EETOP整理自：technews 作者 痴漢水球
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揭秘曾經的黑科技：前蘇聯的三進制計算機
本文將帶你瞭解:
前蘇聯計算機工業象徵的Elbrus電腦系列
Elbrus崛起路上的兩位重量級大人物
1999年初倍受爭議的《俄羅斯人來了》
充滿俄國式暴力美學的Elbrus 2000
高性能能處理器的研製能力仍為國家安全的重中之重
2019年，俄羅斯制「Elbrus」處理器執行遊戲《上古卷軸III》畫面在網路曝光，提醒世人，俄羅斯並未放棄將處理器視為核心技術、企圖掌握自主研發能量的努力。
注：Elbrus為高加索山脈主峰，為歐洲最高峰，中文翻譯：厄爾布魯士峰
這30年來，坊間也一直不缺「很少有人知道，Intel的Pentium和Itanium處理器，在世界上最著名的技術源頭，其實來自於蘇聯的超級電腦與優秀工程師」之類的鄉野謠傳。
從1947年到1991年的冷戰，世界分成兩大陣營，在這將長達近半世紀的時間內，前蘇聯也建立起和西方世界分廳抗拒的計算機工業技術體系。回顧歷史，不可否認，前蘇聯在計算機技術的發展中，取得相當重要的成就。
各位想想看，蘇聯早在1957年就發射人類第一顆太空衛星，震撼了整個西方世界，1965年更創下人類史上第一次的太空漫步，看在龐大的國家核心重工業份上，加上航空航天和核能等琳琅滿目的先進科技研究，難道蘇聯的科學家都非得自己用紙筆，去算那些有字天書般的數學方程式嗎？無論如何，蘇聯非得自行打造高效能電腦，以滿足尖端科技的計算需求不可。（EETOP編輯）
早從1948年，蘇聯就建造了用於研發彈道與火箭的MESM（Malaya Elektronno-Schetnaya Mashina，雖然以今天觀點來看可是一點都不小的「小型電子計算機」），1950到1960年代，再由5,000個真空管組成的BESM（Bolshaya Elektronno-Schetnaya Mashina）系列接替。
BESM系列相當長壽，做為末代機種的BESM-6，從1968年到1987年，總計生產了多達355臺，在1992年才陸續被技術領先好幾代的Elbrus-1K2取代。
至於一般民用的計算機產品，畢竟蘇聯在這段時期，在怎麼說也是僅次於美國的世界第二大經濟體，就算計算機技術著重在軍工產業，也不代表蘇聯人民就沒電腦和網路可用。但冷戰結束後，直至今日，卻仍然有不少人依然對此偏見深信不疑。
在1980年代，蘇聯陸續仿照西方世界的產品，研製民用電腦與電子遊戲機，像普及的DEC PDP-11 和Apple II 都成為蘇聯「借鑑」的對象。1984年，蘇聯大學與高等學術機構的數學和物理相關科系，普遍設置電腦教室。共產世界的網際網路服務和廣域無線通訊，也在1991年蘇聯解體前陸續實用化。
但整體看來，前蘇聯在電子工業和半導體產業，遠遠落後於西方陣營和日本，一直是不爭的事實，因為俄國人認為集成電路在核子戰爭的可靠度與抗干擾都不佳，走向了偏好小型化真空管的路線（但這不代表沒在研發集成電路，只是投入優先權較低），從此被西方陣營按在地上摩擦了好幾十年。
1976年9月6日，一架蘇聯空軍的Mig-25突破日本防空網，迫降在日本北海道的函館，向美國和日本投誠，當然馬上被拆個一乾二淨，好好的研究一番。讓西方世界大吃一驚的，除了蘇聯的最先進戰鬥機「竟然是鋼做的（被戲稱「飛得比飛彈還快的不鏽鋼」）」，再就是航電系統「還在用真空管」！（EETOP編輯）
論軍用電子科技，過去約定俗成的「蘇聯落後西方十年」都還是太過客氣的說法，直到Su-27戰鬥機，都還發生雷達嚴重過重，導致重新設計機體的狀況。不過今日的音響愛好者，可能得多多感謝當年俄國人的錯誤決定，讓他們還買得到便宜耐用的蘇聯軍規真空管，聽說還包括Mig-25專用的高檔貨色。
