【透过专利看微处理器的技术发展（五）】微处理器包括

　　摘要：本文在调研大量专利文献的基础上，通过跟踪微处理器的主要专利权人IBM、Intel和AMD在中国的微处理器专利，研究其不同时期技术重点，明确其技术发展历程。同时从技术分布、典型芯片结构对比、专利申请增长率以及法律状态几个方面分析了微处理器的专利技术演进，并分析近期专利技术的特征，以及技术要素的变化，分析各厂商的专利技术现状，预测发展方向，为新产品开发计划提供线索。
　　关键词：专利文献；IBM；Intel；AMD；技术演进
　　
　　Technology Development of Microprocessor from Patent（V）
　　― Technology Development on Main Patentee
　　
　　WU Xiao-dao, YU Peng, XIE Xue-jun
　　（Ministry of Industry and Information Technology Software
　　and Integrated Circuit Promotion Center, Beijing 100038, China）
　　
　　Abstract: In this paper, a technology-depth analysis on different period is made based on a large number of patents of main patentees as IBM, Intel and AMD. From the several points of technology layout, compare of typical chip structure, growth rate of patent applications and legal status analysis is made. It determines the technical development process, and reveals the characteristics of technical elements in different periods, as well as the changes of technical elements, and provides clues for new product development plan. Based on patent technology evolution, we clear the course of development and predict the direction.
　　Keywords: Patent document；IBM; Intel; AMD; Technology evolution
　　
　　1引言
　　
　　通过上期分析看到在多核的大趋势下，软件发展已落后于体系结构创新的步伐。多核带来了真正的多任务并发，也就是多线程处理。这样的硬件革新，要求操作系统、编译技术都需要随之改变。所有的程序必须多线程化才能在相应的处理核上执行而发挥多核的优势。同时回顾微处理器的发展，微处理器技术不仅源于美国的几大跨国公司，同时IBM、Intel和AMD等大型公司也一直主导着微处理器技术的发展，其公司的发展历程一定程度上也反映了微处理器的技术演进过程。这些技术既要基于硬件工艺，又要顾及软件开发；既要控制成本、降低能耗，又要达到计算需求；既要具有通用性，便于扩展和持续发展，又要充分定制，同时在特定应用方面突出其优势。
　　本文以IBM、AMD和Intel在中国申请的微处理器相关专利为样本，通过分析微处理器产品技术和专利技术的演进，对比其各企业技术研发的侧重点，分析各自的技术优势，预测其研发趋势。
　　
　　2 IBM、Intel和AMD公司
　　产品技术演进
　　
　　为了更好地分析IBM、Intel和AMD的专利申请方向及研发重点，首先我们回顾一下三家公司的发布产品历程。
　　 如图1所示，微处理器的主要生产厂家IBM、Intel和AMD的产品演进历程。IBM起步较早，早在20世纪60年代就推出了360和370系列机，被称为最具盈利的机器。同时随着芯片巨头IBM、Intel和AMD的“核”战愈演愈烈，IBM以主频高达4.7GHz的Power6处理器的发布再次证明了技术的先进，处理器的主频依旧会有提高的可能，而且保持功耗和发热量的不变。
