硬科技:20世紀末的x86神風特攻隊NS486

2022.05.03 12:23PM
照片中提到了ES0036AL、CO、NS486SXF-25,跟UL認證、平靜的空氣有關,包含了快閃記憶體、電子產品、電子零件、電子配件、微控制器

1990年代初期在x86的領域,出現了類似1970年代的處理器熱潮,不分新來後到,許多公司都想進軍x86指令集相容處理器市場,其中也包括了成立於1959年的老牌類比晶片廠商國家半導體(NS, National Semiconductor)。國家半導體也在1997年收購Cyrix,但卻在x86雙雄開始大亂鬥的1999年,將其脫手給台灣的VIA。

  • 神風特攻隊駕駛員:國家半導體

  • 公司成立時間:1959年5月27日

  • 公司消失時間:2011年9月23日(被TI併購)

  • 員工人數:5800人(2010年)

  • 最具象徵性產品:NS486

  • 由盛而衰的轉折:沒有,這是非常長壽的產品,到現在還可以在TI網站找到

  • 未能實現之遺憾:N7 (N7-lite, NS586L)

硬科技:20世紀末的x86神風特攻隊Cyrix(上)

硬科技:20世紀末的x86神風特攻隊Cyrix(中)

硬科技:20世紀末的x86神風特攻隊Cyrix(下)

硬科技:20世紀末的x86神風特攻隊Centaur WinChip (上)

硬科技:20世紀末的x86神風特攻隊Centaur WinChip (中)

硬科技:20世紀末的x86神風特攻隊Centaur WinChip (下)

硬科技:20世紀末的x86神風特攻隊Rise mP6

硬科技:20世紀末的x86神風特攻隊Transmeta Crusoe

硬科技:20世紀末的x86神風特攻隊Transmeta Efficeon

國家半導體打從一開始就不準備與Intel正面競爭主流個人電腦處理器,而將眼光看向嵌入式系統、低成本機上盒 (STB) 和後來的低價網路個人電腦 (NetPC),目標是設計出一個簡單高效並整合大量週邊裝置的單晶片x86處理器,並定價於20至30美元。

NS486計畫啟動於1994年底或1995年初,代號是魔戒中的星之女王Elantari (又名ESF94001),並為此在國家半導體內成立名為Arador (魔戒中的第十四任登丹人酋長)的研發部門。近似於日後構成VIA處理器核心的Centaur那套「簡單、迅速、便宜」哲學,NS486在其開發過程中的三個優先項目,依重要性分別是「時程」、「成本」和「性能」。

所以NS486的指令管線只有三階 (指令擷取/解碼、執行、回寫),在0.65 μm製程時的目標時脈是25MHz (電壓5V)。為了最小化晶片面積並考量嵌入式應用的即時性需求,有別於Intel 486的8kB或16kB第一階快取記憶體,NS486只有1kB的直接映射 (Direct-Mapped) 快取。

此外,NS486並不支援x86指令集的真實模式 (Real Mode),所以無法支援DOS作業系統,也沒有浮點運算器 (FPU) 和記憶體管理系統 (MMU)。結果就是NS486的核心僅有25.6萬電晶體,約為Intel 486整合運算核心的一半,在0.65 μm製程時的晶粒面積僅29.6 mm²。

但這並不代表NS486就毫無看頭,事實上,在當時國家半導體在Super I/O為首的整合式外圍週邊晶片佔有領導地位。內核本身相對簡單,但如果要添加其他功能,通常具有不同的製程和訊號屬性,才是最困難的地方,這讓整合大量週邊控制單元的NS486變得與眾不同。

根據不同的需求,NS486分別有「全套」的NS486SXF (25美元) 和「半套」的NS486SXL (15美元),最初兩者共用晶片,直到1998年國家半導體才替NS486SXL製作獨立的晶粒,以進一步降低成本。

不過技術歸技術,來自Intel的法律干擾手段又是另一回事。在1990年代設計x86指令集相容處理器的非技術性挑戰來自法律部門。在當時Intel聲稱即使是任何再簡單的x86處理器設計都「必須」至少侵犯一向Intel的專利。然而,國家半導體卻是從頭設計了NS486,包含微碼 (Microcode),並搬出可追溯至1970年代的Intel許可證明 (正是該許可證導致國家半導體併購Cyrix)。

硬科技:為何Intel的競爭者都要如此辛苦

前面有提到「時程」,而國家半導體那充滿魔戒味的研發團隊也不辱使命的在1996年初完成了最初的NS486樣品,並支援當初許多常見的即時作業系統 (RTOS, Real-Time OS),包括pSOS+、QNX、VxWorks和VRTX。如同前述,因沒有真實模式,因此沒有DOS。

在1997年,NS486SXF被應用於基於Java程式語言的Java Nanokernel作業系統,可直接在硬體上執行Java VM。硬體供應商包括PARVUS (PC104規範主板)、BCT (開發板) 和其他幾家製造現成的基於NS486的單板電腦 (SBC, Single Board Computer)。在1996年11月,國家半導體發表了使用名為Odin、基於網路瀏覽器的網路電腦參考設計,這是當時第一款低於200美元網路瀏覽器個人電腦。

照片中提到了Data Path、HE L、Control Logic,包含了計劃、中央處理器、微處理器、電腦、x86

國家半導體達成了「時程」與「成本」的目標,但在「性能」方面亦不遑多讓。因國家半導體最佳化NS486的指令時序,讓很多簡單指令能單時脈週期內完成,NS486在整數運算的表現相當不錯,在某些情況甚至可擊敗Intel的486DX。

照片中提到了Instruction Timing、instr、addr. mode,跟法恩利學院有關,包含了軟件、軟件、實時操作系統、QNX、電腦硬件

照片中提到了Benchmark Results、Same compiler optimizations: MSVC full optimization、0486 DX,包含了軟件、x86、中央處理器、軟件、微控制器

NS486在推出時,在嵌入式x86領域幾乎沒有競爭對手,Intel的386EX和AMD的386SC更貴更慢,而Intel那時專注於升級先進製程量產Pentium與Pentium Pro,老舊晶圓廠則通通挪去生產業務蓬勃發展中的系統組和乙太網路晶片,AMD將心力放在「消化」併購NexGen後得到的資產,也導致缺乏足以抗衡NS486的486等級產品。

硬科技:20世紀末的x86神風特攻隊NexGen Nx586/Nx686 (上)

硬科技:20世紀末的x86神風特攻隊NexGen Nx586/Nx686 (下)

但在1997年,國家半導體決定與Cyrix合併 (實際上是收購) 卻改變了很多事情,至少在1997年12月之前,任何關於NS486的產品規格手冊都還是處於 “Preliminary (初步的)” 的狀態。在1999年,國家半導體將NS486標示「不推薦用於新產品」,雖然NS486在2003年甚至更晚仍在繼續生產。

這也影響到NS486後繼者的命運:相容於Intel Pentium的N7(NS586)。這就是另一個截然不同的故事了。請各位科科繼續期待本專欄的「幻之處理器系列」。

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