炼数成金

时代的眼泪:繁华落尽的SPARC处理器

阅读(3565) 评论(0)芯片  2020/07/31  痴汉水球

「网络就是电脑」(The Network Is TheComputer)这句格言,是在1984 年,由Sun 第21 名员工John Gage 创造。别说网络,在连个人电脑都尚未普及的年代,如此独树一帜的另类论点,恐怕让不少人「想问候小朋友」,但今日云端计算的普及,却充分印证了Sun 的另类观点,的确高瞻远瞩。

稍有年纪的读者,还记得20 多年前,在电脑中心随处可见的Sun Ultra 系列工作站,那高贵的Sony 特丽霓虹显像屏幕、听说手感还不错的键盘、戏称为「Slow -Laris」的Solaris 操作系统与里面的心脏:UltraSPARC 处理器吗?

头发绑马尾的Jonathan Ian Schwartz 在任职Sun CEO期间,没事就在官方部落格长篇大论左批HP 右打IBM,更是当时资讯业界与科技媒体茶余饭后的必聊话题。

2008 年4 月20日,Sun 董事会通过决议,同意将以每股9.5 美元价格,将这间拥有UltraSPARC 处理器、Solaris 操作系统、ZFS 文件系统、Java 程序语言、MySQL数据库、效能分析工具DTrace、庞大的服务器工作站产品线、无数大型企业客户、无数软硬件创新(如无人不知的NFS 网络文件系统和大型多处理器服务器)的硅谷知名公司,出售给以数据库与ERP 闻名于世的Oracle。

当时坊间舆论亦不乏对此购并案的担忧,但看在「Oracle大多数数据库产品都运行在Solaris,且往往跑得还比IBMAIX 还快」份上,加上Oracle 从此晋升为「软硬兼备」的强权,足以跟IBM 分庭抗礼,所以外界仍抱着「审慎乐观」态度。

不过很不幸的是,继在2017年初全球大裁员先砍了一批人,主管旧Sun产品线的系统部门执行副总裁John Fowler,8月2日因不明原因离职,2017年9月初,Oracle更一口气裁撤所有SPARC处理器与Solaris操作系统的964人,曾在互联网萌芽时代高悬天际的Sun,终究难逃陨落下场。

那时候网络也不缺替Oracle「洗白」的言论,像「产品计划表还有『SPARC.Next』和『Solaris.Next』这些未来产品」、「Fujitsu 还是会继续推出新SPARC64 处理器」、「Solaris 11.5 还是会在2019 年准时发表」,连「Solaris 的技术支持时限直到2034 年」这种借口都讲得出口。然后随着时间流逝,Solaris 11.4 已是将近两年前的往事,Solaris 12 则看来永远不会出现。曾几何时,这誉为「最普及的商用RISC 处理器与Unix 操作系统」无以为继,让人不胜唏嘘。

Oracle之所以购并Sun,以事后诸葛的角度,看似无心永续发展技术与价值,反而更像利用Sun多年累积的庞大专利权和商标权,让公司法务部门到处诉讼,狂找其他公司「讨债」,例如控告Google在Android手机使用JavaAPI索赔90亿美元,结果败诉。原本今年3月Google和Oracle要在美国最高法院大决战,因新冠肺炎影响,继续一拖再拖。

法国漫画家Manu 曾在2010 年,画了好几张「奇葩组织图」一次调侃苹果、Google、Oracle、微软、Facebook、亚马逊这6 家超级公司,Oracle 这张似乎冥冥之中预言了Sun 的命运。

「相对开放才有出路」的年代
成立于1982 年2 月、全名源自「Stanford University Network」的Sun Microsystems,因3 位创办人都是斯坦福大学研究生,从诞生到消失,一直保有浓浓的学术味。十几年前,Sun 尚未被Oracle 购并时,曾有Sun 高级主管当面对笔者这样形容他们的企业文化:这间公司感觉就很像大学。

从21 世纪开始,「开源软件」和「开放系统」成为不可质疑的政治正确,你不使用「日用品」等级的x86 指令集兼容处理器或开源操作系统,就是「不够开放」,而1980 年代以雨后春笋之势蓬勃发展的Unix 操作系统与他们的RISC 服务器平台,就纷纷被贴上「昂贵封闭」标签。但讽刺的是,所谓的「开放」到头来也只是相对概念,Sun 能从工作站市场发迹,就是因为「比较放得开」。