蘇聯解體後，俄羅斯繼承了其計算機工業的主體，但也失去了國家的全力支持，人才大量外流，既有的技術研發團隊也急著尋求資金投入，這也埋下了在1999年2月，做為蘇聯計算機工業象徵的Elbrus，在《微處理器報導》（Microprocessor Report）的爭議性亮相。
蘇聯計算機工業象徵的Elbrus電腦系列
Elbrus（厄爾布魯士峰）山位於俄羅斯西南部大高加索山脈，其海拔5,642公尺的最高峰，不僅是俄羅斯的最高點，更是歐洲第一高峰。俄國人以Elbrus命名蘇聯用來開發飛彈系統、核子武器和太空計劃的超級電腦，可見地位之崇高與期待之殷切。
（Source：Koshmarov at Russian Wikipedia / CC BY-SA）
時下關於計算機組織結構的主流歷史與課堂上使用的教科書，清一色都是出自於西方世界（尤其是美國）的產物。幾乎成立於1950到1960年代，做為蘇聯計算機工業象徵的Elbrus電腦系列（現屬於MCST，Moscow Center for SPARC Technologies，莫斯科SPARC技術中心），其產品歷程堪稱其縮影。
論「世界上第一個非循序指令執行的RISC處理器」，一般的制式答案是1990年的IBM Power1（限於浮點運算指令），或者1993年的IBM PowerPC 601。但在1978年完成的蘇聯Elbrus-1，就已經使用結合超標量、非循序執行與預測執行的RISC處理器了，領先美國人整整13年，這應該會顛覆很多人對前蘇聯計算機技術水準的刻板想像。（EETOP編輯）
諷刺的是，因俄國人「太早體驗」超越時代的先進處理器架構，覺得這類硬件設計太過複雜，反而轉向超長指令集架構（VLIW），企圖將複雜度轉嫁到軟件，才催生了在1999年讓眾人瞠目結舌的Elbrus 2000。
Elbrus崛起路上的兩位重量級大人物
在這裡必須介紹被譽為「俄羅斯的克雷（Cray）」、蘇聯超級電腦之父Boris Babayan，出生於1933年，現已高齡87歲，從1950年代就歷經蘇聯早期計算機與超級電腦的研發，擔任Elbrus- 1 與Elbrus-2的副首席設計師，並負責超長指令集架構的Elbrus-3，和後繼的Elbrus 2000（Elbrus-3的單芯片實作）與Elbrus90micro（Elbrus的SPARC v9 指令集相容處理器）。
（Source：Ggbabayan / CC BY-SA）
蘇聯解體後，理所當然的，美國人一定對老對手的計算機技術深感興趣。Boris Babayan 從1992年開始，在當年成立的MCST（Moscow Center of SPARC Technologies）與Sun一同研發UltraSPARC處理器架構、操作系統（包含Solaris）、編譯器與多媒體函式庫，間接或直接的幫助了Sun的崛起。
據說，原本先找上門洽談合作的是惠普（HP），那時HP和Intel正展開IA-64指令集與Itanium處理器的研發，但Boris Babayan 早在1989年，就跟Sun創辦人Scott McNealy 碰頭了。
Boris Babayan 在2004年8月加入Intel，擔任Intel莫斯科研發中心的微處理器研發主管，也成為第二位獲得Intel院士（Fellow）頭銜的歐洲人。此外，他也得到兩項前蘇聯的最高榮譽，1974年在電腦輔助設計（CAD）的成就拿到「十月革命勳章」，1987年因Elbrus-2超級電腦取得「列寧勳章」，看起來很威。
