環(huán)顧當(dāng)今世界，CPU 領(lǐng)域已形成由美國(guó)、中國(guó)、俄羅斯、日韓和歐盟構(gòu)建的“一超多強(qiáng)”體系。但如果鉤沉歷史，蘇聯(lián)應(yīng)曾是世界上微電子技術(shù)最強(qiáng)大國(guó)家之一，甚至一度領(lǐng)先美國(guó)。
然而，在蘇聯(lián)解體后，俄羅斯的經(jīng)濟(jì)衰退、政治不穩(wěn)等局勢(shì)，導(dǎo)致大量科研人才離境前往美國(guó)。其中，得益于俄羅斯的技術(shù)人才，英特爾迎來(lái)發(fā)展的黃金時(shí)代，從而成為 CPU 領(lǐng)頭羊。
整體上，俄羅斯的 CPU 研發(fā)經(jīng)歷了“輝煌”、“動(dòng)蕩”、“難產(chǎn)”、“衰敗”四個(gè)時(shí)代。如今，雖然俄羅斯仍在 CPU 領(lǐng)域奮力搏擊，但以往風(fēng)光無(wú)限的歲月注定一去不復(fù)返。
01 輝煌
1976 年，正值冷戰(zhàn)“鐵幕時(shí)期”。由于承擔(dān)了研制蘇聯(lián)超級(jí)電腦的重任，鮑里斯?巴貝揚(yáng)的活動(dòng)范圍被局限在蘇聯(lián)境內(nèi)。因此，酷愛(ài)登山的他只好埋頭攻堅(jiān)關(guān)鍵技術(shù)。
僅兩年后，巴貝揚(yáng)就率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研究出全世界第一臺(tái)超標(biāo)量計(jì)算機(jī) Elbrus-1。顯而易見(jiàn)，這臺(tái)計(jì)算機(jī)取名自蘇聯(lián)及歐洲最高峰 —— 厄爾布魯士（Elbrus）峰。
蘇聯(lián)研制 Elbrus-1 的主要目的是服務(wù)于開(kāi)發(fā)飛彈系統(tǒng)、核武器和太空計(jì)劃等軍事工業(yè)。巴貝揚(yáng)稱，Elbrus-1 采用的超標(biāo)量處理器，在運(yùn)行時(shí)會(huì)將連續(xù)的符號(hào)轉(zhuǎn)換為并行符號(hào)加速執(zhí)行。
而這一技術(shù)直到 1993 年才在 IBM 研發(fā)的 PowerPC 601 上得以應(yīng)用。這意味著俄羅斯在該技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先美國(guó)可達(dá) 15 年。
早在 Elbrus-1 的問(wèn)世前，巴貝揚(yáng)就因出色的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工作被授予了“十月革命勛章”。Elbrus-1 誕生后，巴貝揚(yáng)接著領(lǐng)導(dǎo)第二代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。
▲ Elbrus 2 CPU
1987 年，Elbrus-2 研制成功，不僅擁有超標(biāo)量體系架構(gòu)，而且還具備支持高級(jí)程序語(yǔ)言的新技術(shù)。這臺(tái)計(jì)算機(jī)有 10 個(gè)處理器，每秒運(yùn)算達(dá) 1.25 億次。
鑒于對(duì) Elbrus-2 及其亂序超標(biāo)量體系架構(gòu)的巨大貢獻(xiàn)，巴貝揚(yáng)當(dāng)年獲得政府頒發(fā)的“列寧勛章”。這是蘇聯(lián)當(dāng)時(shí)的最高榮譽(yù)。
盛名之下，已年屆 54 歲的巴貝揚(yáng)并沒(méi)有停止探索，并繼續(xù)率隊(duì)開(kāi)發(fā)第三代 Elbrus。他提出采用更新的超長(zhǎng)指令字（VLIW）架構(gòu)，即通過(guò)一個(gè)編譯器來(lái)確保指令同時(shí)在不同的處理器上被執(zhí)行。
值得注意，在巴貝揚(yáng)開(kāi)始研發(fā) Elbrus3 時(shí)，蘇聯(lián)還完成了 32 位 El-90 微處理器設(shè)計(jì)。
這一項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人弗拉基米爾?彭特科夫斯基。他在 Elbrus 研究小組中曾是巴貝揚(yáng)下屬。他參與了 Elbrus-1 與 Elbrus-2 計(jì)算機(jī)的研發(fā)，并主導(dǎo)開(kāi)發(fā)了高級(jí)程序語(yǔ)言 El-76。
1990 年，El-90 微處理器的原型問(wèn)世。這一結(jié)構(gòu)反映出把 RISC 和 Elbrus-2 結(jié)合在一起的設(shè)計(jì)思想，因而具有更強(qiáng)大的兼容性。
02 動(dòng)蕩
隨著蘇聯(lián)的政治體制和經(jīng)濟(jì)體系遭遇劇變，Elbrus-3 項(xiàng)目的研究經(jīng)費(fèi)突然中斷。痛心之后，巴貝揚(yáng) 1992 年成立了 MCST 公司，專注于 VLIW 架構(gòu)的處理器 Elbrus 2000（E2K）的開(kāi)發(fā)。
面對(duì)美國(guó)企業(yè)紛紛找上門，巴貝揚(yáng)一概拒絕。但他卻答應(yīng)了 Sun 公司創(chuàng)始人 Scott McNealy 的合作請(qǐng)求。因?yàn)樵谔K聯(lián)解體前的 1989 年，他已經(jīng)來(lái)“拜訪”了巴貝揚(yáng)。
