处理器微结构史话（1）

第一章：天降大任

1945年8月6日与9日，广岛和长崎两座日本本土城市先后在惊天动地的原子弹爆炸中被毁灭，核武器首次步入公众视野，全世界都被那两朵巨大蘑菇云的威力所震慑。这两道重击也直接摧毁了日本最后的抵抗意志，一周后的8月15日，日本宣布无条件投降，在人类历史上写下最惨痛一页的第二次世界大战终于结束。核武器横绝古今沛然莫御的威力，使得它成为战后制衡国际局势的一大王牌，对它的研究和制造在战后仍然未曾停息。

 

（图注：两次原子弹爆炸的照片，来自维基百科。）

 

半年过后的1946年2月14日，第一台通用电子计算机ENIAC的存在被公之于众。这台27吨重的庞然大物原先被设计用于加快火力弹道计算，但迅速吸引了核武器设计者们的注意。每秒5000次加减法运算，400次乘除法运算，远高于人力的计算速度使得基于机器模拟的核爆炸研究初露端倪，检验原子弹之后的下一代核武器——氢弹设计可行性的程序便在战后被提交给ENIAC运行。核爆炸模拟需要科学家们将核爆反应“碎片化”，在空间上将核爆模拟区域切片，在时间上将核爆过程细分，用远远慢于真实核爆速度的步伐，逐一重现核爆当中各个区域在各个时间点上的状态。这一过程需要很快的计算速度才能让模拟耗时和精度达到要求，科学家们极度渴求速度更快的计算机。每秒几百至几千次的计算速度，甚至远不及今天的可穿戴设备中使用的嵌入式处理器，这么巨大的差距是由谁来弥合的呢？又是怎样弥合的呢？

 

有能力推动早期计算机突破速度上界的人，在当时仍屈指可数。ENIAC的主要设计者John Mauchly和J. Presper Eckert看上去似乎是两个条件接近的人选。在开展ENIAC项目之前，此二人只是宾夕法尼亚大学的普通学生，随着ENIAC的面世，他们只花了四五年时间就功成名就，在战后迅速成为光芒耀眼的超新星。在日后载入史册的宾夕法尼亚大学摩尔系列讲座中[1]，这两位俨然大师风范，担当了大约三分之一课程的讲授工作，而讲台下的学生，则是包括信息论之父Claude E. Shannon在内的一批顶尖科学家与工程师，其地位显赫可见一斑。可惜的是宾大当时的主事者对校内科研接受外部公司的研究资助一事感到担忧，试图逼迫二人签署新的专利协议，这一愚蠢举动最终将二人逼离宾大[2]，下海创办Eckert–Mauchly Computer Corporation (EMCC) 公司。久居象牙塔的学者与商战中搏杀的豪雄毕竟不同，EMCC不出意外地命途多舛，由于缺乏资金，经营不善以及运气因素[3]，EMCC仅过了三年就被卖给Remington Rand公司，成为了Remington Rand旗下负责开发新一代计算机的UNIVAC部门。随着这次收购，John Mauchly和J. Presper Eckert也被Remington Rand一同招安，而新东家也很给面子，为他们安排的直接上司就是当年曼哈顿计划的军方主管Leslie Groves。加入Remington Rand之后，UNIVAC I运行的程序成功预测了次年美国总统大选结果[4]，这次事件为新东家做了一个极好的广告宣传，也为John Mauchly和J. Presper Eckert的名声再度锦上添花。

 

 （图注：左侧为John Mauchly，右侧为Presper Eckert，中间是Gladeon Barnes将军，三人正在审阅ENIAC维护记录。图片来源fi.edu）

看上去此二人又将成为天降大任的继承者，但，历史不会让这两位已经享受了诸多殊荣的传奇人物专美于前。

 

