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2021年11月2日

[系統] 由Wintel到Universe作業系統架構

◎發表於 PTT BBS 電腦科學及軟體工程版 CSSE
  https://www.ptt.cc/bbs/VR/M.1635702682.A.ADB.html


   〈Wintel架構到VR未來演進的路向探討〉

  現在電腦消費市場正面臨兩種變革,一是在硬體上系統整合晶片的製程變革,一是在軟體上VR相關科技的界面變革,前者將先導致硬體系統的競合變革,後者將會導致軟體系統的競合變革,兩者相互將會導致未來軟硬整合系統 Universe 架構的出現。

  一. 硬體製程變革的浪潮影響

  SoC(System on Chip)晶片系統(系統整合晶片),SiP(System in Package)系統封裝乃是早已存在的晶片製程科技,前者是將整個系統製作於同一晶片,後者是將多個晶片封裝為同一系統,兩者所獲好處都在可以增進運算效能及減低發熱能耗,而前者又勝於後者。以往因為晶片製程不夠微縮尺度,因而必須將運算部件分離製作而有 CPU,GPU,RAM,xPU,或種種其他功能的部件晶片,而以機板電路相連其間通訊。然而隨著晶片運算效能日漸提昇,晶片外部電路傳輸逐漸形成效能瓶頸與熱耗來源,所以隨著晶片製程微縮尺度成熟跨越容量障礙,將所有運算部件以SoC及SiP而整體封裝為一系統是最能增長效能與減低熱耗的有效方法。當前Apple M1系列崛起正是此類成果,而其他廠商也紛紛走向SoC+SiP的製程發展,Intel亦不例外;因為硬體製作再不走向系統晶片封裝,將來在市場上也就難以與之競爭。

主流硬體廠商群起走向SoC+SiP時,將會導致硬體市場發生兩種面向的激烈競合。一是發行晶片的硬體廠商必然要競爭整合角色,都要發行 UPU(Universal Processing Unit)以取代原有運算部件的整體功能;譬如原主CPU的Intel、以及原主GPU的Nvidia都要發行各自UPU時,就必然會在市場上發生直接競爭衝突,更不用說還有在晶片代工廠商基礎下必須進軍UPU以求生存的其他種種廠商。二是原有藉由組裝種種晶片至主機板的電腦廠商,將會在UPU整合幾乎所有運算功能下,不再需要複雜機板電路結構而縮減利潤,甚至縮減市場(因為發行晶片廠商在激烈競爭下也可能會自行發展品牌電腦)。

然而在各硬體廠商紛紛走向SoC+SiP的潮流下,原有開放統一的Wintel架構也就必然走向變局,需要有新的軟硬整合架構來維繫使用者環境的統一開放;而此潮流衝激下,若不能適應變局,Intel未必能保持原有在運算晶片上的科技霸業地位。

  二. 軟體界面變革的浪潮影響

  隨著當前晶片製程進展的運算效能強大與記憶體量擴增,影響導致兩項重大界面變革有效可行:一是VR虛擬實境Virtual Reality、二是VM虛擬機器Virtual Machine。兩者皆會引發原有作業系統演進(如Windows)的斷層代溝:VR是必須提供不同於舊有2D使用界面的3D使用界面,就像以前MS-DOS文字界面要走向Windows圖形界面的斷代進展;VM是可以提供承接舊系統及其軟體的應用,而這會影響到使用舊系統資源不再必然需要特別針對的軟硬體來提供相容支援(因為可以藉由VM提供模擬支援)。如此在VR發展與VM支援下,新作業系統未必需要直接承繼舊作業系統;也就是說在此作業系統演化即將發生的斷代變局下,Microsoft Windows未必能保持原有在大眾消費市場主機作業系統上的科技霸業地位,是會面臨其他系統競爭取代的危機。

其次隨著晶片功能集成與VM編譯效能的考量影響,舊有CISC架構是不利於集成晶片功能與VM編譯效能;尤其Intel指令集還必須提供以往舊指令集的相容性,更是不利。藉由運算效能強大與記憶體量擴增,VM編譯效能可以RISC更有效模擬種種系統而提供更廣泛的相容性,不但提供舊系統之相容,也可提供未來開放系統之有效相容。在此因素下,Intel 未來必須轉換舊CISC架構到新RISC架構(兩者可以相容轉譯來承續),才可能繼續競爭於未來市場;然而Intel轉換到RISC後,也就不再具有運算架構的原有獨佔優勢,從而更是面臨危機。

  三. 軟硬整合系統的開放統一

  現今Apple在其自家軟硬整合的主機系統上,開始轉用其自行設計的M系列晶片。然而原本Wintel架構下的開放系統,面對前述軟硬體向的共至變局,並不容易達成統一整合共識,尤其在UPU運算勢必各自發展下,硬體廠商將會各出UPU競爭。而現今較有能力提出未來軟硬整合開放系統的廠商有三:一是現今主機系統霸主Windows的Microsoft,二是現今手機系統霸主Android的Google,三是現今GPU系統霸主的Nvidia;但還是以Windows最有傳統實力,故就以Windows繼續跨代演進來說明 Universe 開放架構。

