【x86 兴衰史】奠定 Intel Xeon Phi 技术基础的「x86 处理器

Intel 终于在今年 8 月处理器业界年度盛事之一的 IEEE HotChips 29，公布了针对深度学习最佳化的新款 Xeon Phi「Knights Mill」，Intel 鸭子划水多年的 MIC（Many Integrated Core，整合众核架构）总算又多了一点曝光度，但你知道 Intel 的超级多核心产品线，是早在十年前，酝酿于极度疯狂的「x86 处理器架构显示卡」吗？

喔齁。

2006 年底至 2007 年中的显示卡市场，正处于 GPGPU 随着 DirectX 10 与统一着色器架构的实用化，而开始萌芽的关键时刻，nVidia GeForce 8 系列成为初代 CUDA 的载具，AMD Radeon HD 2900 则开双倍浮点精确度之先河，因此一谈到绘图晶片通用运算这档事，完全不缺抬槓的话题。

但当时最欢乐异常的焦点，并非集中在显示晶片双雄的新产品，而是聚焦于 Intel，着手超级多核心多执行绪 x86 处理器架构的「显示卡」，你可把它当成「Intel 的 GPGPU」，虽然它从未在市场现身过。

Intel 首度在 2007 年 4 月北京 IDF（Intel Developer Forum）公开 Larrabee 这个研发代号，并公开呛声「Larrabee 出现后，会使显示核心在两到三年内消失」。但事实上，早在 2006 年底某份未刻意保密的研讨会简报，详细描述了 Larrabee 规格概观，规格比较表还不小心一併爆破了从希伯来文的「砂桥」（Gesher）正名而来的 Sandy Bridge 处理器。

像 Intel 这样的大公司，很难隐藏所有祕密，不提公开的专利，光历年 IDF 和各类学术活动的议程简报，就多次无预警避开该公司法务和行销的耳目，让多年后才会开花结果的机密计画，提前曝光在世人眼前。

加上该文件内，出现某张爆炸性的显示卡架构图，和大剌剌的「Discrete High End GPU」字样，国内外无数知名网站的讨论区，就开始暴动了，还意外波及乏人问津到连蚊子都不想骚扰的笔者部落格，甚至还有电脑杂誌的编辑，高潮到写下「因为一切软体搞定，这将是历史上首款往前相容未来 3D API 的显示卡架构」。

一图胜千言，你可清楚看到，这是 16 核心的 x86 处理器，实际上核心数绝不会这幺少。

接着你就了解，每个支援四条多执行绪的循序执行（In Order）核心，那显眼的 SIMD-16，意谓整颗 16 核心处理器，每个时脉可进行 256 个 32 位元单倍浮点精确度 SIMD 运算，帐面上优于 nVidia 最高阶显卡 GeForce 8800 GTX 的 128 个。

但你会不会隐约感觉到……有什幺恐怖的祕密藏在这张简报里？似乎有什幺不能告人的机密，被前面的方块图挡住了？

各位，欢声雷动吧，感谢原始文件是 PowerPoint 格式，移除挡在前面的动画图片，世界奇观般的「x86 处理器架构显示卡」，包括 GDDR 记忆体、外接电源、视讯输出、音讯输入等近代显示卡的必备特徵，一丝不挂在读者眼前裸奔了。

接连几年的故事，就是 Intel 慢慢面对现实，被迫承认如此疯狂的构想，无力追赶急速进步的 GPU，而「转进」高效能运算和人工智慧的过程。

Larrabee 全貌如下：

现在开始插播脑残问答时间。

Larrabee 不是什幺特殊品种的蜜蜂（不过谣传 Intel 内部相关团队的电子邮件签名档，全员都会统一放一只蜜蜂的图示），而是 Intel 发神经搞出来的超级多核心／多执行绪 x86 处理器，号称「单晶片运算能量 1 Tera Flops」，沿用已成骨灰、设计图捐给美国政府的 P54C 等级、连 MMX 都没有的 Pentium 核心，笔者还满担心大多数读者，早就遗忘初代 Pentium 长得什幺样子了。

兼具「CPU 的可编程性」与「GPU 的高平行度」，完美的交会点就是 Larrabee，充分彰显了 Intel 内 x86 义和团的疯狂野心。

看在 AMD 在 2006 年购併 ATI、摆明要整合处理器和显示晶片、与未来两者指令集架构的份上，输人不输阵，Intel 势必有所回应，只是让人意想不到 Intel 所谓「重新启动独立显示晶片计画」竟是让众人眼镜碎满一地的夸张设计，从 i740 到 Larrabee，根本是时空跳跃等级的差距。