　　
　　首先在于IBM Power其传统的精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）架构相比于Intel的复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）架构得天独厚的优势，IBM公司在1975年成功开发出第一款RISC处理器，从此RISC架构开始走进超级计算机中。由于指令高度简约，RISC处理器的晶体管规模普遍都很小而性能强大，深受超级计算机厂商所青睐。相比之下，CISC是一套十分原始的而且未加任何优化处理的指令构架体系。这也是X86处理器阵营一直坚持走的道路，如Intel、AMD等。由于RISC指令体系中，所有指令在运算和执行的过程中均处于同等的优先级别，这使各个指令都达到相同的效能。这样使硬件的成本减小，而且有利于各种软件的兼容。
　　而AMD成立之初，作为第二供应商要求的不是技术领先与创新能力，而是学习模仿以及生产制造能力，显然这与AMD当时的自身条件是匹配的。1972年，在Intel上市一年后，AMD公开上市，成功募集500多万美金。1974年，AMD销售额达到2650万美元，其优质的半导体第二供应商的市场地位基本确立[1]。
　　其次，IBM从Power4起开创双核结构，在Intel大力推四核和多核处理器的同时，IBM依旧坚持自己的发展策略，始终采用双核结构。IBM采用Power的服务器主要针对高端企业级服务器市场，这些企业的商务应用多与交易有关。因此在设计Power6的时候，IBM提升了处理器单线程的性能，并同时保留双核设计达到平衡。而四核甚至多核设计，在架构上无可避免地会将单线程性能降低以实现多核的协同处理能力。其实在多核应用程序尚不普及的今天，单线程的应用更能给客户以价值。可见在单线程应用时，主频依旧非常重要。
　　另外，Intel的核（Core）微架构并非完美。当核微架构推出四核甚至八核处理器的时候，采用共享式二级缓存带来的在双核架构上的优势有可能会被多核心共享前端总线的蹩脚设计削弱。目前IBM的Cell处理器就应用在这些领域。而IBM在蓝色基因超级计算机上也采用了多核技术。
　　第四，Power架构之所以能够性能高，并不仅仅靠的是自身的优秀，IBM为超级计算研发的操作系统AIX也功不可没。IBM的Power具有其自己的AIX操作系统的支持。这是Intel无法比拟的。目前Intel的处理器只能与微软的Windows搭配，自家的硬件运行自家的操作系统上自然更能充分发挥硬件性能，况且目前的Windows操作系统对于多核的支持并不完美。
　　当Intel目前疯狂地推广多核的今天，不仅让人想起了当年其力推处理器的主频就是性能的情景，但事实证明，由于其NetBurst架构的缺陷，最终是Intel放弃了主频的竞争而转攻多核。而IBM Power6的反其道而行之的做法其实很值得Intel反思，那就是时刻都要保持技术的创新性。
　　
　　3 IBM、Intel和AMD
　　中国专利技术分析
　　
　　在微处理器技术的发展历程中，IBM、Intel和AMD都做出了卓越的贡献，从专利文献中可以获知这三家公司各自的技术关注点不同。现从三家微处理器的中国专利文献出发，分析各自技术的演进过程。
　　
　　 如图2所示，在微处理器的中国专利申请中，绝大部分的专利都是由IBM、Intel和AMD公司申请,占据了中国微处理器专利市场51%的份额。其中Intel与IBM的份额不相上下，均占据了1/4左右的份额，AMD相对较少。
　　
　　 如图3所示，比起IBM和Intel的专利申请，AMD在中国的微处理器专利相对较少，而IBM和Intel的专利也主要集中在Cache、处理控制、DSP和多处理器技术领域，纵观专利申请的总量，IBM比Intel更具优势，而Intel的专利申请更集中在存储相关的Cache和存储管理等领域。目前从三家公司的专利技术分布分不开各自的技术发展历程，首先结合各自的专利情况分析各自的技术发展历程。
　　
