В июне 1990 года я поступил в Орегонское отделение микропроцессоров корпорации Intel в качестве ведущего компьютерного архитектора и приступил к работе над проектом P6.

Штат этого отделения впоследствии составили несколько тысяч человек, но тогда в нем числился лишь один сотрудник – я. Свой первый рабочий день я провел, заполняя формы и выбирая себе компанию медицинского страхования преимущественно на основе того, насколько мне нравились их названия. На следующий день мой босс сказал: «Ваша задача – превзойти возможности чипа P5 в два раза без изменения технологического процесса. Вопросы есть?». Я ответил: «Вопросы такие. Что такое P5? И не расскажете ли вы о планах развития техпроцессов Intel?»

Как оказалось, P5 – это микропроцессор Intel, который разрабатывала проектная группа в Санта-Кларе. На ее счету уже были весьма успешные процессоры 386 и 486. P5 дебютировал в 1993 году под названием Pentium. За этим проектом через два года должен был последовать P6.

С 1992 по 2000 год я работал ведущим архитектором платформы Intel IA-32. К моему удивлению, выпуск P6 оказался переломным моментом в истории компьютерной индустрии и Internet. P6 стал точкой опоры Intel на стабилизирующемся рынке рабочих станций и позволил корпорации утвердиться в секторе серверов, поскольку развитие Internet стимулировало спрос на недорогие Web-серверы.

Для подготовки производства P6 потребовались четыре с половиной года, а на завершающих этапах только инженеров в проекте было свыше 400. Но эти огромные инвестиции окупились: P6 стал микропроцессором Pentium Pro, после адаптации превратился в Pentium II, затем в Pentium III и дал начало новой линейке мобильных процессоров Centrino. Из базового проекта вышли и многочисленные варианты Xeon и Celeron. Короче говоря, P6 оказался самым успешным процессором общего назначения, растиражированным в сотнях миллионов экземпляров. Книга [3] – мой отчет об этом проекте с лирическими отступлениями по поводу Pentium 4.

КОНТЕКСТ ПРОЕКТА P6

Чтобы понять истоки P6, сначала нужно рассмотреть отраслевой и технологический контекст. Индустрия микроэлектроники в течение нескольких десятилетий испытывает невероятный подюем. Кремниевые чипы радикально улучшаются каждые два года. Регулярное обновление технологии производства позволяет удваивать число транзисторов, делать их существенно более быстрыми и снижать потребляемую мощность.

Даже если бы мы не вели других инженерных разработок, а только адаптировали проект к новым технологическим процессам, чип становился бы быстрее и дешевле без особых усилий с нашей стороны. Приступив к созданию центрального процессора и намереваясь запустить его в производство, скажем, через три года, я знаю, что могу рассчитывать на появление нового технологического процесса. Поэтому я веду разработку по его правилам и полностью уверен, что вместе с остроумными инновациями, придуманными моей проектной группой, эта технология даст «юному» чипу явное преимущество.

Но главная цель затрат и усилий на проектирование центрального процессора состоит в том, чтобы радикально улучшить его по сравнению с имеющимися. Для микропроцессоров «лучше» означает более высокую общую производительность. А она позволит создать более интересные программы, например операционную систему с улучшенным пользовательским интерфейсом или игру-«стрелялку» с еще более реалистичным отображением «плохих парней».

Мой новый чип должен обеспечить более высокую производительность, чем его предшественники. Но за три года, которые есть в моем распоряжении, мой конкурент тоже перейдет на новый технологический процесс, и его чип станет быстрее. Это – другая сторона медали: цель не стоит на месте. Причем новый микропроцессор должен победить не только продукт конкурента, но и любые другие чипы, в том числе выпущенные моей собственной компанией. Следовательно, мы с коллегами-архитекторами должны найти такие способы внутренней организации микропроцессора, чтобы сильно опередить соперников. Естественно, на первом шаге следовало выявить этих «соперников» и установить главные цели проекта.

В 1990 году Intel все еще развивала процессоры 486 – с тактовой частотой 33, 50 и 66 МГц. К 1992 году была достигнута частота 100 МГц. Напомню, что проект P5 разрабатывала в Санта-Кларе та же группа, которая ранее спроектировала процессоры 486 и 386. Поэтому первой задачей было присмотреться к возможностям P5, проанализировать его потенциальную производительность, исследовать методы группы в Санта-Кларе и придумать нечто, работающее вдвое быстрее.

Ставка на CISC

Другие процессоры Intel были не единственными конкурентами. На протяжении 80-х кипели страсти вокруг RISC/CISC. Общей предпосылкой появления RISC послужило то, что системы компьютерных команд (вроде использовавшихся в системах VAX корпорации Digital Equipment Corporation) стали излишне сложными и громоздкими. В инженерном деле при прочих равных условиях проще – это всегда лучше, а иногда и намного лучше. Разумеется, прочие условия никогда не бывают равными. И разработчики коммерческих систем продолжали добавлять все новые команды к огромной дымящейся куче команд VAX, надеясь на продолжение инноваций при сохранении обратной совместимости с имеющимся ПО.

