半导体行业观察 · 2020年11月27日

英特尔史上最强的竞争对手,不是AMD!

来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)编译自「techspot」,谢谢。

毫无疑问,大多数人都熟悉英特尔和AMD、高通(Qualcomm)、德州仪器(Texas Instruments),甚至还有VIA——但还有另一家你们应该熟悉的先驱芯片制造商。在过去十年的大部分时间里,Cyrix公司成功地将个人电脑以廉价的形式带入了寻常百姓家,但它却被其最好的产品以及无法无法运行一款流行游戏而倒闭,迎来的是被一个更大的合作伙伴给收购了。
20世纪90年代初对于桌面计算机行业,特别是对于微处理器世界来说,是一个奇怪的时代。尽管在处理器领域竞争激烈,但看起来英特尔似乎仍是赢家。彼时苹果改用了IBM的PowerPC,摩托罗拉的68K芯片正慢慢将Commodore的Amiga PC家族拖向死路,而Arm只是苹果、VLSI技术和Acorn计算机公司所点燃的小火焰,而当时Acorn计算机公司几乎完全专注于为声名狼藉的Newton开发合适的处理器。



大约在同一时间,AMD率先迈出了第一步,摆脱了被认为是第二供应商的负面光环。在克隆了几代英特尔CPU之后,AMD推出了自己的架构,到90年代末,该体系在价格和性能方面得到了很好的认可。
这种成功至少可以部分归功于Cyrix,这家公司原本有机会占领家用PC市场,将英特尔和AMD踢出局,但遗憾的是,Cyrix却未能成功并迅速消失在一众科技公司当中。



见微知著

Cyrix由Jerry Rogers和Tom Brightman于1988年成立,最初是为286和386处理器提供高速x87数学协处理器的制造商。他们从德州仪器出来的优秀人才,而且他们有着巨大的雄心要与Intel对抗,并意图在自己的赛道中击败intel。
罗杰斯开始积极寻找美国最优秀的工程师,然而后来成为了一个声名狼藉、作风强硬的领导者,领导着一个由30人组成的团队,承担着不可能完成的任务。



最开始,该公司的首批数学协处理器的性能优于英特尔同类产品约50%,价格也更低。这使得AMD 386 CPU和Cyrix FastMath协同处理器的搭配成为可能,并以较低的价格获得类似486的性能,这引起了业界的关注,并鼓励Rogers迈出下一步,进入CPU市场。
1992年,Cyrix推出了首批CPU,即486SLC和486DLC,旨在与Intel的486SX和486DX竞争。它们还与386SX和386DX引脚兼容,这意味着它们可以用作旧386主板的嵌入式升级,并且制造商还使用它们来销售廉价笔记本电脑。



两种产品的性能都比Intel 486 CPU稍差,但性能却比386 CPU好得多。Cyrix 486 DLC无法与Intel 486SX时钟节奏竞争,但是它是一个全32位芯片,具有1KB的L1缓存,而且成本要低得多。
在那个时候,发烧友们喜欢这样一个事实,他们可以使用486DLC运行在33 Mhz,以达到与英特尔486SX运行在25 Mhz的性能相当的性能。但这并不是说它并不是没有问题,因为它可能会导致一些老的主板稳定性问题,因为这些主板没有额外的缓存控制线或CPU寄存器控制来启用或禁用板上缓存。



Cyrix还开发了一种名为Cx486DRu2的“直接替代”新版本,随后在1994年发布了一个名为Cx486DRx2的“时钟倍增”版本,该版本将缓存同步电路集成到CPU本身。
然而,那时英特尔已经发布了它的第一款Pentium处理器,486DX2的价格开始下降,Cyrix逐渐失去了其吸引力,因为升级到486主板比为旧的386主板购买Cyrix升级处理器更便宜。当“时钟翻了三倍”的486DX4在1995年问世时,它太小了,也太晚了。
宏基和康柏(Compaq)等大型个人电脑制造商并不看好Cyrix的486 CPU,而是选择了AMD的486处理器。但这并没有阻止英特尔花费数年时间指控Cx486侵犯了它的专利,却从未赢得过一场官司。
Cyrix和英特尔最终达成庭外和解,英特尔同意Cyrix有权在持有英特尔交叉许可的工厂生产自己的x86设计,如德州仪器、IBM和SGS Thomson(后来的意法半导体)。



永远不要重复两次相同的把戏…除非您是Cyrix

1993年,英特尔推出了基于P5微架构的原始Pentium处理器,并最终以市场友好的名字闻名。但更重要的是,它提高了性能的门槛,从而开创了个人计算的新时代。
超标量架构允许它能每个时钟完成两个指令,一个64位外部数据总线使每个内存访问都可以读取和写入更多数据,更快的浮点单元能够达到486 FPU吞吐量的15倍。还有其他一些优点。
Cyrix再次面临着挑战,即在该型号尚未准备好出货之前,无法再次为新的Intel Pentium CPU的Socket 3主板创造一个中间地带。中间点是Cyrix 5x86,它在75 MHz时具有Pentium和AMD K5等第五代处理器的许多功能。