这里不得不先提那时的工作站(Workstation)市场。成立于1980 年的Apollo Computer(容易让人误认为阿波罗登月计划的导航电脑)是这领域的先驱者,而工作站其实就是比较高端的通用微型电脑,特别是远优于一般个人电脑的图形处理能力,而电脑辅助设计(ComputerAided Design,CAD)就刚好是最适当的需求。知道Autodesk这间公司在做什么的,应该清楚这种应用的大致样貌。

Apollo Computer 最大的客户,也不外乎像电子辅助设计工具业者(Mentor,现今EDA 工具三大巨头之一,仅次于Cadence 与Synopsys,在2017 年被德国西门子以45 亿美元现金收购)、汽车业(通用汽车、福特、克莱斯勒)和航空业(波音)等。

即使Apollo Computer 初代产品DN100 工作站采用的处理器,是普及到不能再普及的Motorola 68000,但仍难摆脱1970 年代的「遗风」,软硬件规格都具强烈封闭性,除了专属硬件规格,连操作系统也是仅提供类似Unix 操作指令的Aegis / Domain。不过Sun 就完全相反,一开始就选择「开放」,不生产定制化硬件,不同工作站都使用统一Unix 操作系统,再授权给不同公司制造产品。

凭着标准化软硬件,让Sun 更容易打造价格更低的产品,快速进入市场。短短几年,Apollo Computer 很快就被Sun 和DEC 超车,失去工作站市场的龙头地位。1987 年推出的Sun-4 首度成为采用SPARC 指令集兼容处理器的工作站,当年Sun 也跃升为工作站市场老大,从1985 年到1989 年,年复合成长率是美国企业最高的145%。Apollo Computer 则在1989 年被HP 以4 .76亿美元(相当于2019 年的9 亿8,200 万美元)代价购并,慢慢转形成HP 高效能运算产品线品牌之一。

当然,也可以自行解释成「学生创业就是这样,像什么有名大站和电玩小站,还不是起源于放在学生宿舍或研究室、脚边随时都会不小心踢到而挂站的DIY 电脑」 。Sun 创办人之一AndyBechtolsheim 设计的Sun-1 工作站,第一批的部分器件还是从斯坦福电脑科学系弄来的,你不「开放一点」根本没有其他出路。

名列商用RISC 处理器始祖精灵之一的SPARC
这种起源于学校的开放思想背景,自然也影响了Sun 自行研发的RISC 指令集处理器。Sun 在1984年开始进行SPARC(Scalable ProcessorArchitecture,可扩展式处理器架构)指令集研究,开发顾问则是大名鼎鼎的David Patterson,他是两本必读电脑架构图书的的作者、RISC的创造者、RISC-V 的发起者。2018年3月22日, DavidPatterson因开发了RISC微处理器并且让这一概念流行起来的工程师获得了2017 ACM图灵奖。

SPARC 深受早期RISC「精简」思潮熏陶,希望所有运算动作都可单时钟周期搞定并高度流水线化,像整数除法之类的「复杂」指令就付之阙如,透过重复的简单运算取代之,这部分到了1990 年的SPARC v8 才补完。

Sun 在1986 年发表32 位元的SPARC v7 指令集,但Sun并不像其他厂商自己做芯片,而是开放出来并定义严谨版本,让其他厂商也能研制SPARC 指令集的兼容处理器,1987年问世的Sun-4 系列工作站,处理器来源是日本Fujitsu 与Cypress(分别搭配来自Weitek 和TI 的浮点辅助运算器);世界首颗实做出来的SPARC 指令集兼容处理器,也并非出自于Sun,而是1986 年的Fujitsu MB86900。

1995 年SPARC v9 扩充到64 位元与SIMD 指令集VIS(Visual Instruction Set),Sun 跟Fujitsu 在2002 年联合提出JPS(Joint Programming Specification)规范并持续演进到UA(UltraSPARC Architecture)、OSA(Oracle SPARC Architecture )和Fujitsu 自行定义的高效能运算HPC-ACE(High Performance Computing – Arithmetic Computational Extensions)。

不限指令集架构,SPARC 也出现开放VHDL 语言原始码的LEON 处理器系列(使用针对嵌入式应用而生的SPARC v8E 指令集),采用LGPL 授权,并由非营利SPARC International 组织负责管理。Sun 日后也陆续开源UltraSPARC T1 与T2,成为OpenSPARCT1、S1(单核心的T1)和OpenSPARC T2,让更多人发出「啊,原来某种处理器技术的实做细节是长这样,教科书和技术文件根本不会教你怎么下手」的感慨。