此外，也值得一提Elbrus另一位重要人物Vladimir Pentkovski，1946年生，2012年逝世於美國，享年66歲。他也參與過Elbrus-1與Elbrus-2超級電腦的研發，並領導高級程序語言El-76的開發。在1986年，他帶領從事32位El-90微處理器的研製，1987年設計完成，1990年樣品問世，基於El-90的El-91C則隨著蘇聯解體而無疾而終。坊間對El-90的普遍評價是「很像稍晚出現的Intel Pentium」，江湖也流傳著Pentium此名，其實源自於Vladimir Pentkovski 的傳說。
（Source：Thebeatles84 / CC BY-SA）
Vladimir Pentkovski 在1990年代初期移民到美國，1993年進入Intel並晉升為首席工程師，主導Pentium III 的架構（重點在於新增128位元SIMD的SSE指令集，以及為此改善微架構），後來他也長眠於Pentium III 研發工作主要所在地的加州Folsom。無獨有偶，Intel下一個「升級現有處理器的製程，並趁機增加大量新指令」的45nm製程Core 2「Penryn」（SSE4指令集），也是在此地誕生。也許Intel在這裡的團隊，對這件事頗具心得，或本來就專精於此。
各位或多或少應能察覺到：冷戰結束後，在某些科技領域，美國逐步拉開與俄國的差距，前蘇聯人才大量外流，很可能是舉足輕重的因素。
總之，Elbrus以超級電腦起家，其深遠影響也就原封不動的呈現在Elbrus 2000 的特色上，讓世人見識到俄國人獨特的思考邏輯與行事風格。
1999年初倍受爭議的《俄羅斯人來了》
在1999年2月，【微處理器報導】發表了《The Russians Are Coming》一文，深入介紹當時尚無實品，仍處於VerilogRTL語言階段的Elbrus 2000 處理器。
這篇看似平凡的報導，之所以引起爭議和質疑，有3個主因：
俄國人擺明藉此來找肯掏錢的金主：Boris Babayan在英屬開曼群島，成立了號稱擁有366名成員研發團隊的Elbrus International，宣稱他們沒有足夠的資金購置EDA工具，需要6,000萬美元和3年時間，才能完成設計。然後將Verilog語言落實成真正的處理器產品，光要做出嵌入式應用的縮水版E2K處理器，就開價500萬到1,000萬美元的經費。換言之，要做好做滿完整的產品規格，開銷只會更高。
極度不可思議的超高效能、超小芯片面積與超低功耗：假設Elbrus團隊宣稱的效能為真，那將是當時的王者Alpha 21264（EV68）的2.5到3倍，而且耗電量竟然只有一半，晶體管數量也才2800萬。天知道前蘇聯到底藏了哪些不為人知的「黑科技」，但這也太誇張了，怎麼看都不像是真的。
看完這張比較表後，各位大概也不難理解，為何Intel和HP攜手合作的Itanium會出師不利了，並且被前蘇聯的VLIW專家，視為很好毆打的沙包，在宣傳文件與技術白皮書，緊緊的抓著Itanium窮追猛打。
透過二進制動態編譯的軟件手段件容x86指令集：這讓人不得不第一時間聯想到Transmeta。事實上，TransmetaCEO兼共同創辦人Dave Ditzel，在Sun任職期間，於1992年到1995年，還真的跟Elbrus團隊共事過。但在1999年，經由軟件途徑相容x86的效率，並未獲得充分的實證，更讓Elbrus團隊宣示的驚異效能，充滿了滿滿的問號。
在1999年，筆者還只是躲在學生宿舍熬夜上網混日子的文組大學生，沒事閒晃Micro Design Resources（主辦微處理器論壇與出版微處理器報導的公司）的網站，尋找計算機結構課程作業要用到的資料。一翻到這篇《The Russians Are Coming》 ，看完之後，除了滿臉黑直線，就無法有其他的生理反應了，更沒料到事隔多年，他們還真的做出如假包換的實際產品。
