這個(gè)公司帶來的十年CPU輝煌

如果有人現(xiàn)在想為自己的臺(tái)式電腦購買一個(gè)新的 CPU，幾乎只能使用 AMD 或 Intel 處理器。但四十年前，CPU 市場截然不同，而且更加多樣化，提供來自多家公司的眾多產(chǎn)品。

NexGen 就是一個(gè)這樣的例子，它得到了大量資金和一支優(yōu)秀工程師團(tuán)隊(duì)的支持。NexGen 也有一些絕妙的點(diǎn)子讓他們脫穎而出。但是，為什么他們只堅(jiān)持了十年呢？

40 年前模仿是常態(tài)

要開始我們的故事，我們必須回到 20 世紀(jì) 80 年代中期，那時(shí)中央微處理器仍然是相對較新的發(fā)明。英特爾的第一個(gè) CPU 4004 已于十年前發(fā)布，但到 1978 年 8086 推出時(shí)，市場上充斥著競爭型號(hào)，其中許多基本上是克隆產(chǎn)品。

其中一些衍生產(chǎn)品是在許可下生產(chǎn)的，另一些是逆向工程的，在少數(shù)情況下，公司挖走了設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的工程師來制造新芯片。例如，Zilog Z80 是由 Intel 4040 團(tuán)隊(duì)的一些成員創(chuàng)建的，事實(shí)證明它比它所基于的 8080 更快、更便宜。

Intel i386（也稱為 80386）也不例外。Intel 的第一款 32 位處理器于 1985 年推出，功能強(qiáng)大且價(jià)格昂貴，隨后受到 AMD、Cyrix、IBM 和其他公司的注意。

同年，擁有電子工程博士學(xué)位的半導(dǎo)體企業(yè)家 Thampy Thomas 創(chuàng)辦了一家名為 NexGen 的新無晶圓廠處理器設(shè)計(jì)公司。他與另一位備受推崇的工程師尼克·特雷登尼克 (Nick Tredennick) 共同創(chuàng)立了 NexGen，他雄心勃勃地想要擊敗英特爾和其他公司——而無需求助于設(shè)計(jì)模仿。

在 Compaq（美國）和 Olivetti SpA（意大利）、軟件發(fā)行商 ASCII Corp（日本）和風(fēng)險(xiǎn)投資公司 Kleiner Perkins 等公司的資助下，Tredennick 利用他在行業(yè)和學(xué)術(shù)界的人脈培養(yǎng)了一些優(yōu)秀的工程師。

NexGen 架構(gòu)的性能目標(biāo)。

Thomas 在斯坦福大學(xué)期間迷上了 RISC（精簡指令集計(jì)算機(jī)），并認(rèn)為在當(dāng)時(shí)處理器設(shè)計(jì)中可用的晶體管預(yù)算有限的情況下，這種方法才是未來。

RISC 與 CISC：處理數(shù)字的兩種方法

RISC 本質(zhì)上涉及讓硬件在盡可能快的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行所有指令——通常只是一個(gè)時(shí)鐘周期。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，執(zhí)行任務(wù)的部分僅使用最簡單的固定長度命令。例如，將兩個(gè)值相乘，需要向處理器發(fā)出至少 4 條指令來加載這兩個(gè)數(shù)據(jù)，將它們相乘，然后將結(jié)果存儲(chǔ)在某處。

復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī) (CISC) 設(shè)計(jì)則采用另一種方式——可以向處理器發(fā)出可變長度的命令，芯片本身將這些命令分解為所需的所有各種指令。上面的乘法示例只需要一個(gè)命令就可以完成。這樣做的不利之處在于，處理器設(shè)計(jì)中的相當(dāng)一部分晶體管預(yù)算必須花在處理轉(zhuǎn)換的硬件上。

來源：Erik Engheim

與 CISC 處理器相比，RISC 處理器最終更簡單、更小且制造成本更低，但它們需要適當(dāng)?shù)能浖С帧僮飨到y(tǒng)和編譯器需要管理指令處理，因?yàn)榛?RISC 的 CPU 無法真正做到這一點(diǎn)。

在 i386 時(shí)代，主流計(jì)算機(jī)行業(yè)使用的軟件主要是為 CISC 架構(gòu)開發(fā)的，其中大部分是 16 位和 32 位 x86 處理器。如果英特爾真的要改變方向，Compaq 需要做好準(zhǔn)備在競爭中保持領(lǐng)先地位。

因此，由于其支持者熱衷于能夠切換到新范例的設(shè)計(jì)，IBM 預(yù)訂制造芯片，NexGen 配備設(shè)計(jì)它，一切都準(zhǔn)備就緒。