带有散热器的Cyrix 5x86 CPU。图源:NostalgiaNerd
该公司甚至制造了100 MHz和133 MHz的版本,但是他们并没有真正拥有宣传中提到的所有增强性能的特性,因为如果启用它们会导致不稳定,而且超频潜力有限。所有这些产品都是短命的,六个月后Cyrix决定停止销售它们,并转向其他处理器设计。



通过雷神之锤的Cyrix

1996年,Cyrix推出了6x86(M1)处理器,该处理器有望在性能良好的Socket 5和Socket 7主板上再次取代旧式Intel CPU。但这不仅是预算系统的升级途径,实际上还使CPU设计有些奇迹,这在当时被认为是不可能的-它结合了RISC核心和CISC的许多设计方面。同时,它继续使用本地x86执行和普通微代码,而英特尔的Pentium Pro和AMD K5则依赖于动态转换为微操作。
Cyrix 6x86与Intel P54C引脚兼容,并且具有六种变体以及令人困惑的命名方案,这些命名方案应该指示预期的性能水平,但不是时钟速度的实际指标。例如,6x86 PR166 +仅在133 MHz上运行,并且被推销为与在166 MHz上运行的Pentium相同或更好,这是AMD以后会采用的策略。



尽管如此,问题在于6x86实际上将自己标识为486 CPU,因为它不支持完整的Intel P5指令集。这将很快成为一个严重的问题,因为大多数应用程序开发都在缓慢地迁移到P5 pentium特定的优化,以利用新的指令压缩更多的性能。Cyrix最终通过6x86MX和6x86MII改进了与Pentium和Pentium Pro的兼容性。
6x86的一个巨大卖点是它的整数性能明显优于Pentium的,这在大多数应用程序和游戏都依赖整数运算的时候是一个很好的优势。有一阵子,Cyrix甚至试图为增加的性能收取额外费用,但不久之后该策略就失败了。



Cyrix 6x86MX CPU裸片图
结果显示,6x86的FPU(浮点单元)只是Cyrix的80387协处理器的一个轻微修改版本,因此,与英特尔的Pentium 和Pentium Pro集成的新FPU设计相比,速度要慢得多。
公平地说,它仍然比Intel 80486 FPU快2到4倍,而Cyrix 6x86在整体性能上超过了Intel的产品。但是,当许多软件开发者,尤其是那些制作3D游戏的开发者,看到Pentium越来越受欢迎,并选择围绕P5 FPU的优势用汇编语言优化他们的代码时,整个平衡就崩溃了。



当id Software在1996年发布Quake时,使用6x86处理器的游戏玩家发现他们得到的标准帧速率最多只能达到每秒15帧,无法播放,除非他们想将分辨率降低到320 x 200。只有最高端的Cyrix 6x86MX PR2 / 200 CPU才能获得每秒29.7帧的可播放性。但是使用英特尔系统的游戏玩家即使以640 x 480的可玩帧速率运行游戏也没有问题。
John Carmack发现,他可以在Pentium芯片上重叠整型和浮点型操作,因为除了指令加载之外,P5核的所有操作都使用不同的部分。这种技术在Cyrix内核上不起作用,暴露了其FPU的弱点。当时的评测人员发现,在所有其他基准测试或性能测试中,6x86 CPU将比Pentium高出30%到40%。
早在90年代中期,没有人知道计算的确切方向,Cyrix认为最好优先考虑整数性能,所以它生产了一个没有指令流水线的处理器,这一特性将成为任何处理器的基本部分。指令流水线是一种技术,用于将任务划分为一组较小的操作,然后由处理器的不同部分以更高效的方式同时执行。奔腾处理器的FPU是流水线操作的,这使得浮点运算处理地震图形的延迟非常低。
这个问题本身很容易解决,软件开发者已经为他们的应用程序和游戏发布了补丁。但是id软件花了太多时间围绕P5微架构设计Quake,从来没有提供过这样的修复。AMD的K5和K6 cpu的表现略好于Cyrix,但在《雷神之震》(Quake)上,它们仍然不如英特尔的产品。《雷神之震》是一款非常受欢迎的游戏,也是新一代3D游戏中的旗舰。
这使得Cyrix CPU在性能上的差距变得非常苛刻,公司在许多狂热者眼中几乎失去了信誉。由于该公司无法与大型PCOEM签订合同,当Cyrix激烈的客户基础群由这些狂热者组成时,这是一个特别沉重的打击。



更糟糕的是,Cyrix是一家无晶圆厂芯片制造商,其依靠第三方来制造其处理器,而这些公司将最先进的产品线用于自己的产品。结果,Cyrix处理器在600 nm工艺节点上制造,而Intel的处理器在300 nm上制造。
效率大受影响,这也是为什么Cyrix CPU会变得非常热的原因——热到发烧友们都在设计热板,把它们作为加热元件。它们对低质量的电源过于敏感,超频的潜力也很有限,但这并没有阻止像本文作者这样的人(他的第二台PC内部有Cyrix 6x86-P166+ CPU)一点点地推动它们,并慢慢地导致它们灭亡。



