講一講Apple Macintosh處理器過渡的故事

一個平臺能否成功地從一種處理器架構過渡到另一種處理器架構可以決定它能否生存。Apple 已經(jīng)三次成功地為 Mac 進行了 CPU 轉型。首先，從 Motorola 68k 到 Power PC。然后從PowerPC到Intel。最近從英特爾到Apple Silicon。這些轉變不僅使 Mac 得以生存，而且得以蓬勃發(fā)展。

這篇文章著眼于蘋果改變架構的原因和方式，并思考是什么讓這些轉變?nèi)〉昧顺晒Α?/p>

我們還將深入了解蘋果這些年來的變化。從 20 世紀 80 年代為嘗試擺脫摩托羅拉 68k 推出的略顯混亂的多個項目，到順利轉向 Apple Silicon。

隨著高通和微軟再次嘗試讓 Windows on Arm 取得成功，以及谷歌和其他公司開始致力于在 Android 上支持 RISC-V 架構，這是一個熱門話題。在人工智能領域，許多公司正在嘗試調(diào)整關鍵工具，以便它們在多種架構上運行。許多公司和數(shù)十億美元的命運取決于這些項目的成功或失敗。

因此，讓我們看一下 Apple Macintosh 處理器過渡的故事，看看我們能學到什么。我們將從 Macintosh 的早期開始。

摩托羅拉68k 時代

Macintosh（當時的名稱）的開發(fā)始于 1979 年，第一臺 Macintosh 于 1984 年 1 月推出。最初使用的芯片使用 16/32 位 Motorola 68000 CPU。

在接下來的幾年里，隨著更先進的 68000 芯片的出現(xiàn)，新的型號被開發(fā)出來。Macintosh II 于 1987 年 3 月推出，配備 Motorola 68020，搭配 68881 浮點協(xié)處理器。緊隨其后的是 1988 年 9 月推出的 Macintosh IIx 和 Motorola 68030。

早在 1986 年，蘋果管理層就看到了新興 RISC 處理器的性能優(yōu)勢。接下來是一系列項目，蘋果管理層試圖選擇一種架構來取代摩托羅拉 68k 系列。

在之前的文章中，我們看到了Apple 如何首次啟動一個項目來開發(fā)內(nèi)部 RISC 處理器。這個名為 Scorpius 的項目規(guī)范非常雄心勃勃，具有多核支持和“單指令多數(shù)據(jù)”指令等功能。但是，盡管使用 Cray 超級計算機來幫助設計，Aquarius 團隊仍無法交付可行的設計，該項目于 1989 年結束。

因此蘋果繼續(xù)使用摩托羅拉68k系列CPU。Macintosh Quadra 于 1991 年 10 月推出，使用 Motorola 68040 CPU。不過，摩托羅拉的升級之路并不完全簡單。Quadra 在運行某些軟件時出現(xiàn)問題，因為 68040 有單獨的數(shù)據(jù)和指令緩存。這可能會導致某些較舊的 Macintosh 程序使用的自修改代碼出現(xiàn)問題。

Jaguar和Cognac

與此同時，繼續(xù)尋找 68k 系列處理器的 RISC 替代品。正如我們在之前的文章中所說，到 20 世紀 80 年代末，幾乎每個半導體、大型機或小型計算機制造商都有自己的 RISC 設計。AMD Am29000、MIPS、SPARC、Intel 的 i860 和 ARM 處理器都在作為 Apple 68k 的替代品。

SPARC、MIPS 和 i860 很快就被拒絕了。AMD Am29000 已經(jīng)在 Apple 顯卡中使用，并且已經(jīng)完成了一些初步工作來構建同時具有 Motorola 68030 和 AMD Am 29000 的系統(tǒng)。

此時，Apple 已經(jīng)是英國劍橋 Advanced RISC Machines Limited 的共同所有者，并計劃將 ARM 處理器整合到 Newton 手持設備中。

但最終，與摩托羅拉保持良好關系的政治壓力意味著摩托羅拉的 88000 RISC 系列（也稱為 88k）成為 68k 替代品的首選。

因此，“Jaguar”項目開始致力于將 Mac 遷移到 Motorola 88k。

一個關鍵問題是軟件兼容性。默認情況下，配備 88k 處理器的新 Mac 無法運行現(xiàn)有的第三方 68k Mac 軟件。

Jaguar 項目決定不需要向后兼容。于是，John McHenry 啟動了另一個項目，代號為“Cognac”（RISC 先驅 John Hennessy 的姓氏也是該利口酒的流行品牌）。Cognac 計劃使用 88k 開發(fā)基于 RISC 的 Mac，但向后兼容現(xiàn)有軟件。

