[2006年二月的舊文]冷飯熱炒：半導體巨人的獨特思維模式Ver 2.0

不知道Intel殺聲震天的Larrabee還是不是繼續死性不改喔...（酒）倒是過去的文筆和現在差很多是真的（汗），回過頭來都有點看不下去（泣）。

處理器路邊社Processor Watch
冷飯熱炒：半導體巨人的獨特思維模式Ver 2.0
這篇文章，原本發表在iThome 128期「2004年春季IDF特別報導」，作為長達12頁封面故事的最後結尾。事隔近兩年，以及四屆IDF的現場心得，筆者決定將該文修正至2.0版，作為本期的內容。希望可以在技術與產品規格之外，讓讀者在過年時可以看到「很不一樣」的東西。

自1971年創造全球首顆微處理器4004、在1978年8086被選為IBM PC的處理器而踏上半導體大廠之路，至今Intel已經穩坐全球半導體產業的龍頭，在IT產業有著無與倫比的影響力。就以半導體產業而言，Intel甚至早已遠邁藍色巨人，無人可及。

但在Intel的歷史上，充滿了諸多備受產業界及學術界爭議的架構及產品設計，除了已經在教科書上遺臭萬年的x86/x87指令集、命徒多舛的i432、「Cray on a chip」的i860、和i432貌同實異的i960、市場尚未成熟就已進入「指令集設計錯誤示範觀察名單」的IA-64等等，不少微處理機的微架構更成為眾矢之的，在當時承受了排山倒海般的批判。這些被視為「毫無道理可循（doesn't make a lot of sense）」的決策，究竟是基於何種特殊的想法？為何這家公司還能這麼成功？我們現在就從Intel的歷史，來幫助讀者了解Intel的思維模式，這也有助於理解這家公司的獨到之處。

極度著重成本與效益

熟悉半導體及微處理器業界的人，應該都會記得Intel歷史上一個極為重要的里程碑：從1996年的Pentium MMX（P55C）及1997年的Pentium II（Klamath）開始，Intel放棄從Pentium開始已經投入數年的BiCMOS製程，轉回傳統的CMOS。當初Intel之所以會導入BiCMOS，主因在於希望可以達成最好的時脈速率，但是基於降低耗電及晶粒面積的考量，後來放棄了，再也沒有回頭。外界普遍將其視為Intel策略上的重大轉折，從此走上高度追求成本效益的路線。換言之，如其採用昂貴的特殊製程技術，不如竭盡所能的進行製程的縮小化。

另一個例子，則是數年前以IBM為首的眾多處理器廠商，競相投入銅導線製程，Intel卻依然堅守鋁導線，所以創造了「沒有銅的銅礦」（Pentium III 180nm製程核心的代號為「Coppermine」）。當時Intel認為，銅導線製程尚未成熟，鋁導線依然有相當大的應用潛力。後來，Intel是直到130nm製程的Northwood才導入銅導線，遠落後於其它廠商。但是，Intel並沒有因此吃虧，依然維持對競爭對手處理器產品效能及時脈上的優勢。目前Intel對SOI晶圓的保守態度，就是一個很好的佐證，Intel已經在去年春季IDF公開表示，他們並不打算採用PD-SOI，等到FD-SOI才會「再考慮看看」。當然，SOI相關專利長期由IBM所掌握，也是主因之一。

Intel著重成本及效益、希望可以將同樣的資源做到最大限度利用的態度，也充分反映在處理器微架構的設計上，相較於競爭對手，Intel的處理器微架構都有著遠較為長的市場壽命，也較能配合未來的製程發展趨勢。

就以Intel的x86處理器經典微架構P6來說，從1996年的Pentium Pro開始，直到目前的Pentium M、Yonah與Merom，已經十年了，而競爭對手AMD陸續推出K5/K6/K7/K8、Cyrix出現M1/M2以及難產的M3，但是都無法動搖IntelP6微架構在市場上的主導地位。P6的諸多優秀設計以及幾近完美的取捨，推出至今已經超過10倍的時脈成長，應用範圍從伺服器一路延伸至筆記型電腦，都足以證明其遠見和前瞻。稱P6是Intel甚至x86最成功的處理器微架構，實當之無愧。

無論是P6以及NetBurst，均遭受「因過度追求時脈而忽略IPC」的批判。其實，Intel的想法並不難理解，因為x86指令集本身所能達成的指令平行化執行能力極為有限，發展類似RISC處理器的大型化複數執行單元，並不划算，因為執行單元利用率並不高，這從Intel的x86處理器均無專屬的位址計算單元（AGU）就可略見一二。NetBurst所導入的超執行緒（Hyper-Threading）更是明顯的證明，希望將現有處理器的運算資源發揮到最高的程度。這種觀念，一直主導著Intel所有的產品設計。近期Intel放棄NetBurst、轉向以追求「效能/功耗比」的Merom微架構，也不脫離追求經濟效益的思考模式。