Remington Rand收购EMCC之后数月，一只来自明尼苏达州圣保罗市的团队也被Remington Rand收编，与UNIVAC团队形成双雄鼎立之势。这支团队名为Engineering Research Associates，其骨干成员以William C. Norris为代表，是一批来自二战时期美国海军密码破译团队的科学家和工程师，ERA创立过程中甚至得到过时任美国海军元帅Nimitz的出面帮助，来头不可轻视。一山难容二虎，ERA与UNIVAC两支团队在公司内部形成了公开的竞争关系，UNIVAC的成员们以Mauchly和Eckert为代表，出身于世人瞩目的常春藤盟校，是典型的学院派，ERA的成员们则大多来自稍显平庸的明尼苏达大学，身为ERA领导者之一的Norris在内布拉斯加大学电子工程专业毕业后，甚至曾一度在老家农场卖牲口[5]。这些人普遍没有接受过最顶尖的教育，但是在为海军与ERA工作期间获取了大量的工程经验，是典型的工程师队伍。两支团队在出身上的巨大反差令UNIVAC充满优越感，UNIVAC团队不以为意地以“工厂”“农夫们”这样的词汇来指代ERA团队，似乎在UNIVAC团队的眼中，宾夕法尼亚人的工作就是探索最前沿的理论，至于建造实际可工作的机器，则应该交给更低等的明尼苏达人。Eckert曾非常直白而粗鲁地对Norris说：ERA完全不具备创新能力[6]。种种蔑视令ERA的成员们感到异常窝火。然而站在ERA的角度上看，UNIVAC浑身上下也没几处顺眼。ERA团队虽为Eckert精湛的学识感到惊艳，但同时也震惊于UNIVAC团队对工程规则的无知。在ERA团队设计的1103型计算机接近完成时，Eckert仍然在尝试说服工程师们引入新的理论，这让ERA团队感到震惊，难道UNIVAC团队进行工程设计的时候完全不顾deadline的么？骇人听闻的是，他们竟然真没看走眼。通用电气公司向Remington Rand订购了一台UNIVAC I计算机，并筹划了与之配套的一系列媒体报道来造势，试图证明自己是一个追逐前沿技术，位于浪潮之巅的公司。不想UNIVAC团队一再更改设计，把本该在两周内交付的输入输出设备拖延了两年之久，令通用电气大发雷霆。过度苛求设计完美，忽视工程Deadline，还只是问题的一部分。未在残酷市场中成功存活过的UNIVAC团队对报价与预算毫无概念，UNIVAC的研发超支达到荒唐的五倍之多，而UNIVAC I计算机极其低劣的运作可靠性也与ENIAC一脉相承。Norris终于发现，两支团队的区别其实已经深入到哲学的层面。Norris对宾夕法尼亚人说：“ERA在经营公司，而你们经营的是实验室”。

 

除了来自UNIVAC团队的贬低，Remington Rand管理层对通用电子计算机商业前途的迟钝也在消磨着ERA团队的耐心。时至1956年，这个领域里的几乎每一个公司都已经意识到通用电子计算机将是下一片广阔的蓝海。而原本处于行业领先地位的ERA团队却无法从公司管理层获得足够的研发支持。IBM研发一系列新机器的动作送出了一个明显的信号，这艘几乎无人可敌的企业巨舰正在朝着这片蓝海开进。Norris等人终于按耐不住了，他们携带一部分ERA团队成员出走，自筹资金在明尼苏达州东南部城市明尼亚波利市的一间旧仓库里创办了Control Data Corperation，缩写CDC。

 

（图注：八年后的CDC CEO Norris与使用早期CISC体系结构的CDC 3600。图片来源computerhistory.org）

 

开创历史的力量用这种奇妙的方式完成了从Eckert–Mauchly到CDC的转移。

 

宾夕法尼亚人做梦也没想到，低等生物明尼苏达人竟然强横到敢于直面IBM的剑锋。卖牲口的Norris卖起电脑来比Mauchly和Eckert实在强出一筹不止。这个在初期募资时低贱到1美元1股的CDC，一度困难到只能使用次品晶体管作为原材料，却成为Norris手中令IBM俯首称臣、纵横驰骋了整个60年代的王牌部队。CDC技术团队一手制造了与核爆模拟有着千丝万缕联系的世界上第一台超级计算机，基于记分板（Scoreboarding）技术第一次实现了指令的乱序执行，第一次利用多个功能单元实现超标量执行，为今日的现代高性能处理器微结构绘制了第一份蓝图，迫使IBM的掌门人Thomas J. Watson无可奈何地写下了流传后世的“守门人备忘录”……

 

而站在Norris身后充当“里子”，创造这些不世传说的人，就是当时ERA团队中一位来自明尼苏达大学的天降奇才。在CDC创立之时想要追随Norris而去的他，还因为担忧美国军方的特别关注而不得不暂留Remington Rand。

 

To be continued…

 

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[1]这个系列讲座英文原名Moore School Lectures，它将设计电子计算机的第一手经验传播了出去，对后世带来了深远影响。值得注意的是，这个Moore与Intel的Gordon Earle Moore并无关系。这个“Moore”代表宾夕法尼亚大学的摩尔电子工程学院 Moore School of Electrical Engineering

[2]根据J. Presper Eckert与Nancy Stern在1977年所做的采访记录，逼迫二人签订新的专利协议背后似乎并没有抢夺成果用于商业目的的动机，Nancy Stern多次追问这一点，但是Eckert并未给予确认。此外，Eckert在访谈中透露，他并非如外界传闻那样是从宾大主动辞职，而是被炒了鱿鱼，只不过有一封假装“同意辞退”的礼貌信件用以掩人耳目。

[3]根据Jean Bartik的回忆，EMCC的员工被指控有“共产主义倾向”，这在麦卡锡主义盛行的年代导致EMCC失去了大批政府订单。

[4]机器预测选票结果为438 vs 93，实际结果为442 vs 89，相当接近。

[5]Norris的经营天赋在卖牲口中得到了很好的体现。Norris在老家农场期间正值美国经济大萧条和中西部旱灾，牲口没有谷物可以吃，收购商则趁机压低牲口价格。Norris决定冒险，让牲口以俄国蓟（Russian thistles）为食，成功地将牲口养至高价出售。

[6]"ERA's creative capabilities simply didn't exist"