Apple 工程師 Gary Davidian 已經(jīng)在為 Apple 考慮的各種 RISC 架構開發(fā) 68k 仿真器。選擇 Motorola 88k 后，他專注于構建可在基于 88k 的系統(tǒng)上運行的完整模擬器。

當 Davidian 構建模擬器時，Cognac 硬件團隊開發(fā)了基于 88k 的 Macintosh LC 版本，即“RISC LC”的 Macintosh RLC。

PowerPC的世紀交易

1991 年 10 月，故事發(fā)生了意想不到的轉折，當時蘋果公司和 IBM 宣布他們將開始在廣泛的項目上進行合作。

Intel 處理器變得越來越強大，Intel 驅動的 PC 兼容機在臺式 PC 市場上占據(jù)主導地位，Mirosoft 的 Windows 3.1 即將推出。所有這些因素都對 IBM 和蘋果的市場地位構成了威脅。

因此，這兩個競爭對手聯(lián)手開發(fā)操作系統(tǒng)和其他項目。該交易被稱為“DOTC”，意為“世紀交易”。作為此次合作的一部分，Apple 將在 Mac 中采用 IBM 即將推出的 PowerPC 處理器架構。

PowerPC 將基于 IBM RS/6000 工作站中使用的 RISC 架構。摩托羅拉還加入了蘋果和 IBM，組成了后來被稱為“AIM”的聯(lián)盟。

英特爾插曲——《星際迷航》計劃

到 1992 年，Apple 和 IBM 并不是唯一感受到 IBM PC 兼容機日益占據(jù)主導地位的威脅的公司，還有 Microsoft 和 Intel。

Novell 市場領先的 Netware PC 網(wǎng)絡軟件將受到計劃推出的 Windows NT 的挑戰(zhàn)。因此，當 Novell 與 Apple 接洽，希望將 Apple 的 Macintosh System 7.1 操作系統(tǒng)移植到 Intel 處理器上時，兩家公司開始了另一次合作。

該項目代號為“Star Trek”，于 1992 年情人節(jié)開始。該項目的工程師很快就能夠演示基于 Intel 486 的標準 PC 啟動 Mac 操作系統(tǒng)并運行 Mac 的“Finder”文件瀏覽器。

但是，英特爾星際迷航項目于 1993 年被關閉，大多數(shù)工程人員轉而從事 PowerPC 項目。

摩托羅拉 68k 至 Power

隨著與 IBM 的新聯(lián)盟，Cognac 團隊不得不從 88k 切換到 PowerPC。該項目被重新命名為“Piltdown Man”的“PDM”，因為它將形成 68k 和 PowerPC Mac 之間的“缺失的環(huán)節(jié)”?！捌柈斎恕笔?20 世紀初的一次嘗試（后來被證明是欺詐性的），試圖提供猿類與人類之間聯(lián)系的化石證據(jù)。

Jaguar項目也從88k轉向PowerPC，并更名為Tesseract。PDM 和 Tesseract 現(xiàn)在都在構建相互競爭的 PowerPC 系統(tǒng)。

隨著從 Motorola 88k 轉向 PowerPC，Gary Davidian 將注意力轉向將 88k 的 68k 模擬器轉換為可在新的 PowerPC 架構上運行的模擬器。

模擬器的第一個版本通過依次檢查每條 68k 指令來工作。然后它會執(zhí)行一系列具有相同效果的 PowerPC 指令，實際上是 68k 指令的“解釋器”。該仿真器有一些局限性：它無法轉換 Motorola 浮點硬件指令或 Motorola CPU 的某些內(nèi)存管理功能。

第一臺基于 PowerPC 601 芯片的機器于 1992 年末被運送到 Piltdown Man 團隊，幾周后就啟動了 PowerPC 版本的 Mac OS。Tesseract 于 1993 年 3 月被取消，PDM 成為唯一的 PowerPC 項目。1994 年 3 月，第一款基于 PowerPC 的 Mac 6100、7100 和 8100 系列在紐約發(fā)布。

Motorola 68k 到 PowerPC 仿真器隨所有版本的 Mac OS Classic for PowerPC 一起提供。隨著從 Mac OS Classic 過渡到 OS X，對仿真的支持才結束。

轉型有多成功？該模擬器似乎運行良好，足以支持平穩(wěn)過渡，但所使用的方法并不是最快的。后來的 Mac 附帶的軟件的更高版本通過使用動態(tài)重新編譯來加速。在這種方法中，代碼塊在運行之前從 68k 轉換為 PowerPC 指令，這是一種比原始“instruction by instruction”技術更快的方法。