在高效能运算市场，nVidia 的 CUDA，是对 Intel 更明显的威胁，对 Intel，开发 Larrabee 是不得不为。

看在既有 x86 庞大软体资源的份上，在编译器领域长期投入庞大投资的 Intel，可尽量多卖出几套他们的软体开发工具。事实上，Intel 最热中谈论 Larrabee 的部门，就是急速膨胀的软体事业群。

此外，太多显示晶片技术专利掌握在 nVidia 和 AMD 手上，假若 Intel 不希望被拿着 ATI 专利的 AMD 天天找上法院喝咖啡，这的确是避开专利麻烦的途径，还很可能是唯一的手段。

像 Intel 的 GMA-X3000 的 Triangle Setup 竟然还是用统一着色器硬干出来的，「专利地雷」的潜在威胁有多大，由此可见一斑，欢迎来到专利恐怖主义的时代。

完完全全不可能，2008 年底 AMD Radeon HD 4800 就先声夺人了，而且 Larrabee 是起码拖到 2009 年才会问市的产品，在这之前，IBM、Sony 也肯定推出理论运算效能到达 1 Tera Flops 的新版 Cell 处理器。2007 年宣布注定落后竞争对手、还呛可让竞争者 3 年内消失的高技术风险产品，想想也满屌的。

几乎纯软体的可程式化绘图管线。请见 Intel 自己的呈堂证供，不要吓坏。

Intel 的思维不外乎「老子就是市场的领导者」，宁可发挥自己的影响力，逼迫其他人跟进。更何况，Intel 并不希望 3D 绘图的基础架构诠释权，长期被微软等软体厂商把持。从当初 Intel 蛮干 IA-64 一路到 Larrabee，思考逻辑一点都没改变。

nVidia 黄仁勋当时曾批评，未在可程式化与固定硬体功能取得平衡的 Larrabee，在老旧 x86 架构的拖累下，主要绘图运算都靠可程式化实作，表现势必糟糕，可惜最终我们也无从得知，到底会惨烈到什幺程度。

可充分发挥 x86 指令集号称易于开发的「潜力」，也可对运算资源做出最大限度的利用。Intel 曾列举了 3 款知名游戏，做为其印证其理论基础所言不虚的令箭。

为何 x86 处理器必须一路叠床架屋，延续指令集相容性，处理器微架构一用就好几年，而显示晶片却相反，微软 DirectX 的 Shader Model 在短短几年就出好几版，显示晶片架构却动辄大兴土木？你有听说过一台个人电脑，开机前要安装「处理器驱动程式」吗？当然没有，但显示晶片却可透过驱动程式，与 I/O 装置的间接性，维持对过往老旧应用程式介面的相容性。

既然如此，我们也可想见，以 nVidia 与 AMD 为首，内建巨大可程式化着色运算单元的高效能显示晶片，其底层指令集架构与相对应的实作加速机制，不像 x86 之类的泛用指令集，有着巨大的历史包袱，可随时针对绘图需求量身订做。

那幺，Intel 选择 x86 指令集第一个问题点就浮现出来了，x86 处理器与绘图晶片双雄的 GPU 相比，两边底层指令集架构的「血统纯正度」，根本天差地远，而我们也有充分的理由相信，后者绝对远比前者更适合绘图系统的需要。

也许你会质疑，Intel 只要新增绘图专用指令，不就得了？事实上，Larrabee 并非 Intel 首度尝试将泛用处理器导入绘图应用，早在 1988 年号称「Cray on a chip」的 i860，就为此特别增加绘图相关指令与 3D 绘图功能单元。

但 x86 毕竟就是 x86，其先天不良加上后天失调的原罪，也限制了日后扩充的弹性。以暂存器数目来说好了，在 AVX 和 LRBni 之前，受限于指令编码栏位，导致历代 x86 指令集扩充一次顶多增加 8 个暂存器，但微软 Shader Model 4.0 光是「暂存用的」暂存器就高达「4,096」个。

x86 的双运算元指令格式（像 a+b=b）则是另一个问题点，除了大幅降低暂存器的利用效率（因会摧毁其中一个暂存器的资料，如需重複利用，就必须把资料搬移到其他的暂存器），也难以实作图学常用的乘积和指令（Multiply-Add，如 a×b+c=d），必须使用记忆体当其中一个来源运算元（Source Operand），这也是到了 AVX 之后，才逐渐克服的瓶颈，但仍远远不够。

种种不利因素累积下来，Intel 想拿残破不堪的 SIMD 指令集扩充，去对抗重武装的 GPU，无异以卵击石。细心的读者也可以注意到，Larrabee 第一阶快取记忆体存取延迟只有 1 cycle，摆明用来弥补暂存器不足。但能否迎刃而解，笔者二话不说，打上大大的问号。

