联系我们
意见反馈

关注公众号

获得最新科研资讯

评论



Share

第一款“苹果芯片”:水瓶座处理器项目。

5月28日
https://thechipletter.substack.com/p/the-first-apple-silicon-the-aquariusApple’s Purple Cray - 照片 © John Greenleigh

苹果自己设计的系统级芯片(SoC),用于iPhone、iPad和现在的Mac(具有“Apple Silicon”品牌),是库比蒂诺巨头竞争优势的一个关键来源。这些SoC中使用的Arm指令集兼容,但是由苹果设计的处理器,在性能方面始终优于竞争对手的设计。

苹果是 Herman Hauser(Acorn的创始人,苹果在原始Arm联合风险中的合作伙伴)的座右铭的现代典范:“未来将有两种类型的计算机公司,具有硅设计能力的公司和已死亡的公司。”

但苹果设计自己的处理器的第一次尝试距离第一个iPhone的出现还有二十多年。我们在“RISC Wars Part 1: the Cambrian Explosion”中看到,随着20世纪80年代的进展,几乎每家半导体制造商和计算机制造商都感到有必要拥有自己的处理器设计。苹果也不例外。

1984年,Mac使用Motorola 68000处理器推出。到1986年,苹果和其他使用68000处理器的公司可以看到使用新的RISC处理器设计之一的性能优势。

1985年,乔布斯离开了苹果,苹果现在由CEO约翰·斯卡利领导。Mac部门负责人约翰-路易斯·加塞和斯卡利被说服了,认为苹果应该通过设计自己的处理器来控制自己的命运。根据加塞的说法:

苹果工程师萨姆·荷兰提出了另一个长期的想法:让我们为未来的苹果个人电脑开发一款自己的四核处理器,这将显着超越英特尔和摩托罗拉芯片开发的发展,确保Mac处于行业的顶峰。

荷兰被任命负责项目——称为“水瓶计划”的苹果高级技术组。处理器的规格被称为“天蝎座”(位于银河系中心附近的星座),最初的实现被称为“安塔里斯”(是天蝎座中最亮的星星)。

使用紫色蜡笔设计

Cray对苹果使用Cray X-MP感到兴奋——来自Cray公司的内部杂志。

有约翰·斯卡利(John Sculley)的支持,水瓶座项目拥有了丰富的资源。曾经有超过50名员工参与设计工作。为了进行模拟和其他设计任务,斯卡利允许该项目购买Cray“超级计算机”。事实上,据传斯卡利本人第一个联系了Cray销售团队。据报道,Cray X-MP/48的价格约为1500万美元,而且安装在自己专用的建筑内,建筑准备工作创纪录地仅用了六周:

对于熟悉通常漫长的过程的人来说,苹果公司迅速获得超级计算机的能力似乎是奇迹般的。但我们对超级计算机的需求很清楚,公司内部缺乏官僚主义障碍也大大加快了进程。因此,苹果公司拥有了到目前为止最快的Cray系统安装之一,仅用六周就准备好了安装场地。

在这六周的大部分时间里,工作人员每天24小时,一周七天地连续三班倒,为计算机系统准备机房。工作人员拆除了建筑物,安装了冷却塔、冷却水和高压氟利昂管道、电线、空调、墙壁和假地板。

水瓶座项目原本应该是秘密的,但在一个专用建筑内安装了像Cray这样昂贵的计算机,保密工作就难以维持。如果新的Cray还不够引人注目,它甚至还有自己独特的颜色——紫色。为了保持隐蔽,苹果公司的管理层编造了另一个说辞,声称这台机器是用于开发下一代Macintosh的“可视化界面”。

一篇当代报道让人们了解了这个复杂的设置,其中涉及到Mac、Sun工作站和VAX小型计算机以及Cray:

通过VAX-11/785、VAX-11/780和Sun/2,Hyperchannel将Cray连接到几个苹果Macintosh网络。这些Mac连接到VAX和Sun上,通过AppleTalk与以太网串联。Kinetics公司的转换系统将以太网和AppleTalk桥接。

从理论上讲,Cray在那个时代看起来非常强大:

顶级系统是X-MP/48,包含四个CPU,理论峰值系统性能超过800 MFLOPS,具有800万个字的存储器。

但有多个问题。首先,设计Aquarius芯片所需的软件在Unix下运行。因此,苹果机成为世界上第一个运行Unix的Cray设备,具体来说是AT&T的Unix System V,与苹果合作设计新处理器。

其次,Cray是一种“向量机”,设计用于快速运行某一类程序:可以将其分解成较小的任务并并行运行的程序。这不是Aquarius团队所需的方法。最终,团队发现,他们连接到超级计算机的Sun工作站可以像Cray本身一样快速地运行他们的软件。

