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。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（不過主要用于數(shù)據(jù)庫）。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。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)美妙而簡單，相關(guān)資料也非常齊備（圖 1 所示）。Cray-1 硬件參考手冊（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。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)愛好者感到幸運(yùn)的是，Cray 的架構(gòu)設(shè)計(jì)美妙而簡單，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，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，即沒有“除法”指令，而是采用倒數(shù)近似值除法。也就是說，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)雜的計(jì)算設(shè)備。原始的Cray-1花了整個(gè)工作團(tuán)隊(duì)多年的時(shí)間才設(shè)計(jì)和構(gòu)建完成。我有無足夠的決心做下去呢？（結(jié)果是我確實(shí)做下去了。）我的FPGA能否真的滿足要求？（結(jié)果是不能滿足。）即便設(shè)計(jì)比較簡單而直接，但設(shè)計(jì)規(guī)模仍然較大（目前需要約5,600行Verilog代碼，而且數(shù)量還在不斷增多）。我必須要保持信念。構(gòu)建自己的超級(jí)計(jì)算機(jī)是一場馬拉松，而不是一場沖刺賽。我只能一步步穩(wěn)扎穩(wěn)打地前進(jìn)。

我開始逐一創(chuàng)建功能單元。就像改裝汽車一樣，構(gòu)建完整的計(jì)算機(jī)也必須熟悉設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，這是一種全新的體驗(yàn)。我探索乘法器和加法器設(shè)計(jì)。我重新打開教科書研究浮點(diǎn)算法。我學(xué)習(xí)如何使用Newton Raphson法三次迭代計(jì)算30位精度的倒數(shù)近似值。（我前面提到過硬件參考手冊的詳細(xì)度吧？）功能單元逐一成型。

這完全是一項(xiàng)業(yè)余時(shí)間的項(xiàng)目，因此項(xiàng)目只能一點(diǎn)點(diǎn)地慢慢推進(jìn)。我從最簡單的模塊開始，很輕松地就完成了兩個(gè)地址功能單元（一個(gè)簡單的加法器和一個(gè)乘法器）。進(jìn)入標(biāo)量函數(shù)單元時(shí)（一個(gè)加法器、一個(gè)邏輯單元、一個(gè)移位器和一個(gè)總體 (population)/
前導(dǎo)零計(jì)數(shù) (leading zero count)），進(jìn)度就放緩了。處理三個(gè)浮點(diǎn)函數(shù)單元（一個(gè)加法器、一個(gè)乘法器和麻煩的倒數(shù)近似值單元）時(shí)，我已經(jīng)感到動(dòng)力不足了。如前所述，這就是一場馬拉松，不是一場沖刺賽。我2009年初開始著手Cray-1項(xiàng)目，可能在這個(gè)項(xiàng)目上總共花了19到20個(gè)月的時(shí)間。

隨后我的工作進(jìn)度再度加快，開始接近浮點(diǎn)單元設(shè)計(jì)的尾聲，在矢量單元方面的推進(jìn)速度也開始加快。如前所述，Cray-1設(shè)計(jì)作為一款具有高計(jì)算強(qiáng)度的巨型機(jī)，擁有8個(gè)矢量寄存器，每個(gè)都包含64個(gè)64位寄存器。矢量指令執(zhí)行時(shí)，比方說進(jìn)行加法計(jì)算，每個(gè)運(yùn)算對(duì)象錄入后每個(gè)周期都添加并存儲(chǔ)在第三個(gè)矢量上（結(jié)果矢量）。

Cray-1支持一個(gè)出色的特性，即“矢量鏈”。比方說，矢量加法單元只需三個(gè)周期即能生成首個(gè)結(jié)果。如果我們將兩個(gè)含有64個(gè)條目的矢量相加，我們希望在所有64個(gè)條目都完成加法計(jì)算前就可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行操作。矢量鏈?zhǔn)刮覀兡軌驅(qū)⒓臃ㄆ鲉卧慕Y(jié)果直接“鏈接”到另一個(gè)單元的輸入，不必等待操作結(jié)束。我們可在獲得首個(gè)結(jié)果的兩個(gè)周期后讓結(jié)果與第三個(gè)矢量相乘。對(duì)于一些大型矩陣計(jì)算而言，在80 MHz頻率上我們幾乎可以保持每個(gè)時(shí)鐘周期兩次浮點(diǎn)操作，也就是峰值速率達(dá)160MFLOPS！直到20世紀(jì) 90年代中期，普通臺(tái)式電腦還不及Cray-1的水平。