1992 年，MCST 與 Sun 公司在莫斯科聯(lián)合建立了 SPARC 技術(shù)中心，共同研發(fā)處理器架構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯器與多媒體函式庫(kù)。而這促成了 Sun 后來(lái)在處理器上的快速崛起。
不過(guò)，在蘇聯(lián)政局動(dòng)蕩下，彭特科夫斯基選擇了移民美國(guó)。1993 年，憑借強(qiáng)大實(shí)力以及把許多 Elbrus 小組開(kāi)發(fā)的先進(jìn)技術(shù)帶到了英特爾，彭特科夫斯基晉升為英特爾 CPU 首席工程師。
▲ 弗拉基米爾?彭特科夫斯基
隨后，他開(kāi)始主導(dǎo) PentiumIIl 的架構(gòu)研發(fā)，其中的重點(diǎn)就是新增 SSE 指令集及改善微架構(gòu)。然而，Pentium III 處理器的幾大特色幾乎都與 El-90 微處理器的特征相同。
其中包括：每個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行兩條指令的超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)；支持兩路多重處理、排錯(cuò)；具有支線推算，高性能的管線浮點(diǎn)單元，以及充足的高速緩沖存儲(chǔ)器。
另外，1995 年英特爾推出了結(jié)構(gòu)更優(yōu)的 Pentium Pro 微處理器，而新增的主要特點(diǎn)幾乎都是彭特科夫斯基在蘇聯(lián)積累的技能，包括改進(jìn)的 x86 指令解碼器單元和超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)，推測(cè)執(zhí)行以及無(wú)序執(zhí)行等。
基于此，曾有人推斷 Pentium 就是以 Pentkovski 的名字命名。其實(shí)彭特科夫斯基到美國(guó)后，Elbrus 團(tuán)隊(duì)一直都不知道他到底在做什么。直到 1999 年，他的名字才出現(xiàn)在一本技術(shù)刊物上。
在技術(shù)來(lái)源問(wèn)題上，巴貝揚(yáng)也曾直言，英特爾的 Pentium Pro 微處理器與俄羅斯超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)的變體非常相似。“英特爾是第一家采用超標(biāo)量結(jié)構(gòu)技術(shù)的公司，并在后來(lái)迎來(lái)自己的黃金時(shí)代，成為西方世界領(lǐng)頭羊。”
03 難產(chǎn)
九十年代中后期，MCST 公司面臨人才流失、經(jīng)費(fèi)短缺和項(xiàng)目停滯等眾多困難。所幸的是，最核心的幾位科學(xué)家留了下來(lái)，從而使項(xiàng)目研發(fā)得以延續(xù)。
對(duì)此，巴貝揚(yáng)率團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，并于 1999 年成功研制 Elbrus 2000 的處理器 E2K。
該 CPU 可能同時(shí)執(zhí)行 Elbrus VLIW 和英特爾 x86 代碼，每一時(shí)鐘周期可以執(zhí)行 24 條指令，僅憑 1.2GHz 的工作頻率就能帶來(lái) 10.2GFLOP / s 的運(yùn)算性能。
這一速度是當(dāng)時(shí)英特爾正準(zhǔn)備發(fā)布的 Itanium（安騰）服務(wù)器芯片的三倍。
雖然 E2K 憑借不可思議的超高效能、超小芯片面積與超低功耗等轟動(dòng)了業(yè)界，但俄羅斯投資者卻因?yàn)殡娮釉O(shè)備開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)大，而不愿意投資 MCST 公司。
為了解決經(jīng)費(fèi)及融資問(wèn)題，巴貝揚(yáng)在開(kāi)曼群島注冊(cè)了 Elbrus 國(guó)際，同時(shí)宣稱他們需要 6000 萬(wàn)美元和 3 年時(shí)間才能完成最終設(shè)計(jì)，如果只做縮水版處理器則需要 500 萬(wàn)到 1000 萬(wàn)美元。
在四處尋找資金支持者或客戶時(shí)，巴貝揚(yáng)還讓 MCST 為各種美國(guó)公司編寫程序。但他沒(méi)有把所得利潤(rùn)用于擴(kuò)大編程業(yè)務(wù)，而是投入處理器的研制。
▲ 鮑里斯?巴貝揚(yáng)
在巴貝揚(yáng)看來(lái)，處理器是更有價(jià)值的東西。“我們比很多美國(guó)人更了解微處理器市場(chǎng)”。俄羅斯技術(shù)的擁護(hù)者為大膽的夢(mèng)想喝彩，也可能在技術(shù)領(lǐng)域取得突破性成就。
后來(lái)，巴貝揚(yáng)一度在俄羅斯總統(tǒng)身上看到了希望。
2000 年 6 月，俄羅斯總統(tǒng)在上臺(tái)三個(gè)月后就批準(zhǔn)了《國(guó)家信息安全學(xué)說(shuō)》，提出重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)包括：高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)和信息攻擊與防護(hù)技術(shù)等。