　　 如图4所示，结合IBM、Intel和AMD在中国的微处理器相关专利的申请对比，被称为“蓝色巨人”的IBM在80年末和90年代中期，随着Power微处理器技术兴起，一度出现了专利猛增的局面。特别于1998年针对Power4的相关双内核的共享二级缓存技术专利大幅增长，2003年出现大量针对Power5的共享三级缓存技术的专利。而Intel将重点放在了个人PC机，自1986至今，一直保持比较持续的增长，特别是在1999年申请了大量Xeon相关的双内核的共享二级缓存技术的专利。比起IBM和Intel，AMD的专利数量甚少，伴随着与Intel专利纠纷不断，AMD开始大量的申请专利[2]。
　　
　　 3.1 IBM专利技术发展历程
　　如图4所示，IBM的中国微处理器专利从1998年之后申请数量明显增加，同时通用化、系列化和标准化、精简指令集（RISC）成为IBM处理器延续的精髓。通过分析1998年到2000年IBM迅速增长的专利，可以确定这些专利为2001年推出的Power4双内核的共享二级缓存技术奠定了基础。2003年专利申请数量突然增长，大量的专利集中在2004年推出的Power5相关的共享三级缓存技术。以下对两种技术做详细的分析。
　　
　　 图5中示出了IBM公司的Power4和Power5芯片中的两个处理器内核在物理上也是双内核，且二个内核共享二级缓存和三级缓存。IBM公司2001年推出了Power4微处理器，2004年推出了Power5微处理器。从图5中可见，二者在微系统结构上基本上一致，后者对前者完全兼容。仅有的差异是处理器核与三级缓存的链接方式有差异，在Power4中是通过Fabric控制器和三级缓存交互，而在Power5中则不需要。无论是Powe4还是Power5都中采用了双内核技术，且芯片中实现了线程级的并行。乱序执行、分支预测、旁路技术等如今看来仍比较先进的技术，2001年在Power4中都已实现。由于IBM公司在超级计算机上的领先优势，无论是Power4还是Power5在设计之初，都考虑了它们在大型机并发环境中的执行效率优化问题，这可能是个人电脑微处理器设计中不具有的特征。
　　
　　Power4微处理器的大容量三级缓存放在主板上，而Power5则把三级缓存直接集成到微处理器中。由于处理器速度远高于存储器速度，当二级缓存不命中情况下，Power5的三级缓存速度将比较快。Power4中的二级缓存是1.41MB,Power5中的二级缓存是1.875MB。二者的二级缓存大小都比PC电脑中常用的Pentium 4的512kB大,因此性能也将更好。
　　
　　 通过分析IBM在2004年后申请的专利，其专利技术主要集中在多线程性能改进、多任务调度和可配置的多处理器上，通过指令控制硬件，实现软硬件的结合，更多的研发实力投入在体系结构和宏观实现的研究。如申请号为200810083263.8的专利，名称为“可配置微处理器和将多个小核组合为单微处理器核的方法”，它通过将单处理器核划分为多个较小的小核来处理低计算强度的工作负载，并在需要时通过指令将多个小核组合成为单微处理器核来处理高计算强度的工作负载。其分处理器小核的结构如图6所示[3]。
　　
　　3.2 Intel专利技术发展历程
　　如图4所示，与IBM类似，Intel的中国微处理器专利从1999年之后申请数量明显增加。详细分析1999迅速增长的专利，主要集中在2002年推出的Xeon相关的双内核的共享二级缓存技术。以下针对IBM的Power技术进行对比分析。
　　
　　 图7示出了Intel公司Xeon处理器的双内核。其实仅仅是把内核的状态部分做了双份，而执行部件和缓存等部件都仅有一份。物理上双内核的处理器由于执行部件不存在冲突，因此相当于在一个芯片中实现了一个对称双处理机，因此性能要好一些。图7中其实有两个处理器，每一个处理器中有两个逻辑内核，因此它在逻辑上有四个处理器内核。从逻辑角度来看，一个双内核处理器中由于增加了一个处理器内核，在主频、缓存大小不变的情况下，处理器的性能应该提高一倍。然而由于两个内核共享缓存，共享存储器接口，实际上处理器的性能有较大提高，但一般不超过60%。
　　Intel公司在2002年的Xeon微处理器中首次使用双内核技术，该双内核系统的实现方案如图7所示。显然与IBM公司的双内核相比，它仅仅是逻辑上的双内核，而非物理意义上的双内核。