(設名Universe是為紀念Unix,及相關Nvidia的Omniverse及FB/Meta/的Metaverse)
(而且字首Uni代表「唯一」之義,可引申指稱「合而為一」的統一意涵)


  Program.    **  **  ***  ***           ******

       ── ── ───  ───   ──────  ──────
 Shell VR AR  Pointer Touch    VMtranspile.  [Other OS]
                Reality      Windows     /console/
  ─────────────────────────────────────
 軟體整合基礎 Universal Foundation(UF)for VM
  ─────────────────────────────────────
 硬體整合系統 Universal Processing Unit(UPU)
  ─────────────────────────────────────


在此架構下,原有Windows界面將成為Universe中的2D圖形界面,直接提供原有Windows軟體相容;而未來VR及AR將在Reality界面下運作,構成未來3D虛擬世界運作的基礎界面。UF將會影響並規範UPU的設計,最符合UF規範的UPU也就會成為最適VM的硬體基礎,就是最容易轉譯不同運算的UPU;而此一最易轉譯其他運算的UPU也就最易成為UPU指令架構的優勢者(這應該會是某種RISC架構)。

所以Microsoft若會承續Windows的傳統霸權,大致將會以此Universe架構走向VR發展,及以VM轉譯而維持在不同UPU硬體下的軟體相容;譬如Intel與Nvidia各有其UPU,但都使用由Windows發展的Universe架構,而於兩者運算上發展的軟體也可以透過VM轉譯而相容。而Universe架構的UF,則是可以開放原始碼提供UPU廠商自行製作,或還是完全由微軟配合不同UPU廠商發展。

若是Windows未來無法繼續承接主機系統的傳統霸權,應該就是Universe架構的作業系統由其他廠商先行發展成功(或也有可能源自學界,就像Google來自學生研究,Unix來自實驗室人員開發),可以VM模擬Windows運作而相容舊軟體,而許多UPU硬體廠商也紛紛走向支援此一新作業系統,從而造成微軟在此斷代變局下失去傳統優勢。

  四. 後記

  以上簡要短論,緣由個人探討為何微軟不願支援蘋果M1晶片,通過對於最近各家廠商發展動向,進而得出未來電腦科技將會走向軟硬整合Universe架構的結論。此波資訊科技浪潮將會重新洗牌業界廠商,就像四十多年前CPU晶片浪潮捲落許多傳統優勢廠商(如當年強大的IBM霸權就此衰落),UPU及Universe架構所相關的斷代躍昇發展,也將會沖倒許多現今的優勢廠商。若要更多相關探討當今業界資料,可見於相關前述討論在VR版或八卦版的〈Intel時代即將終結的未來可能?〉

  謹此為文,特以警醒科技變局將至,非必正確無誤;若以妄見,但值一笑!


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Universe系統架構是電腦作業系統的終極架構,這是因為兩點:

一是受限於人類感官空間維度限制下的使用者界面已達最高VR的3D界面。
二是根植於資訊交換互通下軟硬體結構的最終VM模擬功能。

其實就是隨著 Turing Machine 運算方式的電腦軟硬體效能不斷擴增,最終Turing電腦系統會趨向達到人機界面的完整感官體驗及軟硬體整合的共通系統平台。人機界面趨向完整感官體驗,就是相關VR(Vitual Reality)。軟硬體整合的系統共通,就是相關VM(Vitual Machine)。

VR是Shell界面問題,較為無關系統,在此就不多談。VM在UF的規範架構,需結合UPU運算架構,可使不同硬體系統相互轉譯指令碼。指令碼轉譯(Transpile)及VM模擬,可讓Universe模擬運行其他不同的軟硬體系統。

Universe架構設想,是在為未來的軟硬體整合系統,提供某種開放統一的平台規範。

2021年10月16日

[問卦] Intel時代即將終結的未來可能?

◎發表於 PTT BBS 八卦版 Gossiping
  https://www.ptt.cc/bbs/VR/M.1635318741.A.56F.html
  https://www.ptt.cc/bbs/VR/M.1635318892.A.148.html
  https://www.ptt.cc/bbs/VR/M.1635318932.A.B8C.html
  https://www.ptt.cc/bbs/VR/M.1635319003.A.89D.html


我想要問的其實不僅關於Intel時代的終結,而是上世紀八十年代至今PC模式的終結。在此謹簡要說明想法,拋磚引玉,希望各路專家可以解惑!

