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处理器简史|PowerPC 09:烽火连天 颓势初显(上)

2023 年 11 月 14 日

乔布斯鼓吹的 G3 受到了英特尔的奋起直追,摩托罗拉自身的财务困局则为 PowerPC 阵营增添了变数。局势紧张之际,IBM 取得铜互联工艺突破,让苹果扳回一局,更让 PowerPC 成功「破圈」飞向太空。


前文提要:1997 年末,凭借着 PowerPC G3 的强大性能以及出色的能耗比,加上乔布斯大刀阔斧的改革,苹果涅槃重生,再度腾飞。但乔布斯并不满足于此。次年,随着资金的日益充足,一大批搭载新一代 PowerPC、设计优美的产品接连问世;至于对面的英特尔,精于营销的乔布斯也为他们准备了大礼。

 

营销攻势

趁着 PowerPC G3 的性能优势,乔布斯以 Think Different 为口号,开启了新一轮营销。这既包括大量令人印象深刻的广告,例如放在蜗牛背上的奔腾 II;也包括朗朗上口的宣传语,「G3 比奔腾 II 快两倍」遍布大街小巷。

蜗牛驮着奔腾 II 以表明其运行的缓慢

对手的宣传素材也成为了揶揄的对象。之前在 1997 年,英特尔把晶圆厂中常见的工作服「Bunny Suit」做成了广告材料:在第三十一届超级碗上,为了营销奔腾 MMX,穿着五彩缤纷「Bunny Suit」的「Bunny People」在视频中随着流行音乐跳起了迪斯科,并获得巨大成功。从此「Bunny People」成为了英特尔的代名词,自然也出现在奔腾 II 的宣传中。

针对此,苹果的营销达人们也出奇制胜:其中一位「Bunny People」被 PowerPC G3 的强大性能所灼伤,以至于引来了消防员拿着灭火器对其一顿狂喷,加上广告中略带轻佻的道歉声,可谓是损到了极点。

英特尔的奔腾 II 广告「左」与苹果的反讽「右」

全新 PowerBook G3 的广告则相比前两者更为直接:只见一台压路机在一排满是搭载奔腾芯片的笔记本电脑中横冲直撞,刹那间 PC 电脑火光四射、碎屑横飞,广告里的男中音则缓缓地说道「整个奔腾世界刚被夷为平地」。

当时拍摄笔电被压出火花的时刻「左」与被碾平后的特写「右」

乔布斯在冷嘲热讽英特尔的同时,也没忘了专注于产品。在天才设计师乔纳森·艾维的构思下,传奇的 iMac 系列就此诞生。半透明外壳与蛋形机身让大众侧目,极高的易用性也加分不少,开卖仅六周就达到了近 30 万台的销量。借此,苹果终于从泥潭中走了出来,脱胎换骨。

出类拔萃的设计让 iMac G3 俨然成了那个时代的视觉标志

尽管初代 iMac 只搭载了一颗 233MHz 的 PowerPC G3,但乔布斯仍认为其远远胜过英特尔机型,不仅在发布会上继续宣称其速度比奔腾 II 快两倍,甚至搬出 Byte 杂志的数据加以证明:若想达到相同性能,英特尔的芯片频率必须是 PowerPC 的两倍才行,而他们「当然连一倍都做不出来」。

大会上乔布斯的夸张比较

实际上,乔布斯的「两倍性能」宣传有断章取义之嫌:在 BYTEmarks 测试中,G3 仅在整数运算方面有着近 80% 的优势,这也是大多情况下乔布斯只展示整数性能的原因。在浮点运算方面,其优势并不大,相同频率下仅快了不到 30%。

Byte 杂志对二者整数、浮点的测试,可见 G3 相比奔腾 II 分别快了 78% 与 15%

同时,BYTEmark 这个一向对 Mac「友好」的跑分软件也进入了生命倒计时,其母公司 Byte 杂志于 1998 年 8 月被收购停刊。从此,能比较 PowerPC 与 x86 阵营性能差异的综合基准测试也只剩下了 SPEC95 一项。在该测试中,G3 与奔腾 II 整数、浮点的差距仅为 14% 与 30%1,随着后续奔腾 II 的奋起直追,这样的差距将进一步缩小。

帝国反击战

正当苹果洋洋得意之时,英特尔却在短短几个月的时间内打出了一场绝佳的反击战。

彼时,新工艺 P856 已臻成熟,这对英特尔而言具有里程碑式的意义:之前很长一段时间,栅极长度都代表着工艺密度的高低。但从该工艺开始,栅极长度的微缩程度显著加快,从此 250nm、180nm 等数据都无法反应晶体管的任一实际尺寸——这一影响延续至今。

与 G3 使用的 CMOS-6S2 工艺相比,P856 工艺也后来居上,在各项参数上均占据优势。

新 P856 工艺的栅极长度「红色标注」为 200nm,已小于该 250nm 节点

在新工艺的光辉下,首先1998 年 1 月亮相的是代号为 Deschutes 的奔腾 II。相比初代奔腾 II,其 Die 面积从 203mm² 缩小了近一倍,仅为 113mm²,部分型号还采用了全新的「倒装芯片」封装技术。

