硬科技：RISC諸神的黃昏系列 IBM古老RISC體系(一)

在今天，一說到「高階伺服器」，特別是動輒16顆32顆處理器以上的超高階系統，現在唯一碩果僅存且持續發展者，大概也只剩下「藍色巨人」IBM的CISC (複雜指令集電腦) 大型主機IBM Z (Zero Downtime) 與RISC (精簡指令集電腦) 高階伺服器的Power Systems了。

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後者因PowerPC的盛名，與IBM持續推陳出新看似高不可攀的Power處理器，也較為被眾人所知曉，但各位科科是否知道，嚴格說來，RISC的起源就來自於IBM，而今天看似一脈相承的Power指令集架構，其實也是歷經IBM內部多個RISC指令集發展計畫的長期競合與版本分裂，在2001年的Power4 (Power ISA 2.0) 首次統一伺服器的部分，更在2006年的Power6 (Power ISA 2.03) 才真正完全整併PowerPC，實現IBM RISC指令集的「統一大業」。這背後的故事與內幕，遠遠超過維基百科上面那張Power指令集演進史。

稍有資訊科班背景的科科，應該都知道RISC一詞是在1980年代由當代計算機結構大師David Patterson所發明 (CISC是RISC之後才出現的對照用名詞)，他與另一位大師John Hennessy (MIPS創造者) 合著的2本教科書 (白算盤、計量方法) 更是資訊科系不可不讀的經典教科書。

但RISC的諸多核心概念，早已在1960年代萌芽。如果科科很用功，應該會查到超級電腦大師Seymour Cray在1964年的CDC6600與後繼機種CDC7600 (原CDC6800)，與由IBM研究員John Cocke從1974年開始的IBM 801計畫。

第一台使用精簡指令集計算機　(RISC)　架構的原型計算機是由IBM研究員John　Cocke和他的團隊在1970年代後期設計的。他在1987年獲得圖靈獎 (計算機工業最高榮譽)，1994年獲得美國國家科學獎章，1991年獲得美國國家技術獎章。

在1960年代，IBM在科學應用導向的高效能運算市場，落後於其他競爭者，所以在1963年啟動ACS (Advanced Computing Systems) 計畫 (代號Project Y)，在1965年基於John Cocke對於超級電腦的想法進行產品設計。雖然IBM在1968年取消了ACS，但John Cocke團隊將ACS累積的成果—特別是高階語言編譯器 (Compiler) 的最佳化技術與更加精簡的指令集架構一併帶到了IBM 801。

在1974年，IBM正在研究構建每小時處理一百萬個通話 (每秒300通) 的電話交換機的技術可能性，他們估計每通電話需要執行兩萬個指令，換言之，相當於每秒600萬的指令 (6 MIPS)，加上額外的處理負擔，起碼需要12 MIPS的效能。當時IBM效能最頂級的系統是1972年的System/370 Model 168大型主機，卻只有「3 MIPS」，這意味著需要在性能方面取得重大進展。

他們做了一件很重要的事情：基於效能考量，刪除了大量直接操作記憶體資料的指令，只保留使用處理器內操作資料暫存器的指令，踏出了RISC概念真正成形的最重要一步：載入 (Load) / 回存 (Store) 架構。

此電話交換機計畫在1975年被取消，但團隊在這個概念上取得了相當大的進展，當年10 月 IBM決定將其作為通用設計繼續其發展，並以其研發部門所在Thomas J.Watson研究中心的建築物編號為名，將其命名為IBM 801。

他們進一步發現一個很重要的事實：雖然當時電腦設計的主流，都是透過微碼 (Microcode) 實作數量龐大且功能強大的複雜指令，例如一個加法指令可能就有幾十種版本，對應不同的運算元 (如記憶體和暫存器的配對組合)，但指令集中可用的大多數指令 ，從未在編譯程序中被使用過。

他們做出歷史性的重大結論：「在計算機與其使用者之間強加微碼 (意謂著使用微碼實作「作為軟體與硬體界面的指令集架構」)，會在執行最頻繁執行的指令時，產生昂貴的開銷」。

道理很簡單，為了提供充裕的指令數量與功能，反而拖慢了常用—而且往往還是功能相對簡單—指令的執行效率。這也成為RISC概念成形的第二步：取消微碼，直接使用硬體線路 (Hardwired) 實作常用的簡單指令，並有效管線化 (Pipeline)，讓指令能夠在單一時脈週期內執行完畢。

IBM 801的最初版本，擁有16個24位元資料暫存器，指令編碼長度24位元，沒有虛擬記憶體，並且延續古老的雙運算元格式 (A = A + B)，在1980年產品化，時脈約15.15MHz，運算效能高達15 MIPS，超出了原先的預期。IBM 801被普遍應用在各種IBM產品，包括System/370大型主機的I/O通道控制器、各種網路設備、IBM 9370大型主機的垂直維碼執行單元，並在日後成IBM ROMP微處理器、IBM RT PC工作站和幾個內部研究案的技術基礎。

畢竟IBM 801一開始是為了功能有限的系統設計的，特別是缺乏虛擬記憶體，後來IBM進行諸多改良，其中特別重要的是將指令編碼長度擴展到32位元，不僅資料暫存器的數量倍增到32個，更有足夠的位元數改為三運算元格式 (A = B + C)，更利於數學應用，因為在理想狀態中，兩個數字都需要可以保留在暫存器中，以便在後繼的運算重新使用，但二運算元格式 (A = A + B) 卻會覆蓋其中一個，代表必須事先複製一個運算元的資料到另一個暫存器。是的，各位科科又看到一個RISC的重要特性了。

更值得注意的是，IBM 801計畫對於改善編譯器效率帶來的巨大貢獻。新版的IBM 801在System/370大型主機上以模擬器執行時，運行速度竟然會比System/370的原生程式碼還要快。IBM研發團隊將IBM 801計畫的編譯器最佳化技術 (盡量使用資料暫存器、減少記憶體存取頻率) 逆向移植回CISC架構的System/370，效能也比現有版本快了三倍，充分證明針對RISC而發展的編譯器技術，也同樣可提昇CISC處理器的軟體執行效能。

但IBM 801的傳奇故事並未就此劃下句點，更大的挑戰出現在John Cocke等人的眼前：同時執行一個以上指令的「超純量 (Superscalar)」管線，以及讓RISC搶灘個人電腦市場的努力，即將登場。