Nx586：有前途的第一個(gè)模型

在 NexGen 上真正賣給 Compaq 的是它的 CPU 理念——最終以 RISC86 的形式銷售，該架構(gòu)將包含一個(gè)快速高效的 RISC 內(nèi)核，但帶有可以轉(zhuǎn)換 CISC 指令的硬件，使它們與基于 x86 的軟件完全兼容。換句話說，工程師們的目標(biāo)是兩全其美。

將產(chǎn)品推向市場并非一帆風(fēng)順。在所謂的 F86 項(xiàng)目上花費(fèi)了相當(dāng)多的時(shí)間，第一次修訂包括 8 個(gè)獨(dú)立的芯片，使其在財(cái)務(wù)上不可行。這項(xiàng)工作直到 1994 年才取得成果，也就是公司成立將近 8 年之后，在此期間英特爾確定了 RISC，并致力于 x86 架構(gòu)，并發(fā)布了 i486（1986 年）和第一代 Pentium，1993 年代號(hào)為 P5。

來源：x86-guide

NexGen 的第一個(gè)商用處理器 Nx586 與 i486、Pentium 和大量克隆產(chǎn)品明顯不同。該芯片與市場上的任何主板都不兼容，因此 NexGen 不得不設(shè)計(jì)和生產(chǎn)自己的芯片組 ( NxVL )——操作系統(tǒng)最初也難以正確識(shí)別 Nx586 和主板。

幸運(yùn)的是，新貴 CPU 足以讓它在競爭中脫穎而出。由 IBM 使用其 500 nm 工藝節(jié)點(diǎn)制造，時(shí)鐘速度與 Intel 一樣好，范圍從 70 到 110 MHz。緩存系統(tǒng)特別強(qiáng)大，分別具有 16 kB 的 L1 指令和數(shù)據(jù)緩存，與 P5 不同的是，L2 緩存控制器內(nèi)置于 CPU 中，減少了所有重要的延遲。

NxVL 芯片是這款主板的中心舞臺(tái)。

與 Pentium 一樣，Nx586 本質(zhì)上是超標(biāo)量的（三向執(zhí)行），同時(shí)處理兩個(gè)整數(shù)數(shù)學(xué)和一個(gè)地址指令；它還有一個(gè)不錯(cuò)的分支預(yù)測器單元和 64 位寬的數(shù)據(jù)總線。

由于 AMD 的 P5 競爭對手（AMD K5 直到 1996 年才推出）和 Cyrix 的 6x86 性能欠佳才進(jìn)入市場，NexGen 憑借比英特爾更便宜且性能更佳的產(chǎn)品在 CPU 競爭中大放異彩。

戰(zhàn)斗變得更加艱難

雖然 NexGen Nx586 在整數(shù)計(jì)算方面很強(qiáng)大，但在浮點(diǎn)數(shù)學(xué)方面無法與奔騰競爭，因?yàn)樗鼪]有對此類數(shù)字的物理支持。這對于 DOS 商業(yè)世界來說是可以接受的，但 PC 愛好者（尤其是那些喜歡玩游戲的人）必須等到 1995 年底，NexGen 才能對此有所了解。

延遲阻止了 Nx587 浮點(diǎn)協(xié)處理器與 Nx586 同時(shí)準(zhǔn)備就緒，最終，兩者將合并為一個(gè)封裝（同一 CPU 板上的兩個(gè)芯片）。

正如當(dāng)時(shí)常見的那樣，NexGen 使用 P 評級系統(tǒng)來標(biāo)記其產(chǎn)品——例如，Nx586-P80 的運(yùn)行頻率為 75MHz，但其性能相當(dāng)于英特爾的 80MHz Pentium。具有浮點(diǎn)協(xié)處理器的模型被賦予了 PF 綽號(hào)（例如 Nx586-PF100）。

不幸的是，盡管 Compaq 對該項(xiàng)目做出了財(cái)務(wù)承諾，但該公司并未在其 PC 中廣泛使用新芯片。多芯片 PF 處理器對定制主板的需求和更高的生產(chǎn)成本使 NexGen 的成就黯然失色。

英特爾在其奔騰模型方面取得的快速進(jìn)展也無濟(jì)于事。到 1996 年初，P5 達(dá)到了 166MHz，并且有一些版本的架構(gòu)可以向后兼容舊的 i486 時(shí)代的芯片組。

NexGen 還沒有結(jié)束，它已經(jīng)在 1995 年 10 月展示了其第二代 RISC86 處理器 Nx686。該公司承諾修復(fù)所有阻礙第一個(gè)的問題。

首先，新芯片將是單個(gè)芯片，尺寸更小，時(shí)鐘頻率更高。在布局方面，L1 數(shù)據(jù)緩存大小以及整數(shù)流水線和 x86 指令解碼器的數(shù)量都將翻倍。Nx686 甚至?xí)峁┬碌亩嗝襟w指令擴(kuò)展，并可用于帶有 NxVL 芯片組的主板。簡而言之，這是對當(dāng)前 Nx586 用戶的完美更新，也是一個(gè)更好的產(chǎn)品，可以讓客戶遠(yuǎn)離英特爾。