其实很多重要观念，早已陈述于先前《一窝疯「人工智慧晶片」前，你需要知道的几件关于 GPGPU 的事》，请有兴趣的读者有空多看几次。

行文至此，读者心中会产生疑惑：我哪管 x86 指令集适不适合，只要 Intel 真的有本事硬干出一颗真的拥有 1 Tera Flops 效能的 x86 处理器，光凭藉着巨大的「赛猪公」数字，就充满了无限的想像空间和璀璨光明的未来。

这让笔者想起，十几年前，某份描述 PS3 心脏 Cell 处理器的专利被曝光后，「单晶片浮点 1 Tera Flops」成为看似伸手可及的愿景，就有不少人在猜测，PS3 会不会就此放弃独立显示晶片，整个 3D 绘图管线统统透过软体手段实作。

事后证明，还好 Sony 没有发疯，在 PS3 内，乖乖的摆了一颗 nVidia 从 G70 衍生而来的 RSX 显示晶片，而 PS3 搭载的 Cell 处理器，也仅为「完全体」的四分之一规模。

「纯软体 3D 绘图管线可不可行」是非常複杂且需长篇大论解释的题目，唯一可以确定的是，就算要纯软体实作，x86 指令集的适用性，也肯定远远不及 Cell 的设计（如果不嫌弃 SPE 记忆体搬搬乐很麻烦）。Intel 公布的 Larrabee 架构图标明了「Fixed Function」，Intel 看来也没有丧心病狂到把全部的希望，都寄託在一堆简单 x86 核心身上。

用 x86 处理器硬干出显示晶片是一回事，Intel 总得提供驱动程式给用户下载吧？很不幸的，那时候的 Intel 绘图驱动程式品质满糟糕，自己也承认这方面不如绘图晶片双雄，连「正统」GPU 驱动程式都写不好，变态至极的 Larrabee 难道会比较简单？还可支援「未来」的 3D API？无异缘木求鱼。

回归原点，Larrabee 真正的优势，在于结合 x86 指令集的巨大软体资源，与 Intel 的高效率编译器，进军高效能运算应用。

姑且不论 Larrabee 能否实现单晶片 1 Tera Flops 的效能表现，Intel 的确颇有机会藉 Larrabee，大举入侵原本由特化 RISC 处理器独领风骚的超级电脑市场，如 IBM 的 BlueGene。

事后证明，Intel 误打误撞走上一条正确的道路，只不过到头来，不得不脱下裤子跟 nVidia 拚了。

Intel 在 2008 年积极宣传 Larrabee，不仅与显示卡製造商洽谈产品案，同时也设法说服 Sony、任天堂和微软，使用 Larrabee 打造新一代游戏机。江湖传言，时任 SCEI 代表取缔役社长、现任 Sony 执行长的平井一夫，曾受邀至 Intel 总部整整被洗脑了一週，差点决定採用 Larrabee 为 PS4 的心脏。

但时程一再延宕，才是 Larrabee 最大的罩门，原先预定 2008 年提供样品、2009 年上市，却整整延后了一年，偏偏 2009 到 2010 年这段期间，又是 nVidia、AMD 开始 GPGPU 硬体规格熟成期「顶上决战」的起跑点，Intel 只能默默站在一旁看戏。

结果 2009 年 11 月 4 日，Intel 正式宣布 Larrabee 不会有消费性绘图产品问世，变相判了「软体实现一切昔日硬体实作功能的梦幻个人电脑 x86 处理器架构显示卡」不可重新上诉的唯一死刑。

2010 年 5 月 25 日，Intel 透过官方部落格，昭告天下，Larrabee 也不会做为图形处理器，而是转进高效能运算市场，与 nVidia 的 Tesla 等专业运算卡正面较量。

同场加映：2008 年，已经和 AMD 长达 3 年合作关係的梦工厂（DreamWorks），转向与 Intel 合作，改用 Nehalem 微架构处理器，搭配 Larrabee 专业绘图卡，做为新世代的动画绘製硬体平台，还由公司高层出面解释琵琶别抱的缘由。让人满好奇 Larrabee 转职为「国王的晶片」后，这档惨剧最后如何收尾。

后来就是我们熟知的 MIC 发展史，一连串悠扬的「骑士行进曲」，然后 Intel 其余的研究案，像 48 个 x86 核心「单晶片云端电脑」和 80 个 96 位元宽度 VLIW 核心组成的 1 Tera Flops 单晶片，在此就先束之高阁了：

我相信胸怀大志的电脑玩家，内心一定会有一股「有为者亦若是」的冲动：

当年无缘一亲芳泽 3dfx 末代产品 Rampage，网路仅流传几张初版晶片的开机照片，好遗憾，假如可以弄到一张 Larrabee 显示卡，装在自己的电脑跑跑看，一定很酷。天啊，用 x86 处理器做的显卡耶！

即使有 87% 的机率，跑起来慢得要命。