以「製造」做為思考的出發點

但相較於睿智的微架構設計及製程技術研發，Intel在指令集的架構上，卻是淪落到過街老鼠、北港香爐差可比擬的窘境。x86/x87指令集是如何的飽受批評，這已經不必浪費篇幅來描述了，大概情況只比Digital VAX好一點點，但是，現在連全新設計的IA-64也遭遇到類似的處境。

照例說，指令集架構應該基於長遠的考量。換言之，指令集架構是「戰略」，處理器產品實作是「作戰」，而生產就是「戰術」。但是，Intel所發展出來的指令集可以說一個比一個詭異，到底問題出在哪裡？答案很簡單，因為Intel是以「利於製造」做為思考的出發點。套句普魯士名將老毛奇的名言：「只要戰術成功，戰略可以讓步」。這也許就是Intel設計指令集的信念。

我們先檢討Intel在x86處理器的新增指令方式，往往很多「按照常理」而言應該提供的指令，Intel不是不提供、就是拖很久才提供。例如在SSE不提供乘積和（FMA），在SSE3才提供浮點整數資料型別轉換指令（fisttp），外加在2004年春季IDF發表NX防止緩衝區溢出攻擊保護機制、初期的Prescott核心卻沒有提供分頁表NX位元等，均飽受抨擊。除此之外，Intel習慣針對單一的硬體微架構提供特殊的指令，但是轉換到另一個微架構，這些指令就沒有用處了，直接受害者就是其它廠商的x86相容處理器。

相較於x86的疊床架屋，毫無包袱的IA-64更是到了讓人匪夷所思的程度。首先，IA-64的整數乘法指令，並不能直接使用通用暫存器，而是必須先把值傳遞至浮點暫存器才能執行。另外，IA-64的浮點除法指令，是透過乘積和指令進行倒數運算，為了維持精確度，才將浮點暫存器寬度加長至82位元。最後，IA-64沒有sign-extended載入指令、從記憶體載入32位元值至64位元暫存器時就必須浪費不少時間。更讓人感到納悶的是，IA-64並沒有基底偏移（[base + disp]）定址模式，這和傳統的載入儲存架構相比，就會增加有效位址就必須事先計算的麻煩。

根據IBM的研究，IA-64指令集的程式碼體積竟然高達x86的「4.8倍」，所以讀者就不難理解，為何Intel會特別重視Itanium的快取記憶體容量，屢次在歷代Itanium打造快取容量的世界紀錄。

很明顯的，這些都是屈就實作及生產限制所作出的讓步，上述的例子僅為冰山的一角。種種因素的累積，導致IA-64並不是一個簡潔的指令集架構，而且非常消耗記憶體空間，這些限制，日後一定......不，已經造成了Intel的大麻煩。當然，Intel也許認為這些都可以倚賴製程來彌補，因為它們就是摩爾定律的創造者兼忠實信徒，雖然Itanium產品一直延期，也不是什麼新聞了。

目前還有一種普遍的看法：Intel刻意讓指令集變得更複雜、更難實作，以提高其它廠商製作相容產品的技術門檻。當然，這是絕對沒有確切證據可以證實的。不過，從x87浮點指令集的創造者William Kahan事後的看法，似乎認為這種觀點所言不虛。唯一可以確定的是，「理論上」，Intel自己一定可以順利的推出新產品，其它廠商可就不一定了。

特殊思維逐漸延伸至市場策略

半導體產業一直有一個說法：其它的廠商都是先決定功能再研發製程，而Intel則是在既有的製程上選擇可提供最大獲利的功能設計。基於這樣的思維，Intel理所當然的退出獨立顯示晶片市場，因為那是晶圓單位獲利最低的產品。反過來說，也因此，Intel全力投入整合型晶片組，也是一樣的想法，因為晶片組的晶粒面積都不大，增加繪圖功能反而可以大幅提升產品的價值。

因為Intel一以貫之的追求最大的效益，不在產品功能性上斤斤計較，這種做法，也往往避免了理想過高、導致產品實作不順及良率過低的問題，更可以免除最後被迫犧牲既定的功能、東縮西減的窘境。在商業化的市場上，是否可以穩定的推出新產品、新設計，持續的驗證、累積新技術的基礎，往往遠比強大的產品功能更加的重要。

雖然「奇謀而短」，卻仍是最成功的半導體廠商

Intel獨特的思維模式使其毀譽參半。肯定的人，認為這是非常成功的商業模式，造就全球最大的半導體霸權；否定的人，則認為Intel非常的市儈、缺乏格調，難登大雅之堂。

不過，在商業市場上均以成敗論英雄，Intel也是持之以恆的維持世界頂尖的製程技術及產能，在製程技術發展上選擇極為獨特的路線，才能有今天的成就，這些都是不能否認的。如此的思維，卻又能如此的成功，一再擊出「逆向思考全壘打」，歷史上恐怕也找不出幾個例子吧？