充滿俄國式暴力美學的Elbrus 2000
研發超級電腦長達數十年，「追求極致的平行化」是Elbrus的基因，所以這些俄國人對於VLIW的看法也極度的獨樹一幟，讓起源於Elbrus-3超級電腦的Elbrus 2000（E2K）看起來就不太像西方人會想出來的玩意。
從VLIW變成「VLI-CIS」：標準的VLIW處理器，假如編譯器能力不足，將會導致指令包內塞NOP（什麼都不做的No-Operation），浪費執行單元、記憶體空間與頻寬，並降低執行效能。俄國人索性就讓E2K變成像CISC一樣可變指令長度的VLIW，想跑什麼就放什麼，一絲一毫都不會浪費。
有趣的是，同樣在1999年面世的Sun MAJC（Microprocessor Architecture for Java Computing，發音是Magic）處理器，也是可變指令長度的VLIW「指令封包」，有鑑於Elbrus團隊與Sun的合作經歷，說這只是單純的巧合，大概也沒人會信吧。但MAJC被Sun用來打造XVR-1000和XVR-4000工作站專業繪圖卡，卻讓人感到有些意外。
E2K單一指令包長度，從1到15個32位指令，加上標示後面整排指令的排序與行為的32位標頭（Header），介於64位到512位。相較於E2K，僅僅3個41位元指令加上5位元指令排序碼的Intel IA-64（Itanium處理器）簡直小巫見大巫。而IA-64也曾是E2K預定「相容」的指令集之一，不限x86。
然後標頭長達32位，可存放更多的資訊，不只標定指令長度，更可定義複雜的運算行為，協助編譯器進行更積極的最佳化，實現更有效率的靜態指令排程。
一個VLIW指令包只有3個指令的IA-64，容易因多路指令排程浪費指令包空間，造成管線氣泡（Pipeline Bubble）。
相較之下，E2K單一VLIW指令包可吃1到15個指令，彈性就大多了，也具備減少呼叫副程式資料傳輸量的暫存器框格（Register Window），更額外配置了陣列資料預先擷取緩衝區（Array Prefetch Buffer，APB），以便於執行超級電腦常見的迴圈重疊（Loop Overlapping）。
Elbrus團隊號稱E2K理論上可個別做到單一時鐘週期14個整數運算、或16個浮點運算、或當迴圈重疊時24個浮點運算，光靠帳面上的數字就活活嚇死人。
雙核心化的數據Cache和暫存器：VLIW處理器內部也需相匹配的寬敞執行單元，因應超長的指令包。E2K的6個整數邏輯運算單元（不含除法）、4個浮點運算單元（加法和乘法）、4個載入回存單元、3個引述（Predicate）單元、2個MMX加法/減法單元、2個MMX乘法/搬移單元、1個整數浮點除法單元（位於ALC5）、1個分支處理單元，分散在6個執行單元（ALC 0到ALC 5）區塊。
但E2K的暫存器檔案由256個64位元所組成，整數和浮點共用（意謂80位元延伸雙倍精確度浮點數或128位元SIMD需動用兩個暫存器），如果這麼多的運算，要同時存取同一塊暫存器檔案與資料快取記憶體，勢必拉長關鍵電路路徑與存取延遲，更別提資源衝突了。
面對這個問題，俄國人索性放了兩塊內容同步的暫存器檔案（Register File，RF）和L1 Data Cache(L1D），分而治之，乍看之下還以為看到了AMD推土機家族的叢集多執行緒雙核。此外，暫存器檔案的存取接口埠，更是駭人聽聞的「20讀取，10寫入」。
採用如此暴力的高成本手段，解除潛在的效能瓶頸，的確非常的「俄式風格」，極度的「超級電腦」，也難怪當時根本沒人相信，在相近的半導體制程，E2K芯片能夠做的跟Alpha 21264 一樣小。更何況，這票俄國人對當代的先進半導體制程，也是欠缺經驗，預估的2800萬晶體管數量，實在是徹頭徹尾的樂觀過頭。