Исследователи RISC обещали существенно повысить производительность, упростить процесс проектирования и предоставить множество других выгод. Значительная часть сообщества компьютерных разработчиков полагала, что компьютеры со сложным набором команд (Complex Instruction Set Computer, CISC) типа VAX и Intel x86 останутся на втором плане из-за явных технических преимуществ RISC. В 1990 году все еще было неясно, чем закончится битва между RISC и CISC. Некоторые из моих друзей-инженеров считали меня мазохистом или слабоумным. Едва успев выплыть из затонувшей Multiflow, молодой компьютерной компании, закрывшейся в 1990 году, я тут же взялся за «обреченный» проект x86. По мнению этих друзей, нашу проектную группу неизбежно должны были «смести» превосходящие нас по силе технологи.

Но мой анализ дебатов о RISC/CISC показал, что мы в состоянии импортировать почти все технические преимущества RISC в проект CISC. Увеличение размеров кристалла, правда, нежелательно, поскольку при этом повышается стоимость производства и растет рассеиваемая мощность. Но в начале 90Б??х рассеяние мощности было незначительным, и с ним легко справлялись простые системы охлаждения. И хотя издержки производства были связаны с размерами кристалла, они значительно больше зависели от обюемов производства, а в этом отношении компьютеры CISC имели огромное преимущество перед RISC-конкурентами.

Присоединившись к проектной группе Intel x86, я сделал ставку на свое понимание ситуации. P6 должен был побить предыдущие процессоры Intel, конкурентоспособное решение AMD и по меньшей мере сравняться с самыми многообещающими процессорами архитектуры RISC.

Перспективное мышление

Мы быстро поняли, что не просто «разрабатываем процессор». Принцип работы флагманской группы Intel заключается в том, чтобы начать «с чистого листа», придумать новую микроархитектуру, спроектировать процессор в соответствии с ней и выпустить относительно небольшую партию продукта.

Почему этот план хорош для отрасли, в которой преобладают солидные производственные обюемы? Архитекторы должны действовать довольно агрессивно: они знают, как превратить дополнительные транзисторы в дополнительную производительность, а производительность хорошо продается. Другими словами, первый вариант процессора заполняет крупный кристалл. Физика производства кремниевых чипов такова, что чем больше кристалл, тем менее он экономичен. При изготовлении интегральных схем на кремниевой пластине помещается меньше крупных чипов, а случайные производственные дефекты со значительно большей вероятностью разрушают такие чипы. Из-за их значительных размеров первая версия новой микроархитектуры оказывается дорогой, что автоматически ограничивает обюем ее продаж.

Но второй и последующие варианты процессора уже приносят деньги. Соответствующие проекты все больше адаптируются к новому технологическому процессу и позволяют извлекать все выгоды из закона Мура. Чип становится меньше, поскольку уменьшаются его транзисторы и проводники. Растет его производительность, ибо маленькие транзисторы работают быстрее. Он оказывается дешевле, ведь на кремниевой пластине помещается больше чипов. К тому же на ней больше хороших чипов, так как потенциальному загрязнению подвергается меньшая площадь. Наконец, проектная группа сильно сокращается, а для выпуска очередного варианта требуется примерно год вместо трехб-пяти лет, потраченных на флагманский проект.

Генри Петроски отмечает, что парадигма «флагманский проект – усовершенствование» не является уникальной для микропроцессорной индустрии. «Можно ожидать, – говорит он, – что все инновационные проекты окажутся не очень экономичными, поскольку потребуют исследований, разработок, доказательств и здорового консерватизма. Все это их технологические потомки получат бесплатно» [1].

Нам стало ясно, что ценность P6 для Intel заключается не столько в его первом варианте (он был выпущен на рынок под названием Pentium Pro), сколько в перспективах развития. Тогда мы начали включать принцип перспективности в наши проектные решения. На ранних стадиях проекта он сыграл заметную роль в обсуждениях системной шины P6 – средства, с помощью которого центральный процессор «общается» с чипсетом. Некоторые из специалистов по маркетингу подчеркивали, что если у P6 будет такая же системная шина, как у P5 (Pentium), то системные платы для нового центрального процессора появятся, как только он будет готов. Если же чипсет для P6 по каким-то причинам запоздает, мы сможем отлаживать новый центральный процессор на базе чипсета для P5.

На первый взгляд эти аргументы абсолютно правильны. Но маркетологи упускали из виду целостную картину: в долгосрочной перспективе шина P5 удручающе неадекватна тем уровням производительности, которых мы намеревались достичь в P6. Мы также начали прикидывать осуществимость многопроцессорного варианта, и шина P5 оказалась совершенно не подходящей для таких систем. Мы могли добиться значительно большего с помощью новых методов монтажа и недавно появившихся схем управления шиной.