总之,有别于80×86世界多年来迟迟缺乏公定版本的乱象,关于电脑最基础「语言」的指令集架构,SPARC一直都有统一标准。也因此,SPARC指令集兼容处理器的发展史,踩满了众多厂商的足迹,让历代SPARC处理器的型号总数,秒杀同时期的IBM Power(不算PowerPC)、DEC Alpha、HP PA- RISC及MIPS(如果只算高端处理器的话)等老对手。但这也让公认当代最强大的SPARC指令集兼容处理器,并非出自创造SPARC的Sun,而是日本Fujitsu。
如果还记得现在x86指令集兼容处理器的战场,扣掉英特尔、AMD双雄加上台湾VIA的Centaur,还有一间俄罗斯  Elbrus,所属的MCST公司全名就叫「Moscow Center for SPARC Technologies」(莫斯科SPARC技术中心),持续研制一系列应用在俄系军事武器的SPARC处理器。

然后网络也随处可见将「指令集架构」与「处理器微架构」混为一谈的高论,讲得好像Fujitsu、Cypress 和TI(德州仪器)这些公司「授权生产Sun 设计的SPARC 处理器」,但根本就不是这么一回事。如同英特尔和AMD 在x86 指令集兼容处理器的地位,Sun 和Fujitsu 身为高效能SPARC指令集兼容处理器的两大主角,两边的处理器微架构方向根本大相径庭,一边冲多核心多线程,另一边则是把RISC 处理器当成大型主机来做,不会有人敢说技术源流来自HAL 和Ross 的FujitsuSPARC64 系列,是Sun 授权的「设计」。

SPARC 历代指令集版本文件封面那句大大的「OneArchitecture……Multiple Innovative Implementations」(统一的指令集架构,多种创新的微架构实作),就是最佳写照,只是傻傻分不清楚的人还是继续看不懂。

源自「寄存器窗口」的可延展性
SPARC 指令集里那个「可扩展」(Scalable),起因于独特的「寄存器窗口」(Register Window),亦可见于Berkeley RISC、AMD Am29000、英特尔i960 与Itanium,即使名称可能有点不同。

当处理器碰到中断(如外部I/O 呼叫)、例外(像算术溢位)、进程切换,须将当前的执行状态,包含所有可存取的寄存器,都以事先定义好的数据结构回存到存储器,如x86 指令集的TSS(TaskStatus Segment),当恢复先前状态,再从存储器载回处理器。

因近代程序架构都高度模组化,不同副程序间的呼叫动作(SubroutineCall),也会造成频繁的上下文切换(Context Switch),增加寄存器和存储器间的数据传输量。过于庞大的「可见」寄存器数量,也会增加处理器的电路复杂度与上下文切换的负担,并危害到提升处理器运行时钟的延展性。

那该如何降低上下文切换的负担,减少多余的内容值交换?以「空间换取时间」的Register Window 为此而生。ARM 指令集的Banked Register 也是类似方法。英特尔Itanium 处理器的IA-64 指令集也具备相同的机制,但命名为Register Stack,看似比较贴切。

Register Window 藉由「重叠」不同程序使用的寄存器,即可交换不同程序的数据,但「软件眼中随时可见」的寄存器数量仍为32 个,8 个全域(Global),剩下24个当作Register Window,8 个输入(In)、8 个区域(Local)、8 个输出(Out),逻辑上可视为一个巨大堆叠,Register Window 指标器(CWP)一次移动16 个寄存器的距离,前一个程序的输出变成下一个程序的输入,当程序切换时,无须将专属于特定程序的8 个区域寄存器搬到存储器,也减少了寄存器和存储器之间的数据搬移量。

以下举一个3 个Register Window 案例,一看就懂。

因此SPARC 指令集兼容处理器的「实际」通用寄存器数量是可变的,从力求最低成本的嵌入式应用到重视多工效率的服务器,一般介于72~640。假如想要追求副程序互通有无的效率,也愿意付出较多硬件成本(像8 个Register Window 的UltraSPARC I,144 个寄存器拥有多达7 个读取埠和3个写入埠), Register Window 数量就多多益善,但假若想要减少电路成本、又想缩短发生上下文切换的处理负担,那就少一点刚刚好。SPARC 名中的「可延展」之意即在此,和日后为人称道的「多处理器延展性」一点关系都没有。