英特尔CPU霸权的第一个真正竞争对手的陷落

到1997年,Cyrix竭尽全力与Compaq和HP等公司建立合作伙伴关系,因为将其CPU集成到系统中将产生稳定的收入来源。它还试图起诉英特尔侵犯其在电源管理和注册重命名技术方面的专利,但此事很快就通过相互交叉许可协议得以解决,以便两家公司可以继续专注于生产更好的CPU。

著名的美国国家半导体广告
这场诉讼给一家已经资金短缺的公司造成了损失。面对破产的前景,Cyrix同意合并为美国国家半导体。这真是一件幸事,因为它最终将可以使用适当的制造工厂和强大的营销团队,能够获得大量订单。IBM的制造协议搁置了一段时间,但Cyrix最终将所有生产移至美国国家半导体。
然而事实证明,这一收购将封杀Cyrix的命运。美国国家半导体对制造高性能PC部件不感兴趣,而是希望使用低功耗SoC(片上系统)。
果不其然,Cyrix推出了广受讨厌的5x86 MediaGX,该芯片集成了音频,视频和内存控制器等功能,并具有以120或133 MHz运行的5x86内核。它的性能低下,但是它说服了康柏在其低端Presario计算机中使用它。这激发了其他OEM对6x86 CPU的需求,其中以Packard Bell和eMachines为例。



重心的转移并没有阻止Cyrix尝试生产更多高性能的CPU,但它却带来了希望和其他目标。美国国家半导体最终将Cyrix出售给台湾芯片组制造商VIA Technologies,但到那时关键人物已经离开,而MII CPU成为一个没有价值的部分,没有找到买家。
Cyrix的最后一个设计是MII-433GP,它运行在300mhz的环境中,由于这个不幸的命名方案,它最终与运行在433 MHz的处理器进行了比较,后者的性能要好得多。
AMD和英特尔正忙着奔向1 GHz甚至更高的带宽,而Arm要想在台式机和服务器市场上挑战这两大巨头还需要20年的时间——更不用说完全主宰移动计算市场了。
VIA用Cyrix的名字来取代Centaur的品牌,这是它在最后一颗毒牙,因为它的处理器实际上使用的是IDT设计的WinChip3内核。国家半导体公司继续销售MediaGX好几年,直到2003年将其更名为Geode,并将其设计卖给了AMD。三年后,AMD展示了世界上功率最低的x86兼容CPU,只需要0.9瓦的功率,并基于Geode核心,这被认为是对Cyrix设计团队独创性的证明。



为什么Cyrix的遗产很重要

无论您是否拥有配备Cyrix CPU的PC,尽管在其生存的十年中对PC行业的影响相对较小,但该公司的历史和教训仍值得我们铭记。Cyrix的失败证明,与提高原始时钟速度相比,改进每时钟指令对处理器制造商而言是更有成效的努力。
直到今天,英特尔和AMD都试图将每一代的标称时钟速度提高,但在3 GHz里程碑之后,大多数真正的改进都来自对各自微体系结构的核心部分的重新思考。当前最著名的例子是AMD的Zen升级,在不到四年的时间里,单线程性能提高了68%。



Cyrix能够幸免于难,并克服了英特尔的许多法律(从广义上讲是财务上的)压力,英特尔对1990年代存在的CPU空间中的几乎每个人都提出了起诉。它两次表明,诉讼不利于健康的市场,而交叉许可交易导致不同公司的工程工作之间存在许多交叉,这可以证明是有益的。不幸的是,AMD和英特尔在x86上的交叉许可协议使第三者无法进入这一市场,而唯一仍在试图打破这一双寡头的公司是中国的上海兆芯。
在Cyrix还辉煌之时,它也是一家无晶圆厂的公司。如今,这已成为大多数硅谷巨头的标准做法,包括AMD、高通、博通、英伟达、苹果、Marvell、紫光中国(Unigroup China)和海思(HiSilicon)等,这些公司都依赖其他公司来生产芯片。



在与国家半导体公司合并之前,公司的营销策略从来都不是很好。2000年代,AMD的Athlon和Sempron处理器也犯了同样的错误。这些处理器被标记为比Intel处理器更快,但在较低的时钟速度下运行,但这在基准测试或实际性能测试中并不总是能很好地转换。AMD放弃了这一方案,但可以说,事情到今天仍然有点混乱。
如今,除了在回收业务和发烧友的老式计算机产品之外,您不太可能会找到Cyrix处理器。网上有证据表明,基于Cyrix的台式机至少要到2010年才投入使用,这意味着在该公司实质上已溶入VIA Technology的产品之后,它们还存在了10年。VIA的兆信arm不太可能仍然使用最初Cyrix设计中的任何东西,但是只有时间才能证明他们是否吸取了教训以纪念Cyrix的遗产。

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