平臺轉換難度高?蘋果自家 ARM SoC 取代 x86 處理器卡在哪?

嚴格說來,蘋果很可能是計算機工業史上,唯一一家核心元件平臺「搬家成功」的公司,且還是駭人聽聞的「孟母三遷」(6502→68K,68K→PowerPC,PowerPC→x86),反觀歷史更多屍橫遍野的失敗案例。單從這點就足以感覺到這浩大工程一點都不簡單,建造困難度甚至直逼世界奇觀等級。

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高科技產業也有「孟母三遷」

1977 年,「開啟個人電腦革命」的 Apple II 使用 8 位 6502 處理器,任天堂紅白機 Ricoh 2A03 是「遠親」,超級任天堂 65C816 則是 16 位版的 6502。

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1984 年,蘋果第一臺 Mac 個人電腦採用 32 位 Motorola 68000 處理器,有點年紀的電玩狂熱者應該也依稀記得,1980 年代大量家用遊戲主機(如俗稱「Sega 五代」的 Mega Drive 和貴到爆炸的 SNK NeoGeo)與大型電玩街機的心臟,就是 68K 系列處理器,創造 SPARC 和 Solaris 的商用 Unix 王者 Sun、象徵 MIPS 的繪圖霸王 SGI、喬布斯被蘋果開除後創辦的 NeXT,最早也都是選擇 68K 當引擎,而不是 IBM PC 看起來超像醜小鴨指令集架構又「毫無道理可尋」的 80×86,更無人預見假以時日 x86 不再是昔日吳下阿蒙的未來。

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1994 年,蘋果、IBM、摩托羅拉三家結盟,成立看起來很像美軍空對空導彈型號的「AIM 聯盟」推動 PowerPC,當時陷入市場危機(那時慘到坊間不乏「蘋果轉型為純軟件公司」呼聲)的 Mac 也隨之改用 PowerPC 處理器,趁機搭上 IBM 積極發展 Power 的順風車。

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2003 年蘋果推出搭載 PowerPC 970(衍生自原生雙核的 64 位 IBM Power4)的 PowerMac G5,2004 年 PowerMac G5 / Xserve G5 / iMac G5 升級為 90 納米制程的 PowerPC 970FX,2005 年再改進為原生雙核心的 PowerPC 970MP,但也就止步於此,因為這些來自 IBM 或摩托羅拉的高性能 PowerPC「無法滿足筆電需求」,當初許諾 PowerMac G5 上市後 12 個月處理器時脈可達 3GHz 的支票也跳票,就算畫大餅的產品時程表,跟著英特爾一起三太子上身狂衝時脈也無濟於事,高階 PowerPC 隨著 970GX 腰斬而停擺。

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2005 年,因「對 IBM 產品開發進程失望」,喬布斯在 WWDC 正式宣佈平臺轉移計劃,從 PowerPC 轉進英特爾 x86 處理器,第三次更改旗下產品的處理器架構,2006 年陸續推出「Intel Inside 但機殼從來沒有出現這張貼紙」的 Mac 產品線,IBM「Power Everywhere」戰略從此失去最大的盟友,寄望蘋果成為「分母」分攤高階處理器研發成本的如意算盤成為空響,而威鎮四方的 Power5 核心也無緣幫助蘋果締造 SPEC CPU 效能數據的新高峰。

無獨有偶,2005 年正是英特爾以 P6 血統的 Merom 微架構當作攻擊發起線,對 AMD 發動帝國大反擊的關鍵時刻。

不起眼的綻放結晶,逐漸茁壯成皇冠上的寶石

2008 年,第一代 iPhone 才剛問世沒多久,蘋果就以 2.78 億美元代價,收購半導體設計公司 P.A Semi,但 2007 年 iPhone 銷售額僅佔不到蘋果全年營收 1.4% 的 3.67 億美元,無論怎麼看,這賭注實在有點太大。