效能最好的SPARC 处理器并非出自Sun
由于本文主角是Sun,后面将聚焦服务器与工作站处理器。但随着时间流逝,一般坊间评价「最好的SPARC 指令集兼容处理器」却不是来自「Sun 本家」,而是日本Fujitsu(与1990 年代的Ross和HAL),直到Oracle 摆明不玩、只剩下这间日本公司,别无分号为止。

先从指令集版本的演进,用一个表格画出SPARC 发展史的大致轮廓,至于型号相同、制程不同的微缩版就在此不论(UltraSPARC 历代出现过大量的制程改进版本)。如前面所述,Sun 让SPARC 指令集成为「充分开放的业界标准」,除了Fujitsu 为了高效能运算而自定义的HPC-ACE,理论上所有SPARC 处理器,皆可兼容先前所有SPARC 指令集。

但在踏入主要SPARC 处理器历史前,笔者必须先理清Sun 和其他SPARC 处理器厂商的最大思想差异,这也是「软件色彩极度浓厚」的Sun,与「高效能处理器传统路线」的Fujitsu最大的不同点。

对于21 世纪初期略闻SPARC 处理器的读者,应经历过Sun 与Fujitsu 两家组成APL(AdvancedProduct Line)联盟的历史。Sun 的处理器日程表上演大风吹,取消双核心UltraSPARC II「Gemini」及UltraSPARC V「Millennium」,转战「超多简单核心、超级多线程、巨量存储器频宽、目标锁定网络应用」的Throughput Computing,Fujitsu SPARC64 继续专注「较少复杂核心、优秀单线程效能、大型主机等级可靠度、应对高效数据处理」,再彼此截长补短,采用对方的处理器推出服务器产品。

当时还被IBM 公开嘲讽APL 应改名为「Sujitsu」,这些年来,IBM 对SPARC 阵营的嘴炮攻势,更是从来没有停过。反正客户永远不嫌多,能挖来一个算一个。

那时刚好英特尔积极推动Itanium取代RISC处理器、x86处理器挟着64位元这个新兵器在服务器市场四处攻城掠地(AMD靠着Opteron在此崛起)、IBM的Power正展现无穷威力,坊间看法多半是「Sun本来就不擅长研发高效能处理器,加上先进半导体制程与产品研发的成本持续水涨船高,已无力维持高效能处理器的竞争优势,不得不改弦易辙,另辟出路」,像UltraSPARC发展到第四代的2004年,依旧缺乏非循序指令预测执行能力,远远落后其他厂商,效能不如对手的事实,也充分展现于SPEC CPU等效能测试标竿的平庸表现。

但假若回顾Sun 这间公司的历史──尤其身为Java 创造者的身分,以及长年研究高效能Java 处理器(像对SPARC 处理器发展影响深远的MAJC,这以后会有专文介绍)的经验─ ─他们「似乎」从来就不认同近代高效能处理器的诸多重大特色,如高度指令平行化、大型化多层快取存储器、动态分支预测、非循序指令预测执行等,执行Java 这种虚拟机化物件导向程序语言时,能发挥多少实际效用。至于「地球最先进的服务器操作系统」Solaris 的优异多线程排程能力,更是Sun「胆敢」采取激进策略的信心来源。

换言之,Sun 更偏向以软件角度,如Java 程序语言与Solaris 操作系统为出发点,思考最合理的处理器架构,结论就不外乎强化多线程和存储器子系统效能。如果说以UltraSPARC T1 为起点的Throuhgput Computing 是「山不转路转」,还不如说是「发扬光大」,甚至「走火入魔」亦不为过。

从遥遥领先到苦苦追赶的历程
软硬兼备的Sun,在1980 年代工作站市场、1990 年代的服务器市场,均获得极重大的成功,这从处理器业界效能指标SPEC CPU 的参考基准,即可略见一斑:SPEC CPU 95 是SuperSPARC ,SPEC CPU 2000 是UltraSPARC I,SPEC CPU 2006 则是时钟296MHz 的UltraSPARC II。值得一提的是,有别于IBM、Intel、AMD 和DEC,Sun 没有自建晶圆厂,自行研发的SPARC 处理器均交由TI 代工制造,被Oracle 购并后转向台积电。