事實上，商業(yè)提供商 Connectix 介入，為蘋果原始模擬器提供更快的替代方案。MacWorld 評論總結了它是如何工作的：

Connectix Speed Doubler 是三個系統(tǒng)擴展的集合，旨在讓您的 Mac 運行得更快。該系列的核心產(chǎn)品 Speed Emulator 僅適用于 Power Mac。該組件取代了 Apple 的 680X0 模擬器……運行效率更高。最初的 Power Mac 中的 Apple 模擬器的性能達到 IIci 至 Quadra 級別。Speed Emulator 通過類似于最新 Power Mac（例如 7500、8500 和 9500）上使用的模擬方案（稱為動態(tài)重新編譯）來提高性能。這種模擬技術將翻譯后的 680X0 代碼保留在 RAM 中，因此 Mac 可以一次又一次地使用該代碼，而無需每次都進行翻譯，從而提高了整體性能。最初的Apple模擬器每次使用時都會翻譯代碼，并且不會將其保存在RAM中。

PowerPC 到 Intel ，強大升級

從 68k 到 PowerPC 的轉變被廣泛認為是成功的。在 20 世紀 90 年代的大部分時間里，連續(xù)幾代桌面 PowerPC CPU 的性能都可以與當代英特爾設計相媲美。

但20世紀90年代初期和中期對蘋果來說是一個動蕩的時期，危機接二連三，不合時宜地導致了史蒂夫·喬布斯的NeXT的收購。喬布斯的回歸帶來了微軟的投資、iMac 的推出、Mac 操作系統(tǒng)向 OSX 的過渡、iPod 的成功以及財務穩(wěn)定的回歸。

然而，到了 2000 年代初期，喬布斯和蘋果管理層面臨著 PowerPC 系列的另一個問題。與它們的命名一致，這些芯片功能強大，但也消耗大量電量。筆記本電腦正在成為 Mac 系列中越來越重要的一部分，而 PowerPC 系列的低功耗阻礙了它們的發(fā)展。由于客戶群較窄，IBM 在開發(fā)更節(jié)能的 PowerPC 處理器方面的投資無法跟上英特爾的步伐。

因此，在多年公開貶低英特爾 CPU 后，喬布斯在蘋果公司的“2005 年全球開發(fā)者大會”上宣布，蘋果公司將從 PowerPC 轉向英特爾。此次發(fā)布是喬布斯的演講大師班，英特爾首席執(zhí)行官保羅·歐德寧 (Paul Otellini) 也客串亮相。

喬布斯在展示教皇的照片時開玩笑說，蘋果公司在尋求將 PowerPC G5 CPU 裝入筆記本電腦的過程中咨詢了最高當局?，F(xiàn)在，通過英特爾，他們可以將更強大的雙核英特爾酷睿 2 CPU 放入新款 MacBook Pro 筆記本電腦中。

盡管蘋果和英特爾之間的關系表面上很成功，但從一開始就存在一些困難。第一批 Intel Mac 是 32 位“Core”系統(tǒng)，這顯然是由于 Intel 延遲交付 64 位“Core 2”處理器。這意味著 Apple 必須快速連續(xù)發(fā)布 32 位和 64 位版本的 OS X 操作系統(tǒng)。

從某種意義上說，Apple 幾乎同時進行了三次架構轉變：第一次是從 PowerPC 32 位到 PowerPC 64 位（僅適用于一臺 Mac，即 PowerMac G5）。然后是英特爾 32 位。最后是英特爾 64 位。

在過渡期間，開發(fā)人員需要交付包含可在 PowerPC 和 Intel 上運行的代碼的應用程序（可能有 PowerPC 32 位、PowerPC 64 位、Intel 32 位和 Intel 64 位代碼的四個版本） ）。包含這些不同版本的文件被稱為“通用二進制文件”

Rosetta

再次強調(diào)，現(xiàn)有基于 PowerPC 的軟件的向后兼容性至關重要。這一次，蘋果公司給這款軟件起了一個朗朗上口的名字，它可以讓基于 PowerPC 的程序在新款英特爾 Mac 上運行。它被稱為羅塞塔，以“羅塞塔石碑”命名，這是一塊用埃及象形文字、通俗文字和古希臘語書寫的石碑，幫助學者們破譯了象形文字。

Mac 用戶使用的大部分軟件實際上是由 Apple 生產(chǎn)并與 OS X 操作系統(tǒng)捆綁在一起的。所有這些軟件都被移植到英特爾并隨第一批英特爾 Mac 一起提供。其中包括 Safari 網(wǎng)絡瀏覽器、Apple 的 Mail 電子郵件客戶端以及 QuickTime、iMovie、GarageBand、Logic 和 Final Cut 等多媒體應用程序。

