元,把相同的單元合併為一條指令,所有的複雜功能都可以使用這些簡單指令組合實現;

固定指令長度,統一指令編碼格式,只有載入、儲存指令可以讀寫記憶體;

進一步分解指令執行的每一個步驟,便於實現指令流水線設計,儘量使每一條指令都只消耗一個時鐘週期,而傳統指令系統無法實現流水線。

基於這些思路設計的指令系統都被稱為“精簡指令集(RISC)”

,傳統的指令系統就自然地得到了

“複雜指令集(CISC)”

名稱。RISC的每一項重要特點都與傳統的指令系統背道而馳,以至於沒有哪家公司願意進行實踐,而一些學術專案也沒能成功展現RISC的優點。

直到斯坦福大學的幾名老師帶著研究生們成立了MIPS專案組,完成了基於RISC設計思想的MIPS指令集設計,並完成了用於驗證的CPU設計和流片,然後在1983年的ISSCC大會上引起了業界譁然。

這款CPU的主頻只有同期主流商業CPU的一半,電晶體數量也只有幾分之一,但卻把來自工業界的對手完全擊敗,展現了RISC設計思想的非凡優勢。

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在當時積體電路中電晶體的單位成本還很高,MIPS架構指令少,就意味著設計成本和生產成本都能減少,但又能實現比傳統架構更高的效能,因此迅速獲得了學術界和工業界的廣泛關注,也成為了被寫進教科書的經典設計。

1984年MIPS公司成立,但只是一家很小的創業公司,它無力自己生產晶片,只能透過把設計授權給其它半導體企業來獲利。

那時候把CPU核心設計成獨立IP(作為功能模組存在的晶片核心設計)的技術還不成熟,出售的要麼是難以修改的完整CPU設計,要麼是非常寬鬆的架構授權。MIPS允許其它公司基於MIPS架構自行設計CPU,並允許以ASE(應用特定指令集擴充套件)和UDI(使用者定義介面)這兩種方式擴充套件指令集。

由於MIPS表現出的效能和成本優勢,DEC和SGI等公司均大量地使用基於MIPS架構的CPU產品,MIPS在市場競爭中呈良好的上升勢頭。

第二階段:失去主導,處境艱難

隨著MIPS授權企業的增加,在發展的過程中,幾乎每個獲得架構授權的公司都會在CPU中加入自己的獨特設計以提高在某些應用中的效能,配套的板卡更是五花八門,作業系統和應用軟體的相容性受到了挑戰

。而Intel與微軟的聯盟則依靠良好的向前相容性特性迅速積累了大量的應用軟體,整體上看MIPS的CPU市場佔有率仍在上升,但MIPS的業務軟體卻進入了衰退期。

在1991年

大約20個公司成立了ACE聯盟,希望定義統一的規範和標準,使作業系統和應用軟體能夠執行在它們的任何一款計算機上。

可是MIPS公司自身的實力不足以主導規範定義,每家企業都希望採用自己的標準,

在大家的爭吵中規範定義的工作進展緩慢。沒有主導者的聯盟,除了吵架似乎沒有什麼其它事可以幹,

直到MIPS徹底倒閉,這個聯盟也沒有完成規範的制定。

目前受到關注的RISC-V與MIPS有許多相似之處,擁有授權的各家企業都在UDI中擴充套件自己的指令,但誰都不願意讓步致使大家都不能併入主線,RISC-V的設計者曾經也設計了MIPS,大概是對MIPS執念太深,仍然保留了這個深坑。

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那時老牌的半導體企業們基於RISC思想設計的CPU和架構,也紛紛投入了使用,ARM也開始嶄露頭角,給MIPS公司來了巨大的壓力。

在DEC決定拋棄MIPS架構,未來轉用自己的Alpha處理器之後,MIPS公司的處境更是雪上加霜。之後SGI成為了MIPS的最大客戶,為了拯救MIPS而在1992年完成了對MIPS公司的收購,成為它的CPU設計小組

,這是MIPS公司第一次易手,之後MIPS就進入了顛沛流離的模式。

九十年代中期

,Intel在P6的設計中採用了RISC的思路,CPU後端使用類RISC流水線的設計,在CISC指令集解碼的階段轉換為RISC類的指令,並引入了亂序多發射技術,多管齊下使CPU效能與MIPS當時的旗艦R10000相比不再有明顯的劣勢。隨著先進的微結構和物理設計、工藝實現帶來的改進,指令集的劣勢被逐漸掩蓋,加上Intel在軟體生態方面的優勢,市場佔有率逐年上漲。

SGI在與Intel的競爭中業務下降,因營收減少而削減了MIPS新CPU的研發資金

1998年SGI面臨現金流問題,於是決定裁掉CPU設計小組,將它恢復為獨立的MIPS Technologies公司。

壯士斷腕的同時,SGI又作了一個更加錯誤的決定,就是

宣佈今後使用Intel的IA-64體系結構。

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SGI使用MIPS處理器的伺服器產品

第三階段:美政府幹擾 阻斷最後希望

從MIPS被SGI拋棄以後,除了中企龍芯的CPU之外,再也沒有其它的高效能MIPS桌面/伺服器CPU問世

。不過用於高效能網路裝置的MIPS處理器並沒有迅速沒落,仍然在正常發展,有的單核效能甚至高於龍芯初期和中期的桌面CPU,龍芯在長時間的技術沉澱後才實現了反超。其中cavium的OCTEON系列,最高允許在晶片中整合48個核心,但是單核效能沒有突破,也沒有完善的桌面/伺服器生態,仍然只能應用在網路裝置當中。

2013年MIPS又被Imagination併購成為其子公司,當時僅花了9000萬美元。

同年,MIPS公司釋出了MIPS R5版,次年又釋出了與以往版本不相容的MIPS R6版。

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可以說,

決定MIPS命運的轉折事件,在2017年出現了

。當時一家

中國公司Canyon Bridge收購了Imagination,但是美國政府跳出來堅決反對MIPS被出售,因此MIPS被剝離後單獨出售給了Tallwood,以6500萬美元成交。

這一次中資企業對MIPS收購失敗,也令龍芯更加警惕。因為

MIPS當時最有價值的是MIPS系列架構的所有權

,至於

MIPS手中的那些IP(晶片核心設計),效能已經落後於龍芯的自主設計

,但只要這個線頭可以牽制中國自主技術的發展,美國就會把它牢牢攥在手裡。

2018年MIPS又被Wave Computing收購,成為其獨立經營的子公司

2019年3月底

為了扭轉MIPS乏人問津的局面,MIPS開源了R6版,除了指令集,還有免費的IP和相關工具。

當時已經領導了MIPS桌面生態的龍芯卻公開宣佈不會跟進MIPS R6

,給了MIPS最後一擊,然後MIPS R6的開源計劃僅持續了半年多點就草草取消。

第四階段:難獲新生

2020年

Wave Computing破產,然後重組後更名為MIPS,但以後將使用RISC-V架構,

MIPS架構被它的所有權人徹底拋棄。

其實,從SGI削減MIPS的研發投入開始,到後來被數次轉賣,MIPS都一直缺少足夠的研發投入,沒有設計新的優秀CPU,也就沒有機會誕生有價值的新專利,隨著舊專利的過期,還剩下的也就一個MIPS系列架構的所有權,以及不多的仍在使用MIPS架構的客戶而已。

如果不是美國政府對MIPS的囚禁,MIPS架構本來應該有機會在中國獲得新生。

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