但商业优异成就,却难以掩盖处理器研发进展逐渐脱队的事实。如果和同期x86处理器(与诸多RISC老相好)相比,Sun的高端SPARC处理器发展史,可谓一部从「遥遥领先」到「苦苦追赶」的赛道纪录。各位可好好唤醒尘封已久的回忆,回想一下那一年x86处理器有哪些让你印象深刻的产品。

1992年的SuperSPARC(0.8μm制程,时钟33-60MHz):那时英特尔Pentium尚未上市。

1994年的SuperSPARC II(0.8μm制程,时钟75-90MHz):那年已经出现100MHz英特尔Pentium。

1995年的UltraSPARC I(0.47μm制程,时钟143-167MHz):英特尔推出x86历史首次正面挑战服务器市场的Pentium Pro,时钟直扑200MHz,并具备原生四处理器架构与非循序预测指令执行。

当然,对那段往事稍有印象的人,也许会这样指摘:人家UltraSPARC可是货真价实的64 位元处理器(相较Pentium Pro 看起来很没诚意的PAE-36),又有VIS 指令集和更强的多处理器延展性(像Enterprise 6500 服务器就塞了30 颗UltraSPARC I,Ultra 4000 工作站也有14 颗),但请稍安勿躁,让我们继续慢慢看下去。

1997年的UltraSPARC II(0.35μm制程,时钟250MHz):英特尔推出300MHz的Pentium II,而UltraSPARC II的微架构基本沿用UltraSPARC I。

1997  年的UltraSPARC IIi(0.35μm制程,时钟270-360MHz):整合PCI控制器的微幅改进版,从256kB激增到2MB的L2快取存储器是最大的亮点。

1998  年的UltraSPARC IIi(0.25μm制程,时钟333-480MHz):当年6月时钟400MHz的首款英特尔Xeon问世,x86世界总算有了服务器处理器专用的品牌。

2000  年的UltraSPARC IIe(0.25μm制程,时钟400-500MHz):AMD抢先在英特尔之前登顶1GHz大关。

2001  年的UltraSPARC III(0.18μm制程,时钟600MHz):0.18μm制程的英特尔Pentum 4 / Xeon时钟抵达2GHz。同年发表的UltraSPARC III Cu,终于靠着0.13μm制程和铜导线,冲破了1GHz,真是可喜可贺。

反观同时期英特尔(P5→P6→P68)和AMD(K5→K6→K7)的飞跃性演进,UltraSPARC III 在微架构层面的改进幅度并不明显,维持每个时钟周期撷取解码4道指令,仍然没有非循序指令预测执行,仅略为扩增处理器内派发指令的宽度与管线深度与追加VIS 2 指令集。整合存储器控制器是最实际的改善点,如同AMD 的K8 方法,大幅强化存储器频宽并缩减存取延迟。

但即使上市日期整整延宕2 年,原先设定要对抗DEC Alpha 21264 和英特尔Itanium 的UltraSPARC III 依然「藉由优秀的多处理器延展性」获得那年MicroprocessorReport 的最佳服务器/工作站奖项,隔年则轮到原生双核心的IBM Power4。

另外,取代Sun Enterprise 的Sun Fire 服务器产品线,也一起和UltraSPARC III 登场。Sun Fire 最令人称道之处,莫过于美观又易维护的优异机构设计,理念皆出自于「Sun天字第一号员工」Andreas Bechtolsheim 之手,其x86 服务器亦雨露均沾,有接触过Galaxy系列AMD Opteron 产品线(以Sun Fire X4100 / X4200 为开端)的人,多半都印象深刻。

之后Sun Fire 和Fujitsu 的PrimePower,再一同被Sun / Fujitsu 携手的SPARC Enterprise 品牌取代,2010 年后,再统一更名成SPARC M / T(与后来追加的S)系列。

Sun Fire 也是UltraSPARC 处理器在高端服务器的巅峰,Sun Fire 15K 最多支援106 颗UltraSPARC III Cu,而Sun Fire E25K 更是72 颗UltraSPARC IV(144核心)。

2002  年的UltraSPARC IIe+(0.18μm制程,时钟550-650MHz):0.13μm制程的英特尔Pentium 4 / Xeon已达3GHz。你没看错,到了这时候,UltraSPARC II还活着。

2003  年的UltraSPARC IIIi(0.13μm制程,时钟1GH-1.6GHz):这年AMD K8让x86的世界深入64位元疆界,Opteron处理器品牌也从此改变了AMD与Sun的命运。

