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摘要：  1976 年，迪斯科還大行其道，冷戰(zhàn)正處于高潮，而我要到 9 年之后才出生。那年，正是 Cray-1 在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域大顯身手之際，個(gè)人計(jì)算當(dāng)時(shí)還處于發(fā)展的初期(MITS Altair 一年前剛剛推出)，同時(shí) Control Data 和 IBM 等公司統(tǒng)領(lǐng)高端市場(chǎng)。

關(guān)鍵字：  計(jì)算機(jī)，  寄存器，  處理器，  存儲(chǔ)器

　　1976 年，迪斯科還大行其道，冷戰(zhàn)正處于高潮，而我要到 9 年之后才出生。那年，正是 Cray-1 在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域大顯身手之際，個(gè)人計(jì)算當(dāng)時(shí)還處于發(fā)展的初期(MITS Altair 一年前剛剛推出)，同時(shí) Control Data 和 IBM 等公司統(tǒng)領(lǐng)高端市場(chǎng)。Cray-1 是人們印象中用于定義“超級(jí)計(jì)算機(jī)”的傳奇機(jī)器之一。其采用獨(dú)特的 C 型結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度高達(dá)驚人的 80 MHz，桌面電腦直到 20 年之后才能達(dá)到這樣的速度。Cray 速度快，也極富吸引力。

　　現(xiàn)在，讓我們把時(shí)間快進(jìn)到 33 年后，那是 2009 年初的一個(gè)清晨，我起床后也想擁有一臺(tái) Cray 超級(jí)計(jì)算機(jī)。

　　我首先要回顧一下基于 FPGA 的復(fù)古計(jì)算機(jī)技術(shù)。我 2007 年 12 月從南加州大學(xué)畢業(yè)并獲得 BSEE 學(xué)位，當(dāng)時(shí)我把它稱作“計(jì)算機(jī)招魂術(shù)”。作為新生代電子工程師，我對(duì)神秘的計(jì)算機(jī)架構(gòu)特別感興趣，覺(jué)得正好可以借此提高我的 Verilog 水平。我畢業(yè)時(shí)為自己買了一套 Digilent 公司的 Spartan®-3E 1200 開發(fā)板當(dāng)禮物。我的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)則是 1980 年代的老古董 NonVon-1。它屬于首批“大型并行”機(jī)之一，類似于同樣古老但更為成功的 Connection Machine 系列(不過(guò)主要用于數(shù)據(jù)庫(kù))。這是一臺(tái)非常有趣的設(shè)備，采用 8 位處理器的二進(jìn)制樹狀結(jié)構(gòu)(帶 1 位 ALU)。

　　Cray-1 是人們印象中用于定義“超級(jí)計(jì)算機(jī)”的傳奇機(jī)器之一。其采用獨(dú)特的 C 型結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度高達(dá)驚人的 80 MHz，桌面電腦直到 20 年之后才能達(dá)到這樣的速度。

　　經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的折騰，我總算造出了一臺(tái) 31 節(jié)點(diǎn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，不過(guò)其計(jì)算能力還比不上現(xiàn)今任何一塊手表。雖然這東西沒(méi)什么用處，卻讓我明白了摩爾定律的巨大作用，也激發(fā)我進(jìn)一步動(dòng)手的欲望。

　　首臺(tái) NonVon-1 獲得成功后，我又開始尋找新的項(xiàng)目(我的 Verilog 技能仍比較欠缺)。我認(rèn)識(shí)到，低端 FPGA 已經(jīng)能夠處理一些比較高級(jí)的硬件了，目前甚至 32 位軟處理器都比較常見了。我努力尋找一個(gè)能煥發(fā)新生的新目標(biāo)，也考慮了不少選擇，包括 UNIVAC 這臺(tái)有趣的設(shè)備，不過(guò)它確實(shí)有點(diǎn)太老了。 Digital Equipment 公司的 PDP 系列已經(jīng)被硬件仿真過(guò)。Z80 設(shè)備的軟件仿真器也非常常見。因此，我想到了 Cray。

　　Cray-1 是什么?