后者尤為重要，因?yàn)樵?NexGen 的新聞發(fā)布會(huì)后一個(gè)月，英特爾發(fā)布了其全新的 P6 架構(gòu)，命名為 Pentium Pro。就像 Nx586 一樣，它也將 x86 命令動(dòng)態(tài)解碼為更小的指令，從而更容易提高整個(gè)處理器的效率。

遺憾的是，Nx686 從未進(jìn)入市場，至少不是作為 NexGen 產(chǎn)品。

被 AMD 收購

十多年來，AMD 擁有兩個(gè)主要的處理器設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：一個(gè)致力于 x86 克隆，另一個(gè)為嵌入式市場開發(fā) RISC 芯片。大約在 NexGen 宣布其第二代 CPU 的同時(shí)，AMD 推出了 Am5x86 處理器。

這將是 AMD 最后一款源自英特爾的芯片，因?yàn)樵摴镜墓芾韺記Q定在臺(tái)式機(jī)和工作站市場上利用其 RISC 設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。因此，為什么 Am5x86 的繼任者 K5 會(huì)采用與 NexGen 相同的方法——一個(gè)基于 RISC 的內(nèi)核，帶有 x86 指令解碼器。

從理論上講，K5 是超越奔騰的設(shè)計(jì)，但事實(shí)證明，制造這種芯片比 AMD 所希望的更具挑戰(zhàn)性和耗時(shí)。第一批 K5 模型直到 1996 年 3 月才準(zhǔn)備就緒，并且不同尋常地發(fā)布了新的架構(gòu)。

K5 的后期修訂版比初始版本好得多。

這些芯片標(biāo)有代號(hào) SSA/5，完全禁用了分支預(yù)測單元（由于不穩(wěn)定的分支目標(biāo)緩沖區(qū)），某些操作的處理等待狀態(tài)更長，并且由于是在較舊的 500 上制造的，所以熱量輸出很高。

AMD 最終會(huì)在 8 個(gè)月內(nèi)解決這些問題，但損害已經(jīng)造成。為了避免在他們的下一個(gè)架構(gòu)中犯同樣的錯(cuò)誤，該公司做出了一個(gè)相當(dāng)令人驚訝的決定。1995 年 10 月，AMD 以 8.57 億美元的股票收購了 NexGen。

大公司收購小型半導(dǎo)體公司并不罕見，即使在當(dāng)時(shí)也是如此，但通過這次代價(jià)高昂的收購，AMD 公開承認(rèn)它沒有能力與英特爾直接競爭。

AMD 的 K6 處理器幾乎完全是 NexGen Nx686。來源：Fritzchens Fritz

很快就發(fā)現(xiàn)這筆錢花得很值。AMD 采用了 NexGen 的 Nx686 設(shè)計(jì)并重新調(diào)整了一些元素——例如，調(diào)整了引腳布局和相關(guān)布線以與英特爾的 Socket 7 格式兼容，結(jié)果放棄了用于 L2 緩存的專用 64 位總線。

修改后的設(shè)計(jì)于 1997 年 4 月作為廣泛成功的 AMD K6 系列 CPU 發(fā)布，新芯片的性能與更新的奔騰處理器一樣好，除了在需要大量浮點(diǎn)計(jì)算的應(yīng)用程序中。自然地，它的購買成本低于同等的 Pentium，因?yàn)檫@是英特爾競爭對手的標(biāo)準(zhǔn)營銷方式。

AMD 將繼續(xù)進(jìn)一步修改基于 Nx686 的架構(gòu)，擴(kuò)展多媒體支持，并為 K6 之后發(fā)布的每個(gè) x86 CPU 使用 CISC 前端和 RISC 執(zhí)行概念（英特爾也是如此）。

一家創(chuàng)新公司的永恒終結(jié)

這就是 NexGen 的終結(jié)。任何仍在貨架上或工作計(jì)算機(jī)中的剩余 Nx586 芯片將迅速消失，取而代之的是 AMD 版本，而這個(gè)名稱本身將很快成為微處理器歷史上的一個(gè)注腳。

所有現(xiàn)代 x86 CPU，Intel 和 AMD，都?xì)w功于 NexGen 的架構(gòu)設(shè)計(jì)方法。Core 和 Ryzen 處理器的基本執(zhí)行階段本質(zhì)上是 RISC，運(yùn)動(dòng)前端裝有巧妙設(shè)計(jì)的指令解碼器以轉(zhuǎn)換 CISC 類型的命令。因此，雖然公司本身早已不復(fù)存在，但它的影響仍然很強(qiáng)大，而且不會(huì)被遺忘。