采用了「倒装芯片」封装的奔腾 II

尽管 IBM 开展此封装技术由来已久,但这对于英特尔而言尚属首次。相比「引线键合」的旧封装,电路连接路径更短,无论是信号延迟、传输速度、还是散热能力都有了极大提高;再加上没有了繁多的导线,其整体尺寸也进一步从 42.5 毫米见方缩小到 31 毫米见方。

引线键合封装「上」与倒装芯片封装「下」的比较

得益于工艺的提升,新芯片的功耗大幅降低:可以在 1.8V 的低电压下运行,低于 PowerPC G3 所用的 2.5V,并且核心功耗能在相同频率下比上代降低 75% 之多,或在相同功耗下速度提升一倍。

性能也有了大跃进:可达 450MHz 并能成功超频到 500MHz 的频率,离乔布斯之前号称的「不可能」已经近在咫尺;更高的总线频率也让性能得到更好发挥。

各型号性能提升幅度对比,可见 350MHz 型在 100MHz 总线加持下,性能提升幅度远超频率提升幅度

就这样,新奔腾 II 在 SPEC95 测试中一举超过了乔布斯引以为傲的 PowerPC G3,同时功耗相比前代降低了 1/3,与 G3 的差距大幅缩短。

G3 与新奔腾 II 的 SPEC int95「左」以及 SPEC fp95「右」测试对比

而面对另一对手 AMD 在低端市场的蓬勃发展,英特尔祭出了赛扬(Celeron)这一全新品牌,与奔腾 II 形成高低搭配抢占市场。

不过,第一款赛扬实际上是新奔腾 II 的低频版:频率仅为 266MHz,且没有 L2 缓存,主要的优势就是价格低,一百多美元的定价只是奔腾的五分之一。

第一款赛扬芯片,代号为「Covington」

乔布斯也抓住了这一点,借用 Celeron 与芹菜(Celery)的谐音,多次在大会上嘲讽赛扬芯片的糟糕,试图让英特尔难堪。

Celeron 这一品牌在乔布斯那里成了「芹菜」的代名词

但更棘手的还在后面,英特尔开始打起了价格战:在推出新奔腾 II、赛扬后的短短几个月,价格就开始一路走低:到了 1998 第四季度,主流奔腾 II 降幅已经达到了 40% 之巨,而赛扬更是低到了 86 美元的「白菜价」。

尽管这一通操作主要是为了针对当时风头正盛的 AMD K7 处理器,但对 PowerPC 而言也绝非祥瑞之兆。不同于众多 OEM 厂商能在英特尔、AMD 中做出选择,苹果全系仅采用 PowerPC 芯片,供应商也只有 IBM 和 Motorola,议价能力相当薄弱。虽然 PowerPC 性价比仍旧不低,但面对英特尔如此疯狂的价格战,渴求利润的乔布斯心中难免再起波澜。

几个月来英特尔芯片的降价趋势

晴天霹雳

在 PowerPC 与一日千里的新奔腾 II 激战正酣之时,Motorola 也正为了推广 PowerPC 而殚精竭虑。自从 1997 年 Windows NT 彻底抛弃 PowerPC 芯片后, Motorola 和微软就宣布将继续合作,并在未来推出在 PowerPC 上运行的 Windows CE 掌上机。

但显然,这一宏大愿景更像是给 PowerPC 支持者们的一针安慰剂。虽然 Windows CE 于 1997 年 9 月加入了对 PowerPC 的支持,但几乎没有任何相关设备产出,这一计划就这么胎死腹中了。

作为最后支持 PowerPC 的 Win 系统,Motorola 并未能把握住机会

但 Motorola 并未气馁,并于 1998 年在汽车控制器领域再掀波澜。超大型芯片 PowerPC 555 的 Die 面积高达 150mm²,是 PowerPC 有史以来和 Motorola 成立以来最大、最复杂的芯片,足见其在这方面的雄心。

若进入内部,其架构设计也别具一格:晶体管数量为 670 万,相比 G3 的 640 万还要略高;其中有 360 万、即一半多晶体管都用来放置 448KB 超大容量闪存。整个芯片能在 40°C 至 120°C 下稳定运行,能将之直接安装在汽车发动机缸体上,并同时配备了诸多 I/O 以迎合该领域需求。

MPC 555「左」及其 Die shot「右」可见其巨大的 Flash

但最终,命运女神并未眷顾这一独具匠心的芯片。单就性能而言,其核心运行频率仅为 40MHz,并且由于没有配备缓存,读取数据时只能让延迟高达 50ns 的闪存担当重任。性能发挥受限,外加高达 45 美元的价格,导致《微处理器报告》杂志将其评为「大多数硬件工程师见过的最大、最糟糕的可编程定时器」。

尽管用几何平均法来计算 EEMBC 基准测试得出的性能成绩并不准确,但仍可见 PowerPC 555 性能的孱弱

祸不单行,随着 2G 时代逐步临近,Motorola 最擅长的 1G 领域惨遭蚕食,手机市场份额从四年前 60% 一路掉到 34%,被诺基亚等后起之秀超越;投资了近 50 亿美元的铱星计划运营初就遭遇了史无前例的滑铁卢。1997 年的亚洲金融风暴更是让其雪上加霜。结果,公司财务自 1985 年来首次出现亏损,金额高达 14 亿美元。

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