2004  年的UltraSPARC IV(0.13μm制程,时钟1GH-1.3GHz):UltraSPARC处理器挤身双核心之列(等于2颗改良版UltraSPARC III),但已经看不到IBM的车尾灯,那年刚好是IBM Power5在高端服务器市场的效能战争横扫千军的高峰。

2004 年,Sun 宣布腰斩UltraSPARC V「Millennium」和双核心UltraSPARC II「Gemini」,但已不值一提。

2005  年的UltraSPARC IV+(0.09μm制程,时钟1.5GH-2.1GHz):「传统」UltraSPARC处理器的绝响,这时双核心64位元英特尔Xeon和AMDOpteron已在服务器市场杀声震天,再次确立x86处理器主导服务器市场和云端数据中心的大势。

爬文至此,各位恐怕不难想见Sun 在21 世纪初期被「看衰小」的程度,也难怪会成为英特尔推动Itanium 取代「封闭RISC 系统」大战略,第一个锁定「挖墙角」的对象。在2005 年,英特尔扶植的Itanium 解决方案联盟,启动ISV Platform ExpansionProgram,透过Transitive 的QuickTransit二进位执行档转换技术,鼓励既有使用SPARC 处理器/Solaris操作系统的用户,转移至Itanium 平台。

更糟糕的还在后头:SPARC 处理器阵营的另一位要角Fujitsu,不但在2005 年4 月发表Itanium 服务器PrimeQuest 产品线,还是采用自研系统芯片组、最大32 处理器64 核心的巨兽,秋季IDF(Intel Developer Forum)的Itanium 解决方案联盟发表会,资深行销副总裁Richard McCormack 更是第一位上台开场致词的来宾,刚好满脸黑线的笔者有幸坐在台下躬逢其盛。

理所当然的,英特尔势必对Fujitsu 施以重金、诱之以利,大概又是什么行销赞助基金之类的。每当笔者多次在公开场合碰到Fujitsu 相关人士,偷偷打探英特尔到底付了多少「补助津贴」,总是得到尴尬又不失礼貌的营业式微笑。随着AMD「逼出英特尔研发x86 处理器的巨大潜能」而造就Itanium 边缘化,PrimeQuest 也跟HP 的旗舰SuperDome 一样,「转进」到Xeon 处理器,沉没的Itanic 号观光邮轮,就再也没有浮出水面。

迈向Throughput Computing
Sun 在2004 年逐步重整服务器产品布局,除了短暂推出英特尔Xeon 处理器的Sun Fire V60 系列,兵分三路,成果可简述成以下数点:
通用型服务器:Sun成为率先压宝AMD Opteron的一线服务器大厂,并推出「Galaxy」系列服务器,8颗Opteron的Sun     Fire M4600为象征。这件事对AMD也意义深远,不仅提升AMD验证产品的能力,更强化企业用户对「AMD服务器」的信心。

高效能服务器:与Fujitsu携手APL(Advanced Product Line),沿用SPARC64系列,标榜大型主机等级的可靠性。

网站与数据库:Sun购并Afara Websystems后,以追求「像瀑布般的巨大数据吞吐量」的Throughput     Computing为名,集中资源打造针对网站服务器特化的UltraSPARC T系列(Niagara)与数据库导向的UltraSPARC RK(Rock)。

其中最值得大书特书的就是奠定Sun SPARC 处理器发展方向的Throughput Computing:简单多核心、超多线程、大量存储器频宽。

2005  年的UltraSPARC T1(0.09μm制程,时钟1GH-1.4GHz):8个简单微架构核心(单指令派发)、32粗质线程(碰到存储器存取等较长延迟,才会切换线程)。

台湾最大的电玩资讯站巴哈姆特,曾测试Sun FireT2000 足足一周,一台取代所有前端网站服务器群,瞬间涌入500 名使用者的系统反应时间,从8 秒缩短到0.3 秒,足以见证威力。但UltraSPARCT1 只有一个浮点运算器,不难想见针对网站服务器「最佳化」的程度。

2007  年的UltraSPARC T2(65纳米制程,时钟1~1.6GHz):前者的强化版,线程倍增至64条,每个核心都拥有独立的浮点运算器,因此整数运算加倍,浮点运算提升时倍,更高时钟带来1.4倍的单线程效能。后继的UltraSPARC T2+则是追加4处理器延展性的版本。