　　Cray-1 是 Seymour Cray 于 20 世紀(jì) 70 年代初離開 Control Data 后所成立新公司 Cray Research 推出的首臺(tái)設(shè)備。當(dāng)時(shí)該設(shè)備計(jì)算能力強(qiáng)大，需要占用整個(gè)房間來(lái)放置計(jì)算機(jī)和磁盤才能保證數(shù)據(jù)接收。此外，它還擁有一個(gè)全職工程師團(tuán)隊(duì)來(lái)確保正常運(yùn)行，甚至還需要自備發(fā)電設(shè)備才能確保加電啟動(dòng)。該設(shè)備重新定義了當(dāng)時(shí)的“超級(jí)計(jì)算機(jī)”(畢竟這是 Cray)，而且幸運(yùn)的是它的設(shè)計(jì)美妙而簡(jiǎn)單，相關(guān)資料也非常齊備(圖 1 所示)。Cray-1 硬件參考手冊(cè)(在因特網(wǎng)上很容易找到)非常詳細(xì)，現(xiàn)在的用戶往往只能拿到黑盒子，看到這么詳細(xì)的說(shuō)明肯定會(huì)感到震驚。幾乎所有運(yùn)算代碼、寄存器及時(shí)序圖都得到了妥善而詳盡的保留。

　　這臺(tái)計(jì)算機(jī)本身是一款64 位流水線處理器，順序指令發(fā)送，只有 128 條獨(dú)特指令。它采用類似 RISC 的指令集，所有指令都既可在存儲(chǔ)器和寄存器(加載或存儲(chǔ)指令)之間，也可在兩個(gè)操作數(shù)寄存器和一個(gè)目的地寄存器之間(全部算術(shù)/邏輯指令)。指令為 16 位或 32 位長(zhǎng)。該設(shè)備使用三種不同類型的寄存器：地址、標(biāo)量和矢量寄存器。地址寄存器為 24 位寬，并能夠讓設(shè)備對(duì)高達(dá) 4 Megaword (32 MB) 的主存儲(chǔ)器進(jìn)行尋址。標(biāo)量寄存器為 64 位寬，用于計(jì)算。每個(gè)矢量寄存器包括 64 個(gè) 64 位寄存器，從而能夠在進(jìn)行大矩陣科學(xué)計(jì)算時(shí)確保出色的性能。

　　圖 1 — 讓計(jì)算機(jī)愛(ài)好者感到幸運(yùn)的是，Cray 的架構(gòu)設(shè)計(jì)美妙而簡(jiǎn)單，而且相關(guān)資料保存完好。

　　在 CPU 中，指令可發(fā)送給 13 個(gè)獨(dú)立的全流水線“功能單元”。高強(qiáng)度的流水線功能對(duì)實(shí)現(xiàn) Cray 當(dāng)時(shí)極高的 80MHz 時(shí)鐘頻率而言至關(guān)重要。不同的功能單元處理邏輯操作、移位、乘法等。比方說(shuō)，一個(gè)浮點(diǎn)乘法指令需要 7 個(gè)周期才能完成，但計(jì)算機(jī)每個(gè)周期都能發(fā)出一條新的乘法指令(假定不存在寄存器沖突)。該設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生一種有趣的情況，即沒(méi)有“除法”指令，而是采用倒數(shù)近似值除法。也就是說(shuō)，我們不是計(jì)算 X / Y，而是計(jì)算 (1 / Y) * X。單獨(dú)的浮點(diǎn)“倒數(shù)近似值”函數(shù)單元可在 14 個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)計(jì)算出倒數(shù)。

　　馬拉松

　　我剛開始著手這一項(xiàng)目時(shí)，并不完全確定是否能靠自己的力量重新構(gòu)建如此復(fù)雜