第三方軟件包必須等待其開發(fā)人員從 PowerPC 轉換為 Intel。用戶必須等待的最重要軟件包括 Microsoft Office Suite 和 Photoshop 以及 Adobe 的其他專業(yè)工具。這些對于許多用戶來說是關鍵工具，因此 Rosetta 的兼容性和性能對于許多用戶來說至關重要。

Rosetta 實際上是蘋果公司對其采用的“QuickTransit”技術的命名，該技術由初創(chuàng)公司 Transitive 授權。盡管 Transitive 的總部位于加利福尼亞州洛斯加托斯，但工程團隊的總部卻位于英國曼徹斯特。他們使用最初由曼徹斯特大學開發(fā)的技術，最初被稱為“Dynamite”。

Dynamite，以及 QuickTransit 和 Rosetta，就像后來的 68k 到 PowerPC 仿真器一樣，都是動態(tài)重新編譯系統(tǒng)。也就是說，它們在需要原始架構中的程序時執(zhí)行，獲取一小段代碼并在需要時進行翻譯。這些系統(tǒng)也相對復雜，需要翻譯成中間語言，最后翻譯成目標架構。

這種方法的好處是啟動速度快。當代碼塊的執(zhí)行頻率超過給定閾值時，可以通過更多優(yōu)化產(chǎn)生更好的性能。

Transitive 的其他產(chǎn)品允許從 MIPS 轉換為 Itanium（由 Silicon Graphics 使用）以及從 SPARC 轉換為 x86 和 Itanium。Transitive 于 2008 年被 IBM 收購。IBM 將使用該技術向與 Apple 相反的方向進行轉換，從 x86 到 PowerPC。

Rosetta有多成功？我認為給它一個B+是合理的。它與某些 G5 PowerPC 指令不兼容。此外，某些類別的軟件無法翻譯，包括一些為 Mac OS 9 構建的應用程序、屏幕保護程序和內(nèi)核擴展。

盡管早期的 Intel Mac 比其 PowerPC 前輩更快，但與在 PowerPC Mac 上運行相比，在 Rosetta 下運行程序會導致某些程序的性能較差。對于游戲或 PhotoShop 等計算密集型應用程序尤其如此。

然而，Rosetta確實“足夠好”。Apple 于 2008 年成功完成向 Intel 的過渡，Rosetta 于 2010 年從 Mac OS X Lion 中刪除。

從英特爾到蘋果芯片

最近的 Mac 轉型也與性能有關，有兩個方面。

2020 年，蒂姆·庫克在蘋果全球開發(fā)者大會上宣布，Mac 系列將過渡到“Apple Silicon”。Apple Silicon 將是由 Apple 自己的內(nèi)部芯片設計團隊設計的一系列“片上系統(tǒng)”(SoC)。CPU 將使用 Arm 指令集架構，但完全由 Apple 團隊根據(jù) Arm“架構”許可自行設計

設計團隊已經(jīng)通過為 iPhone 和 iPad 設計幾代 SoC 證明了他們的能力。

第一批基于 M1 SoC 的 Apple Silicon Mac、MacBook Air、Mac Mini 和 MacBook Pro 將于 1990 年 11 月問世。M1 之后是更高性能的 M1 Pro、M1 Ultra 和 M1 Max，然后是M2 和 M2 Pro。到 2023 年 6 月，隨著 Mac Pro 中 M2 Ultra SoC 的發(fā)布，過渡已經(jīng)完成。

為什么又是關于“Power”的變化？首先，是關于功耗。首款基于 M1 的 Mac 筆記本電腦的功耗和電池壽命明顯優(yōu)于英特爾前代產(chǎn)品。部分原因在于采用了更先進的臺積電制造工藝。到 2010 年代末，英特爾在嘗試轉向 10 納米制造工藝時遇到了挫折。首款 Apple Silicon Mac 中的 M1 使用 TSMC 5 nm 制造工藝，其能效比當代英特爾設計顯著提高。

該架構本身的某些方面也可以提高能效。M1 及后續(xù)產(chǎn)品采用了 Arm 的“big.LITTLE”方法，將更大、更強大的內(nèi)核與更小、更高效的內(nèi)核相結合。這在需要時提供了性能和功效。

其次，這是關于蘋果對 Mac 平臺的“Power”。通過控制處理器的開發(fā)，蘋果擴展了他們的垂直整合，使他們能夠在 SoC 中包含最適合他們所需的功能，而不是英特爾提供的功能。