有了功能單元，我已經(jīng)能看到長夜將近的黎明曙光了。顯然，只需添加一些膠合邏輯就差不多完工了。是的，確實(shí)接近完工了。不過我發(fā)現(xiàn)，膠合邏輯的工作量其實(shí)很大。盡管Cray-1的相關(guān)存檔非常齊備，但齊備的程度還不夠。我非常清楚，我在一些不大不小細(xì)節(jié)的逆向工程方面遇到了困難，如指令發(fā)布、冒險(xiǎn)檢測以及矢量鏈等。有些問題，比如較寬的64位數(shù)據(jù)總線可用分立式邏輯芯片更方便地解決，而不必使用面向較窄數(shù)據(jù)路徑的FPGA。矢量寄存器在布線時(shí)總是讓我頭疼。

此外，我還要修改一些特性。Cray-1采用16組全SRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng)，體積跟我的冰箱差不多大，其4Megaword存儲(chǔ)器可實(shí)現(xiàn)每秒640MB的帶寬，我開發(fā)工具套件所用的簡陋的DDR存儲(chǔ)器芯片肯定達(dá)不到這樣的性能。我使用幾乎所有的FPGA片上BRAM也只能獲得4 kiloword的存儲(chǔ)器空間，這是我的Cray目前面臨的最大瓶頸。而且我也必須忽略掉一些特性：

用于與磁盤驅(qū)動(dòng)器和“主機(jī)式”微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的 DMA 類 I/O 通道和快速上下文切換支持。我要是能找到設(shè)備可用的存儲(chǔ)器和相關(guān)軟件，或許可以再添加進(jìn)這些特性。

硬件障礙

我在此簡要介紹一下在設(shè)計(jì)過程中遇到的一些與FPGA相關(guān)的難題。首先，我最初的Spartan-3E 1200芯片已經(jīng)證明不能滿足要求。我在設(shè)計(jì)中添加了Cray的龐大矢量寄存器后，芯片有限的邏輯資源就不夠用了。這時(shí)我開始有些犯憷，因?yàn)檫@時(shí)我的項(xiàng)目已經(jīng)推進(jìn)了1年多時(shí)間了，而且較大型FPGA的價(jià)格看似貴了很多。更大的Virtex® 芯片能方便地滿足我的設(shè)計(jì)要求，但開發(fā)板的成本已經(jīng)超出了我?guī)啄昱d趣愛好所能承受的預(yù)算范疇。幸運(yùn)的是，Digilent還出售了一款稍大型的Spartan-3E 1600開發(fā)板，價(jià)格對(duì)業(yè)余愛好者來說還能承擔(dān)。實(shí)踐證明，這塊開發(fā)板對(duì)滿足整個(gè)系統(tǒng)要求已經(jīng)足夠了（顯著擴(kuò)展了我所使用BRAM的容量）。

我遇到的另一個(gè)問題就是速度問題。盡管摩爾定律發(fā)展了30多年，但Cray-1原始的80MHz設(shè)計(jì)對(duì)我可憐的Spartan-3E而言還是太高了。我的原始設(shè)計(jì)最高速度大約為33 MHz，關(guān)鍵路徑在級(jí)聯(lián)加法器中，那是用在我簡陋的浮點(diǎn)乘法器實(shí)施方案中的。幸運(yùn)的是，Spartan-3E配套提供眾多18位硬件乘法器，能夠?qū)⑺俣忍嵘浇?0 MHz（面積卻節(jié)省了5%），但這時(shí)設(shè)計(jì)的其它部分又遇到了麻煩。Cray-1具有大量64位數(shù)據(jù)路徑，以及復(fù)雜的指令發(fā)布邏輯，這將Spartan-3E上的周期時(shí)間限制在20納秒左右。目前我還算滿意，而且較新的Spartan-6芯片將能滿足8-0的水平要求。