天蝎座架构

当其他公司都在追随伯克利和斯坦福的先驱RISC设计的例子时,苹果开始走了一条不同的路。

Aquarius的第一个版本并不是RISC,而是一种堆栈架构设计。该设计并没有使用传统的缓存,而是重度依赖于软件和编译器来管理需要时内存与处理器之间的转移。当编译器团队表示建立这样的软件是不可能的时,设计被改变为更为传统的RISC设计。

但是即使在这些更改之后,Aquarius设计仍然是新颖而雄心勃勃的。来自Scorpius规范的最新版本:

Scorpius是一个紧密耦合的多处理器CPU,具有高效的细粒度并行支持;该架构的开发是为了利用单芯片VLSI实现的互连性。Scorpius旨在成为构建最少组件的高性能个人计算机系统的处理元件。Scorpius CPU包括四个独立处理单元(IPU),它们共享对分离的指令和数据缓存、内存管理单元和内存/总线接口的访问。

独立处理单元(IPUs或PUs)是现代意义上的处理器核心:

IPUs具有一个小型寄存器导向的指令集,所有对内存的数据访问都通过寄存器的加载和存储指令完成。(寄存器和字长为32位。)每个PU有16个通用寄存器,CPU共有64个,还有7个本地寄存器。本地寄存器包括乘积、余数、前缀和各种状态保存寄存器。此外,四个PU共享8个全局寄存器。包括中断、事件计数器和全局状态寄存器。

荷兰的背景在超级计算机领域,这或许影响了购买Cray的决定。它可能也影响了Aquarius的设计,就像超级计算机一样,着重于并行计算,有几种并行执行模式。例如,它有一个单指令多数据(SIMD)模式:

SIMD(单指令流,多数据流)。这种模式对应于并行处理的通常视图:每个PU在不同的数据流上执行相同的操作。

所有这些看起来都非常前瞻,但苹果能建造Aquarius吗?

水瓶座水槽

天蝎座设计中包含的所有新功能,意味着它们失去了RISC方法的一个关键优势:简单性。在加州大学伯克利分校和斯坦福大学以及英国的Acorn公司,小团队已经成功地设计和构建了工作的RISC处理器,仅用了一年多一点的时间。在苹果公司,即使有50人的团队,设计也难以取得进展。

萨姆·荷兰离开了,由Atari的《坦克大战》游戏的创始人和现任苹果工程部门的最高级别职位-苹果会员Al Alcorn接替了他的位置。据Alcorn称:

情况变得不妙了。预算有问题,项目毫无进展。士兵们问我,我是否可以接手这个项目。这被认为是职业自杀。这太糟糕了,他们意识到我作为苹果会员的职位上,已经没有什么可证明的了,所以我可以承担这样的案子。我被非常聪明的人们所吸引,并试图挽救这个项目。

Alcorn随后从Ridge计算机公司招募了Hugh Martin,后者是早期32位RISC处理器设计的创造者。据报道,Martin将Scorpius设计描述为“荒谬”,向Alcorn和Sculley提出苹果公司最好专注于自己的优势,而不是试图与英特尔和摩托罗拉等行业巨头竞争。

最终,阿尔科恩意识到情况无望,尽管“那里有非常非常聪明的人。”他于1989年结束了Aquarius项目。

克雷被用于其他工作,包括据传运行注塑建模软件MOLDFLOW,以帮助设计Mac外壳。这是一台强大的机器的不光彩结局。

历史没有记录这个项目是否实际建造了任何硅片。缺乏任何原型的记录或提及表明他们从未建造过工作系统。

水瓶座的失落时代?

从2020年的角度来看,这一切似乎是一个失去的机会。如果一家小公司Acorn能在1985年设计自己的RISC处理器,那么如果苹果公司建造了一个更简单的RISC设计,那么它也将能够。也许,我们现在会使用苹果公司连续使用了35年的最新架构版本的Mac。这些处理器甚至可能使苹果在1990年代的最困难时期更具竞争力。

或许吧。试图改写历史总是危险的。在那个时候,苹果并不需要自己的CPU设计。68000将被PowerPC RISC架构所取代,苹果将获得IBM和Motorola的资源,这可能是比Aquarius计划更好的结果。

虽然如此,引用Gasee的话:

虽然四核处理器的开发工作没有直接产生结果,但Aquarius计划作为苹果公司掌控其硬件未来的早期示例而存在……

正是这种持久的渴望带给我们了2020年代的Apple Silicon。


本周版面的补充内容包括对Scorpius设计以及苹果公司使用Cray超级计算机的介绍。感谢所有成为付费订阅者并支持《芯片简报》的读者。

None

None

温馨提示:如果你喜欢这篇文章,你可能也会喜欢这篇关于苹果和橡树电脑合作导致先进的RISC机器的文章。

没有内容。

内容转载自https://thechipletter.substack.com/p/the-first-apple-silicon-the-aquarius-7cb?utm_source=%2Fbrowse%2Ftechnology&utm_medium=reader2

总阅读量:149