2010 年取消的UltraSPARC RK,就是让人感到极度惋惜的未竟之憾了,16 个4 指令派发的非循序预测执行核心(Sun 的历史创举),每个核心2 条同时多线程(SMT),总计切成4 块共享1 个32kB 指令快取、2 个32kB 数据快取、2 个浮点运算器的丛集(Cluster),耗电量高达250W,也具备了更精细多线程存储器数据同步的Transactional Memory(近似英特尔TSX)。

Sun 曾在UltraSPARC RK 砸了不少预算,也持续「堆高」规格,导致芯片开发到2.0 版。或许失控的功耗和经费,就是新东家Oracle 决定腰斩的主因。Oracle 接手Sun 后,「SoftwareIn Silicon」也成为最常喊的口号。

虽然无缘见证UltraSPARC RK 的实际威力,但Oracle 购并Sun 之后的SPARCT 系列,却处处可见Rock 的残影,并同时融合Niagara的色彩。像2011 年的SPARC T4,就是8 个双指令派发、非循序预测执行的S3 核心(代表第三代SPARC 核心,并追加VIS 3 指令集),每个核心8 条同时多线程的产物,一路「核心堆堆乐」到12 核96 线程的SPARC M6。

SPARC M7 升级成具改良后的快取存储器阶层和VIS 4 指令集的S4 核心,演进到2017 年的32 核心256 线程的SPARC M8。

2010  年的SPARC T3:40纳米制程,时钟65GHz,16核128线程,可视为UltraSPARC T2的加倍版,然后SPARC Enterprise服务器品牌也取消,统一称为SPARC T系列。


2011  年的SPARC T4:40纳米制程,时钟85~3GHz,8核64线程。

2013  年的SPARC T5:28纳米制程,时钟6GHz,16核128线程。

2013  年的SPARC M5:28纳米制程,时钟6GHz,6核48线程。

2013  年的SPARC M6:28纳米制程,时钟6GHz,12核96线程。
2015  年的SPARC M7:20纳米制程,时钟133GHz,32核256线程,S4核心。

2016  年的SPARC S7:20纳米制程,时钟27GHz,8核64线程,SPARC M7的低价微缩版。

2017  年的SPARC M8:20纳米制程,时钟5GHz,32核256线程,一颗怪物级的大芯片。

下面呢?下面就没有了。
顺道一提,Sun 体系的SPARC 处理器,从40 纳米制程的SPARCT3 开始,转由台积电生产,结束了Sun 与TI 的长期合作关系。

按部就班、稳扎稳打的Fujitsu SPARC64
既然Oracle 已确定中断Sun SPARC 处理器的技术血脉,在1986 年打造出世界第一颗SPARC 指令集兼容处理器MB86900 的日本Fujitsu,就成为唯一硕果仅存的高端SPARC 处理器供应商。相对于「激进敢冲」的Sun,Fujitsu 可谓「传统保守」,或许更精确一点,他们的诉求是把RISC 处理器,做成与大型主机一样「高、上、大」。

但打从一开始仅专注嵌入式应用的Fujitsu,高效能SPARC 微架构也并非从头做起,技术源流可追溯至以hyperSPARC 跟Sun 正面竞争的Ross(Cyress的子公司,后来被Fujitsu 取得技术与专利)和Fujitsu投资的HAL(由IBM Power 的主要设计者Andrew Heller 所创立,有趣的是,HAL 的3 个字母,下一个就是IBM)。

SPARC64 之名继承自HAL,而在2001 年取消HAL 原案、基于FujitsuGS8900 大型主机而重新开发的SPARC64 V,则是Fujitsu在高端SPARC 处理器的最重要里程碑:四指令派发、非循序指令预测执行、大型主机等级的高可靠度,效能也明显优于Sun UltraSPARC III。

值得一提的是,出自HAL 的初版SPARC64 V 是个指令平行化极宽(远高于4 道指令)并具备和英特尔NetBurst 微架构大同小异的Trace Cache(依照分支预测的结果,依序存放解码的指令执行序列),不幸与Sun 的UltraSPARC RK 一起变成消逝在历史洪流的遗憾。

SPARC64 V 的后继发展如下:
2004  年的SPARC64 V+:90纳米制程,时钟65~2.16GHz。
2007  年的SPARC64 VI:90纳米制程,时钟15~2.4GHz,双核心,导入粗质多线程(CMT,Fujitsu称为VMT),也是首款引进浮点乘积和指令的SPARC处理器。