2010 年,iPhone 4 與第一代 iPad 的 A4 處理器,總算讓蘋果的投資沒有白白丟到水裡,而接著十年,一代又一代蘋果 Ax 家族應用處理器,一再一再以驚異的性能表現震驚業界,如果說蘋果是手機與平板世界的國王,iPhone 和 iPad 就是皇冠,這些蘋果自家打造的 SoC,真不愧「皇冠上的寶石」之譽。

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從 2013 年「業界首顆 64 位移動處理器」A7 誕生一路到 2020 年今日,「改用 ARM 處理器的 Mac」就像流感,每隔一段時間就在各大科技媒體「集體發作」,但也一直停留在臆測和謠言,就像傳說中的尼斯湖水怪,遲遲沒有成為呈現在世人眼前的現實。

「無痛轉換」從來就不是容易的事

更換處理器架構看似容易,但資產和包袱往往是硬幣的兩面,確保現有應用軟件依舊可用並逐步移轉到新架構,才是真正的大難題。

相信很多人在認識「虛擬化」之前,很可能就因琳琅滿目的遊戲機模擬器,就聽過 Emulator(模擬器)與 Simulator(仿真器)這兩個難以理解差別的專有名詞。講簡單點,Emulator 主要是完全模擬 CPU 的運作方式,根據程序計數器(Program Counter)的值,從內存中獲取指令,進行解碼並執行,而 Simulator 則是模擬系統的行為模式,例如模擬飛行中的駕駛艙按鈕與儀器。很明顯的,要轉換「電腦最基礎語言」的指令集架構,需要的就是前者。

但隨著 CPU 架構越來越複雜,指令數越來越多,要通過程序模擬 CPU 也越來越艱難(當年英特爾在 1990 年代初期開發 Pentium Pro 時,模擬驗證一個指令的時間竟然長達「一天」,那時 x86 指令集已經有將近 300 個指令),而反覆模擬一個接一個指令的「讀取→解碼→執行」流程,更不可能帶來能接受的執行性能,也因此,將二進位代碼「動態翻譯」為另一種指令集執行順序的 Binary Translation(二進位轉譯),變成最為可行的手段,想的單純一點,就好比一段不包含分支的基本程序區塊(Basic Block),轉換編譯成新指令集的二進位代碼,並「快取」起來以便日後重複使用。

當然,這絕對是極度耗費系統資源的過程,也勢必犧牲部分性能,但總好過一個一個指令慢慢跑,蘋果早在 68K 轉 PowerPC 時就導入這技術,資深果粉耳熟能詳的「Rosetta」則是 PowerPC 轉 x86 的二進位代碼轉譯器。

同場加映一下其他攝影棚的劇情,x86 指令集支持硬件虛擬化(Intel VT-x,AMD-V)出現之前,「全虛擬化」(Full Virtualization)的 VMware,特技就在VMM(Virtual Machine Monitor)「攔截」能在使用者模式(User Mode)更動底層系統狀態的「危險」x86 指令,再用 Binary Translation 替換成「人畜無害」者。

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所謂的 x86「硬件輔助虛擬化」(Hardware Assisted)技術基礎原理,關鍵在於新增特權層級(Root Mode Privilege Level),讓這些沒有完善定義、難以虛擬化的 x86 指令一執行就「觸發」處理器的設陷(Trap)機制,再讓 VMM 處理,近似近代多工作業系統的例外處理機制,進而簡化虛擬機管理者(Hypervisor)的架構與複雜度,也藉由原生執行大多數指令以改善整體性能,無需像「半虛擬化」(Paravirtualization)方案,需更新操作系統使之「意識」到下面還有一個虛擬機管理者。

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試圖消滅 80×86 的努力

1996 年,也是當 Windows NT 操作系統同時支持不同 RISC 指令集時,DEC 發表了 FX!32 轉譯器,讓執行 Windows NT 的 Alpha 系統可執行 x86 平臺的 Win32 應用程序,雖然號稱「可達到原生 40%~50% 性能,最佳化後 70%,然後同時期 Alpha 享有壓倒性的時脈優勢,足以抵消轉譯損耗而有餘」,但筆者親身在 COMPUTEX 會場的某攤位一親芳澤的使用者體驗卻不是這麼回事,印象大概就是日本人對新世紀福音戰士某些「靜態」場景的評價——「動畫是會動的畫面,但好像也有不會動的」,希望那只是偶發當機,不是真實性能。