俄羅斯的高調(diào)引起了西方關(guān)注。當(dāng)時(shí)美國(guó)加州的著名半導(dǎo)體雜志《微處理器報(bào)告》，曾做了一篇叫《The Russians Are Coming》的報(bào)道深度介紹了 Elbrus 2000 處理器的各項(xiàng)黑科技。
04 衰敗
面對(duì)來(lái)自俄羅斯的競(jìng)爭(zhēng)，美國(guó)科技企業(yè)很快開(kāi)始行動(dòng)。2002 年，英特爾和惠普聯(lián)合研發(fā) Itanium 2 處理器，代號(hào)“McKinley（麥金利）”。
雖然表示 Elbrus 比麥金利更好，但時(shí)移勢(shì)易，巴貝揚(yáng)認(rèn)為“要做到世界第一，就要走出去”。于是，在 Elbrus 2000 成功落地的 2004 年，他決定和 E2K 團(tuán)隊(duì)一起加入英特爾。
巴貝揚(yáng)在英特爾擔(dān)任的職位是軟件和服務(wù)部門架構(gòu)總監(jiān)，以及英特爾莫斯科研發(fā)中心的微處理器研發(fā)主管。另外，他還是第二位獲得英特爾院士稱號(hào)的歐洲人。
與此同時(shí)，英特爾收購(gòu)了 MCST 的超標(biāo)量處理器相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，進(jìn)一步鞏固了在處理器行業(yè)的地位。
此后，俄羅斯的處理器研發(fā)幾乎一蹶不振。在政策推動(dòng)下，MCST 推出了一系列 Elbrus 處理器的進(jìn)階版，但這些處理器一直在“吃老本”，并逐步落后西方。
直到 2012 年，俄政府開(kāi)始對(duì)微電子產(chǎn)業(yè)大力扶持，制定了《2013-2025 年電子工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《國(guó)防工業(yè)綜合體發(fā)展規(guī)劃》等產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。其中對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)備等優(yōu)先支持的子項(xiàng)目，下?lián)茴A(yù)算總額達(dá) 1700 億盧布。
緊接著，俄政府對(duì)微電子產(chǎn)業(yè)也做了不少努力，包括盡可能采購(gòu)國(guó)產(chǎn)電子產(chǎn)品，開(kāi)發(fā) CPU 民用和軍用條線，全面發(fā)力 Elbrus2000、SPARC、MIPS 三大架構(gòu)，以及研發(fā)“貝加爾”芯片。
基于此，2015 年 MCST 推出了號(hào)稱俄有史以來(lái)技術(shù)水平最高的國(guó)產(chǎn)處理器 ——Elbrus-4C，可比肩英特爾 i3 和 i5（2009 年發(fā)布）。該芯片采用 65 納米，包含 4 個(gè)核心，工作頻率 800MHz。
▲ Elbrus-16C 處理器
2020 年 10 月，MCST 又公布了旗下最新款 CPU——Elbrus-16C。這款處理器采用第六代 VLIW 指令集架構(gòu)打造，由 120 億個(gè)晶體管組成，設(shè)計(jì)為 16 核、2GHz 頻率，制造工藝是 16 納米。
顯然，目前俄羅斯能研發(fā)的最頂尖處理器也已經(jīng)比較落后。這一切，年近九旬的巴貝揚(yáng)自然看在眼里。雖然至今仍沒(méi)有退休，還有很多項(xiàng)目計(jì)劃去做，但他已不再回來(lái)。
結(jié)語(yǔ)
時(shí)下關(guān)于計(jì)算機(jī)處理器架構(gòu)的主流歷史，都在宣揚(yáng) CPU 核心技術(shù)源自美國(guó)。但鮮有人知道，英特爾早期處理器的核心技術(shù)，或多或少來(lái)自于蘇聯(lián) Elbrus 超級(jí)計(jì)算機(jī)的工程師。
俄羅斯處理器專家基思?迪芬多夫曾說(shuō)，“超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)、共享存儲(chǔ)多重處理技術(shù)和 EPIC 技術(shù)等概念，在西方出現(xiàn)之前很久，Elbrus 就已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出了基于這些技術(shù)的電腦?！?/p>
然而，風(fēng)光輝煌之后，俄羅斯 CPU 技術(shù)衰落的原因或許更值得探討。其中既有俄羅斯忽視計(jì)算機(jī)科技民用和商用化原因，也有其政治經(jīng)濟(jì)不穩(wěn)，以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后等因素。
在當(dāng)前國(guó)際形勢(shì)下，如果從國(guó)家安全角度考量：一旦俄羅斯處理器技術(shù)受制于人，將在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)和對(duì)抗中處于非常不利的地位。雖然仍有一定“基底”，但俄羅斯已難以扭轉(zhuǎn)這一被動(dòng)局面。
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