我們人類社會現在因為IC集成的迅速發展,現在領先的台積電5nm製程已量產多時,明年3nm即將量產,再過幾年2nm也將量產,這種尺度發展不僅只是加快運算速度而已,同時也即將為現今電腦產業的軟硬體都帶來劇烈變化─某種斷層跳遷的變化。將來電腦工業的軟硬體可能要重新洗牌,再也不是現今PC模式的型態局勢。

首先讓我們看最近發表崛起的 Apple M1 這顆處理器,以其組裝的Apple電腦,性能遠超其他廠牌同等類似處理器,而且功耗更低,散熱更少。M1能夠達成此種超越,主要是因為它是整合多種電腦部件的SOC(System on Chip),將許多功能部件都放入單一晶片,有效縮減通訊反應時間。M1將CPU,GPU,RAM等種種部件都整合為一,而使運算效率提昇。而未來要有更好更快電腦,所有廠商勢必都要走向SOC的系統整合晶片才能跟上競爭。

問題是隨著晶片製程愈來愈精細,單一晶片可塞入的晶體電路愈多,整合晶片功能愈強。一顆SOC就可以包括CPU,GPU,RAM...等功能,那原有製造繪圖卡,製造DRAM,製造...都會沒有市場,因為一棵系統整合晶片將會吃掉所有功能,而外加在匯流排上的功能部件反而會拖慢整個電腦系統的運算速度,未來電腦會追求儘量完全整合晶片以求最好效能。

當電腦都裝SOC系統整合晶片,RAM就在整合晶片中,再也不要外加DRAM,這樣像三星,美光這種以DRAM為主要產品的廠商,勢必將會市場大幅減少需求。當電腦都裝SOC系統整合晶片,GPU就在整合晶片中,再也不要外加繪圖卡,這樣像Nvidia這種以專業GPU為主要產品的廠商,勢必將會市場大幅減少需求。當然在此發展下台積電會是贏家,但這些設計廠商為了生存,要怎麼辦?

只有一個辦法,就是他們也要發展系統整合晶片,也就是說,隨著晶片製程發展,所有現存的處理器晶片設計廠商將都會捲入一場生存競爭之戰,而他們爭的就是現今Intel與Apple佔據的電腦系統地位,隨著晶片製程發展而迅速功效強大的系統整合晶片,很難容許其他附屬處理晶片存在,除了無需計較效能的輸出入功能及相關類比電路的功能。

所以這就是為什麼Nvidia要收購ARM,因為Nvidia要發展整合晶片,能支配ARM是最有利。PC產業四十年來都在Intel系統架構下發展,但此架構是CISC,指令較為複雜。手機及行動計算,已經幾乎都是用ARM架構的RISC,指令較為簡易。Apple M1即是以ARM架構建構出系統整合晶片的指令集,微軟也發展出ARM版Windows。即以Intel與ARM之間的轉譯而言,程式由複雜指令集轉為簡易指令集是較為容易且有效。而且隨著未來系統整合晶片的效能繼續提高,模擬系統變得大多有效可行;這在Apple 使用M1的電腦上使用Parallel Desktop已經見其可行,何況M1是被Apple定為初級入門款,未來隨著晶片製程發展還會推出效能更高的ARM電腦。

接著微軟也會推出自家ARM系統整合晶片來支援自家ARM版Windows。Nvidia、高通......或甚至聯發科也可能會推出ARM系統整合晶片,來進行競爭。在此系統整合晶片的大潮下,抱持CISC架構的Intel在未來前景非常不樂觀。四十年來以CISC架構維持的Intel時代可能即將在眾家ARM系統整合晶片的夾擊下告終!這不是放棄原來Intel架構下的程式,而是原Intel架構程式被ARM架構以系統模擬吞併。

系統整合晶片隨著晶片製程發展而效能大增,不止純粹涉及硬體,或可能掀起軟體替代。未來是否有可能出現 Universal Processing Unit 這樣的通用系統整合晶片與軟體結合,將作業系統 Operating System 拆為兩者 Operating Foundation 及 Operating Shell,Operating Foundation 將與系統整合晶片緊密結合以提供系統模擬功能。

那麼這樣的系統可以做為一切系統的開放平台,自己系統可以其Operating Shell運行。其他系統則是可以導入於以Operating Foundation為基礎的系統模擬中,也就是此一通用整合晶片及其Universe運作系統,可以加載任何作業系統於上。不同版本的Windows系統或MacOS系統,都可以放上 Universe 的 Operating Foundation,導致所有作業系統的最終解決方案平台─一切系統平台的基礎平台。

若有此種可能,那系統整合晶片的發展結果,不僅將衝擊硬體系統,也將衝擊軟體系統;最終硬體系統整合晶片在晶片製程發展下,更將會導致軟體系統整合平台的出現。而哪家廠商率先發展出系統整合平台,即將建立後Intel時代的新系統霸權。所以為什麼Nvidia要收購ARM,微軟放棄最終版諾言要發展Windows11作為一切平台的平台,可能都是為了進行電腦界最終系統決戰的準備。

所以未來數年,我們可能將會看見全球硬體軟體系統的重新洗牌,而自上世紀八十年代發展以來的電腦系統,可能將會有翻天覆地的重新洗牌變化。而隨著VR所需的高效能運算,硬軟系統整合晶片興起,應是當前不可避免的時代潮流。

以上就是本人近來狂想結論,草草略書,在此請教各路專家高見!