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但回過頭,如果時間可以重來,英特爾和 HP 知道日後可掌握「1992 年就以原生 64 位問世,比我們手上曾經擁有的任何東西都還好」的 Alpha 處理器,放棄硬著頭皮發展 IA-64 指令集和 Itanium 處理器,順水推舟延續 DEC 的遺產,x86 指令集會不會就此逐漸消逝於服務器與個人電腦的世界,還真的是個超級大哉問。

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說到 Itanium 就不得不提到 IA-32EL(IA-32 Execution Layer),英特爾在初代 Itanium 處理器「Merced」(因近似 Mercedes Benz,常戲稱為「英特爾的 64 位豪華房車」)耗費 30% 電晶體總數,只為了「硬幹」出性能不彰的 x86 相容性,還犧牲了日後支持新型 x86 指令(像持續膨脹的 SSE)的彈性,變成 Itanium 要「下放」到中低端服務器市場的障礙。2004 年,英特爾被迫轉向純軟件的動態二進位轉換方案。

如同日後的蘋果 Rosetta,IA-32EL 並非一個一個轉譯單一指令,而是將代碼的基本區塊(Basic Block)直接轉換為對應的 IA-64 指令順序,這稱為「Cold Code Translation」。此外,IA-32EL 會收集所有基本區塊的執行頻率,針對常用部分,依據 IA-64 指令集的特性及基本區塊間的條件關聯,再進行一次最佳化轉譯,並儲存於主內存供日後重複使用,稱為「Hot Code Translation」。總之,IA-32EL 號稱可讓 Itanium 2 處理器執行 x86 應用程序時,得到和同時脈 Xeon 相當的效率,而軟件手段也確保日後持續支持新增 x86 指令的彈性。

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換言之,RISC 的主要精神之一「Make The Common Case Fast」並非只限硬件,軟件也一樣,而工作和生活又何嘗不是如此?所以「可讓我們經常碰到的日常工作跑得更快」的 80×86 就活下來了,Alpha 和 Itanium 只能成為歷史遺蹟。

想偷吃豆腐卻偷雞不成蝕把米的勇者

既然二進位轉換「蘊藏」了「撈過指令集邊界」的無窮潛力,除了應用在自家進行指令集轉移(像蘋果的孟母三遷、DEC 從 VAX 轉 Alpha、HP 從 PA-RISC 轉 IA-64、英特爾從 x86 轉 IA-64、SGI 從 MIPS 轉 IA-64),自然吸引眾多有志之士「吸納」其他平臺應用軟件資源,企圖「鳩佔鵲巢」取而代之。

蘋果 Rosetta 技術基於 Transitive 的 QuickTransit,但早在 2004 年,這家公司的技術已應用在 SGI 的 Prism 虛擬化平臺,讓執行於 Linux 操作系統的 Itanium 2 平臺可延續 MIPS 處理器/IRIX 操作系統的應用程序。蘋果之後,IBM 也在 2006 年 8 月與 Transitive 結盟,讓 x86 / Linux 應用程序搬到 Power 系統(PowerVM Lx86)。

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2006 年 9 月秋季 IDF(Intel Developer Forum),英特爾拉著「Itanium 解決方案聯盟」發表 ISV Platform Expansion Program,通過 Transitive 的 QuickTransit,推動既有使用 SPARC 處理器/Solaris 操作系統的用戶,轉移至 Itanium / Linux 平臺,狂挖 SPARC 陣營牆角。不過很諷刺的,同年底的「SPARC / Solaris 轉移到 x86 / Linux 方桉」似乎比較讓人感到興趣。

洋洋灑灑一大串,以上這些撈過界的「努力」,純粹以結果論而言,統統沒有成功。Transitive 在 2009 年 6 月被 IBM 收購,成為 Power 系統部門的一部分,碩果僅存剩下 PowerVM Lx86,蘋果也在 2011 年完成從 PowerPC 到 x86 的轉移工程,MacOS X Lion 時取消了 Rosetta。