在過渡期內(nèi)，Apple 將再次要求開發(fā)人員以“Universal 2”格式提供與 x86-64 和 ARM64 指令集兼容的代碼。

Rosetta 2

蘋果再次確保基于 Apple Silicon 的 Mac 可以運行現(xiàn)有的 Mac Intel 軟件，使用的系統(tǒng)品牌為“Rosetta 2”。

盡管 Rosetta 2 采用了與 PowerPC 到 Intel 過渡中使用的軟件類似的命名方式，但所使用的方法卻截然不同。

這次，系統(tǒng)通常使用從 x86-64 到 Arm 的“提前”轉換。當程序首次啟動時，整個 x86-64 程序會被翻譯為 ARM 二進制文件，然后運行該翻譯后的程序。每條 x86-64 指令都會轉換為一條或多條 ARM64 指令。

翻譯后的代碼在某些方面得到了蘋果硬件的幫助。

x86 和 Arm 都實現(xiàn) IEEE-754 浮點標準。然而，這兩種架構在處理 NaN（“非數(shù)字”）值和舍入的某些方面存在一些差異。在軟件中精確復制這種行為可能會降低浮點性能。

ARMv8 的更高版本有一個擴展，允許架構模仿 x86-64 方法，但 M1 早于此。因此，Apple 在 M1 中加入了非標準浮點實現(xiàn)，以幫助復制 x86。

Apple Silicon 與 Arm 標準不同的另一個領域是標志的處理。標志是根據(jù)指令結果設置的位。x86 有兩個不映射到標準 Arm 標志的標志；PF 代表“parity”，AF 代表“adjust”，它們都受到常見 x86 指令的影響，例如整數(shù)加法和寄存器比較。使用軟件根據(jù)這些通用指令的結果設置這些標志將非常耗時。

M1 有一個非標準指令集擴展，可以幫助解決這個問題。它計算 x86 在執(zhí)行加法、減法和比較等 ARM64 指令時將存儲在 PF 和 AF 中的值。然后它將這些值存儲在 M1 的“標志寄存器”之一的位 26 和 27 中。如果相應的 x86 代碼需要讀取 PF 或 AF 標志，則翻譯后的代碼將訪問這些位。

如果“提前”翻譯（例如使用“即時”編譯的代碼）不起作用，則 Rosetta 2 可以使用動態(tài)翻譯，就像原始的 Rosetta 軟件一樣。

蘋果為何如此成功？

我們在三個主要的 Mac 架構轉變中都看到了非常不同的模擬方法。原始 Motorola 68k 到 PowerPC 的一次一條指令，PowerPC 到 Intel 的“動態(tài)”轉換，以及 Intel 到 Apple Silicon 的“提前”轉換。蘋果已經(jīng)從使用小型內(nèi)部團隊轉變?yōu)樵俅螌④浖跈嘟o內(nèi)部團隊。

有一些共同的主題幫助蘋果度過了所有的轉變：

性能：在每種情況下，新架構提供的性能都明顯優(yōu)于被替換架構的性能。這使得翻譯造成的任何性能損失都得以顯著或完全減輕。

垂直整合：一些關鍵性能關鍵應用程序（例如 Safari 網(wǎng)絡瀏覽器）是由 Apple 開發(fā)的，因此用戶永遠不需要使用模擬或翻譯版本。

向后兼容性（或缺乏）：Apple 沒有維護向后兼容性的政策。該公司已經(jīng)滿足于取消對舊應用程序的支持。例如，這使得需要支持的遺留應用程序的壽命和數(shù)量比 Windows 的情況要小。

開發(fā)人員的期望：與此一致，Apple 希望開發(fā)人員發(fā)布新版本的軟件，并提供可在新舊架構上運行的可執(zhí)行文件。

關于英特爾向 Apple Silicon 過渡的一些要點：

架構很重要：與 x86 相比，ARM64 架構的本質(zhì)使轉換變得更容易。例如，ARM64 比 x86-64 具有更多的整數(shù)寄存器，使其能夠將 x86-64 寄存器的翻譯狀態(tài)完全保留在 ARM64 寄存器中。

架構靈活性：Apple 已經(jīng)能夠向標準 Arm 架構添加指令，以實現(xiàn)更高效的 x86 指令轉換。對硬件堆棧的幾乎完全控制使蘋果比依賴 Arm 自己設計的公司更具優(yōu)勢。

蘋果能夠在處理器架構之間切換 Mac 的方式很難不讓人印象深刻。這些切換對用戶的干擾有限。反過來，這些轉變使 Mac 能夠生存并繁榮近四十年。

編輯：黃飛