2008  年的SPARC64 VII:65纳米制程,时钟4~2.75GHz,四核心,导入同时多线程(SMT),强化数据可靠性(整数寄存器数据透过ECC保护,错误检查点增加到3,400个)。

2009  年的SPARC64 VIIIfx:45纳米制程,时钟2GHz,8核心,为了「京」(K)超级电脑计划而生的高效能运算衍生款,追加Fujitsu自行定义的HPC-ACE指令集与256个浮点运算寄存器。

因为SPARC v9 指令集的编码位元,不足以定址所有的浮点寄存器,256 个寄存器需要8 位元,浮点乘积和(FMA,A×B+C=D)指令会用到4 个寄存器,将会吃光32 位元编码,连运算码都没地方放了,须在运算指令前,排入「补充」寄存器定址位元数的前置指令(SXAR)。

2010  年的SPARC64 VII+:65纳米制程,时钟提升到3GHz,L2快取加倍到12MB。
2011  年的SPARC64 IXfx:40纳米制程,时钟85GHz,16核心,配合PRIMEHPC     FX10超级电脑而同步发表。总之,只要看到名称内有那个小写的fx就知道这是超级电脑特规版了。

2012  年的SPARC64 X:28纳米制程,时钟8GHz,16核心32线程,耗电量冲上270W,存储器控制器也「搬家」到处理器内部了。

2013  年的SPARC64 X+:28纳米制程,时钟2~3.7GHz,16核心32线程,激增的时钟也充分反应在高达392W的耗电量。

2014  年的SPARC64 XIfx:台积电20纳米制程,时钟2GHz,34核心(32个运算加2个辅助),新增HPC-ACE2指令集。高度整合存储器控制器与汇流排界面的SPARC64 XIfx堪称SPARC世界第一颗超级电脑系统单芯片。

近期夺下Top500首位的日本理化学研究所超级电脑「富岳」,心脏Fujitsu A64FX,实际上就是将指令集架构,从SPARC v9和HPC-ACE2,替换成ARM v8.2A加SVE的进化版。

2017  年的SPARC64 XII:台积电20纳米制程,时钟25~4.35GHz,12核心96线程(一个核心8线程,和IBM Power9一样)。

目前据闻Fujitsu 可能将在2020 年(也没剩几个月了)发表新一代SPARC64,就让我们拭目以待,但也只能祈祷这不会是高端SPARC 处理器的绝响。

SPARC 还有未来吗?
这是没人敢打包票的大哉问,特别当Fujitsu 在A64FX 开了「用ARM 换掉SPARC」的第一枪,先不提软件解决方案从哪里来,哪天想不开如法泡制,做出一颗货真价实的高端服务器ARM 芯片,好像也不是太让人感到奇怪的事,加上ARM 服务器最近好像声势又有点起色,多少会让人怀疑「会不会哪天Solaris+SPARC 将被Linux+ARM 取而代之」 ,步上OpenVMS+Alpha(DEC)、Irix+MIPS(SGI)和HP-UX+PA-RISC(HP)一个一个淡出舞台的后尘。

平心而论,毕竟现有使用SPARC 服务器和Solaris 操作系统的客户还是这么多(应该吧?),Oracle 也不可能不管商誉而弃之不顾,短期应该不必担心「断粮」(不是说好Solaris 的技术支援要维持到2034 年吗?)。但正如x86 指令集的最重要价值,彻头彻尾建立在「微软Windows 兼容性」上,SPARC 指令集赖以维生的Solaris 操作系统,假以时日,「老兵不死,只是逐渐凋零」仍是极有可能成真的现实。

回顾SPARC 指令集兼容处理器30 年来大起大落,总让笔者脑中回荡着已故香港歌手罗文的台视八点档《八月桂花香》主题曲〈尘缘〉,歌词那句「繁华落尽,一身憔悴在风里」,相信曾陪伴那票Sun 服务器工作站的读者,心中多少也有类似感触。昔日任何RISC 处理器家族无不像SPARC,在工作站和服务器,曾独享极盛一时的繁华。

对亲身体验过那段互联网大爆发年代的年长读者,再多千言万语,亦诉不尽Sun 这间神奇的公司,带给各位的点点滴滴。往事历历在目,至少还记得电脑教室快要冻死人的冷气。

但往好处想,最起码当下SPARC 还活得好好的,总比Alpha、PA-RISC 和Itanium幸运太多太多了。不过在遥远的将来,不会只剩下MCST 那票俄罗斯人在做军用SPARC 处理器吧?

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