E2K倒是有個符合「軍事等級安全性」而承襲自Elbrus列祖列宗的特殊技能：每一筆32位元數據都附上2位元標籤，近似於x86指令集分頁表中的禁止執行位元（NX Bits），但更加堅壁清野，據稱能讓E2K可硬件進行動態型別檢查（Dynamic Type Checking），有助於保護軟件運行環境不受不必要的更改和篡改，提升系統安全性。這讓人看起來一頭霧水的功能，其真實效果和真正作用，恐怕只有前蘇聯紅軍和俄羅斯國防軍才會知道了。
預先準備分支目標指令：為了縮短分支代價，減少擷取分支目標指令的時脈週期，E2K提供了同時最多可執行3個的「分支目標準備」（Branch Preparation）指令，編譯器可將其放在分支之前，從指令快Cache預先獲取分支指令的目標。E2K的指令快取的「暴力度」亦不遑多讓，可同時送出多達4個512位元最長指令包（總長度2048位元），也充滿了超級電腦的色彩。
另外，E2K亦具有VLIW指令集常見的引述執行（Predicated Execution）機制，當可在分支發生之前，確認分支條件的結果，編譯器即可使用引述碼取代分支，來控制指令執行流程。
但假若碰到引述執行無法應付的場合，像分支發生時，來不及確定分支條件結果的話，可選擇性的啟動「雙向預測執行」，徹底揮霍執行單元，兩邊指令流一起跑。當分支條件塵埃落定，不論是否執行完畢，僅保留正確的那一邊。不愧是俄國人，有夠土豪。
動態二進位碼編譯實現x86指令集相容性：E2K並非原生x86處理器，類似系出同源的Transmeta，需藉由動態二進位碼編譯技術相容x86程式碼，必然帶來轉譯過程的效能折損，但也蘊含了對應未來新增x86指令的彈性。按照Elbrus團隊的原始計畫，E2K將同時支援x86與IA-64，但後者已被Intel宣告死亡，被x86-64取而代之，也就沒進展下去的必要。
理想與現實的差距究竟有多大
E2K遲至2005年才以0.13um製程晶片粉墨登場，即使耗電量僅6W，第一階數據快取容量從8kB激增到64kB，但時鐘頻率卻從1.2GHz大幅縮水到300MHz（那時Intel Pentium 4已進逼4GHz大關），晶體管數量從1999年的2800萬爆增到7580萬，證明當年外界的諸多質疑並非空穴來風，昔日「0.18um製程時126 mm² 晶片面積」會超標多少，就死無對證了。
雖然MCST持續增加E2K核心數量，也不間斷的微幅改進核心架構，一路將Elbrus處理器推進到16核心（硬件動態指令排程、主頻2GHz、整合南橋晶片組、60億晶體管、臺積電16nm製程、晶片面積400 mm²、功耗100W、2021年量產），但光從歷代產品的製程和芯片面積，就足以斷定Elbrus對上同期Intel與AMD的產品，俄國人的「x86相容處理器」毫無競爭優勢，絲毫佔不了便宜。
高效能處理器的研製能力仍為國家安全的重中之重
既然產品缺乏競爭力，那俄國人幹嘛死撐活撐，乖乖的掏錢購買美國人的產品不就得了？但從國家安全的角度去考量，完全不是這麼一回事，特別對俄羅斯這種長期跟西方國家對抗的大國來說，更是如此。從民生到軍事，沒有不需要高效能處理器的地方，天底下沒有任何對前途抱有企圖心的國家，會想眼睜睜的看著像處理器這樣的核心技術，完全受制於人。
以俄羅斯來說，儘管計算機技術明顯不如眾多戰略競爭者，近年來制定並實施「2013-2025年電子工業發展規劃」和「國防工業綜合體發展規劃」等產業戰略，仍盡其所能的對內採購國產電子產品，維持本國的軟硬件研發能量（筆者必須再次強調：Elbrus二進制動態轉譯技術的重要性，絕不低於處理器硬件）。否則哪天出現大規模國際衝突，甚至爆發戰爭，美國人一發動禁運，一切就都完了。