至於在這段眾人一頭熱於「幫別人搬家到我家」的浪潮中,最駭人聽聞的八卦,莫過於 IBM「eCLipz」計劃:以超高時脈的 Power6 為起點,將誕生於 1964 年 S/360 的大型主機家族轉移到 Power,事後證明還好 IBM 沒有想不開進行如此明顯的自殺舉動,否則很多銀行大概會抖很大。

倒是有條線索值得靜觀其變:Transitive 的舊有團隊成員,散佈在以下 3 個地方。

  • BBC(英國廣播公司):BBC Micro 電腦是 ARM 第一個客戶,ARM 最初就是為 BBC Micro 及後續型號設計的。
  • ARM:這就不需解釋了,這家公司不會放過挖 x86 牆角的任何可能。
  • 蘋果:各位,難道你們沒有聞到一股可疑的味道嗎?

「天時」「地利」「人和」三者兼備了嗎?

「蘋果用自己的 SoC 取代英特爾 x86 處理器」越看越像真的,比謠傳已久、眾人言之鑿鑿的美軍 8 倍音速偵察機「SR-91 極光」更確實,但整件事情有這麼單純嗎?

天底下任何奇蹟和慘劇,都是天時、地利、人和三者兼備的結果,為什麼當年蘋果可從 PowerPC 順利轉換到英特爾?

天時:英特爾正集中資源在兼具高性能低功耗 x86 處理器的研發,準備狠狠反擊 AMD,這讓蘋果無需擔憂 CPU 效能不足以吸收轉換損耗,和 CPU 過熱塞不進筆電的老問題。

地利:蘋果手握封閉平臺的優勢,但又可以趁機搶奪 Windows 用戶。Xcode 2.1 提供產生通用二進位(通吃 PowerPC 和 x86)執行檔案的功能,主流應用程序紛紛採用這種方式發表,也降低了轉換門檻。

人和:那時 Mac 用戶是弱勢族群,衝第一個的白老鼠用戶也比較能忍受可能造成的不便,軟件開發者規模更遠遠不如現在,並沒有太沉重的歷史包袱,Macbook 銷售爆發與開發者人數激增,基本上是 2008 年夏天完成平臺基本轉換、iOS 2.0 登場後的結果。

各位可能很難想像 20 世紀初期蘋果有多麼「毫不強勢」,筆者任職某 IT 週刊期間,借測了不少蘋果大產品,從 PowerMac G5 到雙核心版到 Xserve G5 甚至 Xserve RAID,每次蘋果原廠都是派兩三個人來現場支持,這在今天根本想都不用想。

即使萬事皆備,巨大的轉換工程也是從 2005 年一路到 2011 年才功德圓滿。那麼,當下蘋果是否具備同等的條件?

天時:英特爾正準備脫下褲子跟 AMD 拼了,我們幾乎可預期又將再度重演激烈程度迴歸 1990 年代末期到 21 世紀初期的 x86 處理器性能軍備競賽,蘋果自家芯片目前頂多勉強與 PC 處理器「平起平坐」的性能水準,是否足以填補轉換的損耗,並確保同樣良好的使用者體驗?

地利:蘋果是否願意放棄吸收 Windows 用戶的機會?別忘了全球個人電腦出貨量,蘋果佔有率只有 7%。

人和:Mac 用戶已非弱勢族群(尤其年輕學生),開發者規模更是急速膨脹,硬著頭皮轉換下去,會不會動搖根本?

或著,也許蘋果根本就不在意要不要轉換,ARM 的 MacBook 鎖定完全不同的應用與客戶群,可是這樣一來,這跟搭配鍵盤「同為生產力工具」的 iPad 該如何區分?

決定這問題的答案,恐怕只有蘋果是否打算讓 macOS 和 iOS 合而為一,依照這家公司的謹慎行事風格(除了 MacBook 的連接口和蝶式鍵盤),我們應該還有的等,或許永遠等不到也說不定。


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