　　 通过分析Intel在2004年之后申请的专利，其专利技术主要集中在高速缓存的改进、多线程处理器性能优化、中断控制器等方面，对微处理器存储器、运算器、控制器等核心部件的深入研究和改进做出了更大的贡献，如申请号为200680043761.9的专利，名称为“多线程处理器中的性能优先化”，其发明点在于具有较高优先级的软件线程用多处理器系统使用的时间片方法，比具有较低优先级的线程更频繁地接收时间片，结构如图8所示，并且更趋向于被多处理系统使用，从而通常能够达到较佳的性能[5]。
　　
　　 3.3 AMD专利技术发展历程
　　 随着超标量微处理器通过同时执行多项指令，以及通过使用其设计允许的最短时钟周期来获得高性能，AMD也开始研发自己的产品。在超标量处理器中，为提高处理器同时处理指令的能力，出现了指令预取和分支预测技术，其中AMD在中国申请的专利主要集中在分支预测、指令预取和Cache预取技术方面。例如2002年AMD申请的申请号为02828873.4的专利于2007.3.28获得授权，其结构如图9所示。该发明提供了一种检测机制，该机制在微处理器的高速缓存数据预取过程中执行地址推测，如果检测结果不符合完成高效恢复[4]。
　　
　　 类似于IBM和Intel，AMD的微处理器中国专利申请也主要集中在国际分类号为G的物理计算下，但专利申请的起步较晚，这主要由于1999年AMD推出了Athlon系列处理器，一举赢得了业界与消费者的关注，AMD彻底摆脱了跟随者的身份，跃升成为敢与Intel争锋的挑战者。同年，Intel放弃了已使用多年的处理器接口规格，AMD也第一次没有跟随Intel的变化，沿用原有接口规格，标志着AMD与Intel的竞争进入了技术时代。AMD在中国的相关申请开始于2000年，特别是在2004年，专利申请明显增加，如图4所示，但其数量上AMD的专利申请远不能与IBM和Intel相比。
　　在过去的几年中，由于主频竞争发展缓慢，因而Intel公司和AMD公司之间几乎没有进行过大幅度的降价竞争。但是随着双核处理技术的发展，两家公司与业内的其他竞争对手都提高了生产的效率，产品价格重新成为了Intel公司与AMD公司争夺市场的主要战场。
　　通过分析AMD在2004年之后申请的专利，其专利技术主要集中在高速缓冲存储器的优化、可配置的转换旁视缓冲器、多核分享监控和分支预测等方面。其专利申请的重点在于微处理器存储设备的改造和优化。
　　
　　4小结
　　
　　通过IBM、Intel和AMD在中国的微处理器专利分析，微体系结构的优劣是微处理器设计和开发的关键。过去以Intel公司为代表的处理器开发商主要依赖不断缩小线宽、提高主频的方法来提高处理器性能，当主频很难再提高时，国内外微处理器设计者不得不又重新回到优化处理器微体系结构的思路上来。三家公司专利申请的重点也各有侧重，IBM集中于微处理器体系结构的研究，特别对于众核技术的推广投入了大量精力；而Intel和AMD侧重于微处理器各核心组成部件的改进和优化，尤其AMD近几年的专利有大部分集中在高速缓冲存储器的优化以及指令的分支预测上。
　　
　　下期预告
　　了解微处理器各主要大型公司如IBM、Intel和AMD等技术演进的基础上，纵观微处理器的技术发展，对专利文献深入挖掘，我们还能发现哪些更为值得深思的端倪？下期中，我们将就目前微处理器热门的存储技术从技术发展历程、主要专利权人、技术热点和相应技术的研发趋势等多方面进行深入的专利分析，敬请期待。
　　
　　参考文献
　　[1] John Paul Shen，Mikko H.Lipasti. Modern Processor Design Fundamentals of Superscalar Processors[M].Beijing,China.2004.74-76.
　　[2] 陈燕，黄迎燕，方国建等.专利信息采集与分析[M]. Beijing,清华大学出版社.2006.231-232.
　　[3] 唐・Q・古延;杭・Q・利;巴拉雷姆・辛哈罗伊. 可配置微处理器和将多个小核组合为单微处理器核的方法.CN. 101266558[P].2008.3.4.
　　[4] J.K.皮克特.将装载操作的猜测结果与寄存器值相连接的系统与方法.CN. 1307538[P].2007.3.28.
　　[5] T・伊格扎瓦;G・N・桑塔纳克里什南;M・T・罗兰;G・N・斯里尼瓦萨. 多线程处理器中的性能优先化.CN. 101313286[P].2006.12.7.