外殼構(gòu)造

硬件已經(jīng)基本可以正常工作了，我開始投入一項(xiàng)有趣的工作，進(jìn)行外殼構(gòu)造。當(dāng)然，電路設(shè)計(jì)是所有工程師都感興趣的部分，不過我也要讓自己的Cray-1看上去像個(gè)Cray-1的樣子，這同樣有趣。打造外殼的工作正好也讓我的朋友Pat能試試他的新型CNC銑床。我去了幾趟Home Depot，在Pat的車庫里度過了一個(gè)繁忙的周六（見圖2），總算獲得了一個(gè)很像小型Cray的外殼。開發(fā)板為方形，我必須在基座方面多些創(chuàng)意（方形和C形不太搭配），不過該板尺寸很小，也就是說我設(shè)計(jì)的Cray-1的尺寸正好是正常Cray-1的十分之一。

圖 2 — 把標(biāo)志性的 C 型外殼做好還真要花些功夫，當(dāng)然也少不了老友的鼎力相助。

我接下來又花了幾周的時(shí)間去打磨、噴漆和拋光，最后還去了趟當(dāng)?shù)氐目椢锏辏宰屛业男⌒虲ray-1也跟原型機(jī)一樣有了特色化的內(nèi)置仿皮座了，這樣Mattel的新計(jì)算機(jī)工程師芭比娃娃終于有個(gè)地方歇腳了！

軟件

CPU基本可以正常工作了，外殼也已經(jīng)就位，我準(zhǔn)備宣布勝利了。我能夠毫無問題地執(zhí)行一些簡單的指令回環(huán)和程序。不過能不能使用真正的軟件呢？我全新的Cray-1有一大遺憾，就是完全缺乏軟件，而且沒有軟件的計(jì)算機(jī)著實(shí)沒什么價(jià)值。不幸的是，Cray-1就誕生在一個(gè)沒有因特網(wǎng)的時(shí)代，主要出售給一些聽起來冠冕堂皇的政府機(jī)構(gòu)。我花了幾個(gè)月的時(shí)間在因特網(wǎng)上尋找軟件，但還是一無所獲。我給一些在國家實(shí)驗(yàn)室工作的朋友發(fā)了電子郵件，甚至還根據(jù)信息自由法案 (Freedom of Information Act) 向國家核安全機(jī)構(gòu)（此處是指政府嚴(yán)密監(jiān)察的名單）發(fā)函，但還是一無所獲。

感到自己確實(shí)需要更多幫助，我最終決定在互聯(lián)網(wǎng)上求助。我在自己網(wǎng)站的micro-Cray頁面上發(fā)出了求助呼吁（同時(shí)展示我可愛的比例僅為正常Cray-1十分之一的外殼），而且還通過Twitter賬戶向一些朋友介紹該項(xiàng)目，通過因特網(wǎng)資源尋找?guī)椭?。幾天之后，一些新聞?wù)军c(diǎn)都得知了我的故事，從全球各地給我發(fā)來大量電子郵件。不少電子郵件都是同情我經(jīng)歷的Cray愛好者發(fā)來的懷舊信。然而，最終有人表示有大摞大摞紙質(zhì)版的幾十年前的源代碼，九軌磁帶，甚至還有微縮膠片。有人還發(fā)電子郵件給我提供一份20年前的博士論文，包括一種少見的編程語言的Cray兼容編譯器的源代碼（當(dāng)然，需要在同樣少見的編程語言中編寫）?？磥砣藗儽４孢^時(shí)軟件和文檔以備今后之需，還真能應(yīng)不時(shí)之需啊。

未來

我的縮微版大型機(jī)今后該怎么辦呢（圖 3）？我還想解決這臺(tái)設(shè)備的一些故障并添加缺失的特性。我還沒有完全解決軟件問題，不過情況已經(jīng)有所改觀。一位熱心網(wǎng)友找到了20世紀(jì)80年代末基于DOS的Cray仿真器，它同時(shí)也可作為簡單的匯編程序（在Windows 7中也能正常運(yùn)行）。相比直接使用8位機(jī)器碼，用Cray匯編語言編程簡直是一個(gè)夢想。如果我能讀取老式介質(zhì)，我或許就能獲得源代碼，運(yùn)行至少一種操作系統(tǒng)，并使用真正的Fortran編譯器。

圖 3 — 基于 Spartan-3E 的微縮版大型機(jī)的最終成型圖

另外，我的冷門愛好還引發(fā)了計(jì)算機(jī)歷史博物館 ( h t t p : / / w w w .computerhistory.org/ ) 的興趣，或許我的微縮版Cray有朝一日會(huì)歸隱于加利福尼亞的山景城。不過同時(shí)我也開始設(shè)想下一個(gè)項(xiàng)目了。