2015年7月14日19时49分,一艘飞行器掠过曾经隶属九大行星的冥王星,为它拍下了一组“证件照”,而后发出的信号穿越60亿公里的路程,最终抵达NASA总部,经由处理后公布在网上,地球上的数十亿普通人得以一见这颗神秘星球的真容。


这艘飞行器就是新地平线号,它的时速高达约5.8万千米/小时(约16千米每秒),也是迄今为止人类发射的速度最快的太空飞行器,从2006年地球发射到2015年飞越冥王星,花了整整9年多时间,在经历了孤独而又漫长旅行后,终于掀起了浩瀚宇宙的一角。


驱动新地平线号的,并不是什么顶尖的高算力芯片,而是一颗普普通通的MIPS R3000处理器。这颗处理器最早于80年代末搭载于工作站和服务器之上,而最出名的用途莫过于1994年发售的游戏主机PlayStation,卖出了1亿多台的它直到新地平线号发射那一年才正式宣布停产。


当新地平线号无限接近冥王星的那一刻,拥有同一颗芯片的PS1正在壁橱的某个角落里蒙上灰尘,而当时发售的PS4,已经有千倍万倍于R3000的性能,轻松驱动着以往数十台高性能计算机才能渲染出来的画面,诞生于上世纪的游戏主机见证了一场计算革命。


而在算力进化的背后,是延续到今天的几大处理器架构,还有半导体产业在日美两国的兴起衰落,游戏主机的背后,就是一场微缩的芯片战争。


MOS 6502传奇与日本崛起


1973年,35岁的Chuck Peddle加入摩托罗拉,负责研发和销售著名的6800处理器,当6800正式上市时,售价高达360美元,而Peddle认为这个价格已经超出了普通家庭的承受能力,此时的他萌发出简化6800架构设计,推出低至50美元廉价芯片的想法。


但他的尝试很快就被摩托罗拉高层叫停,因而6800上市后不久,Peddle就带着自己早期的芯片设计方案离开摩托罗拉,转投竞争对手MOS Technology(MOS)。在这家公司,Peddle和同事成功完成了6800的简化版本6501微处理器,由于引脚相同,甚至可以在6800的电路板上直接换插,这也导致摩托罗拉和MOS诉诸公堂。


结果当然是MOS告负,不得不在6501的引脚配置上进行了调整。1975年下半年,6502微处理器正式发售,售价25美元,只有摩托罗拉6800和英特尔8080的六分之一。


便宜的价格引起了质疑,美国的《电子工程时报》刊载了一篇对Peddle的采访报道,题目为《我们是否需要一块20美元的微处理芯片?》,报道的开头是一连串疑问句:MOS售价25美元的CPU芯片是不是烧钱换市场?若是,低利润会不会限制他们提供软件和服务?


但这些质疑最终被消费市场所打破了,当厂商看到一款售价25美元且性能不逊于摩托罗拉和英特尔的处理器时,他们很快就敞开腰包向MOS下订单,Apple I、Apple II、Commodore PET、Acorn Atom、BBC Micro……个人电脑在MOS 6502的基础上,如雨后春笋般进入市场,在70年代末掀起了一场普及电脑的风暴。


而MOS 6502早期知名的应用中,包括了1977年雅达利发售的游戏主机Atari VCS/2600,当时个人电脑通常能卖到1000多美元,因而几十美元的处理器不会构成什么阻碍。但对于一台计划售价199美元的游戏主机来说,即使是25美元的6502处理器,也过于昂贵了。


雅达利希望Peddle能为自己的游戏机供应两块芯片,即6502和I/O芯片(负责信号的输入输出),采购价为12美元,最终MOS签下了这个单子。原因很简单,经过计算,大批量生产芯片的物料生产成本只要4美元,虽然单颗芯片赚得比之前要少,但是规模效应反而会带来更高的利润。


最终搭载在Atari 2600的CPU是6502的小改款6507,与6502相比,它把40引脚封装改为了28引脚封装,缩减了一笔相当可观的成本。不过这也限制了主机游戏画面的表现力,8位CPU通常可以一次访问64K内存,但引脚变化后的MOS 6507一次只能访问8K内存,实际上只能做4位CPU能做的事情。


芯片性能和价格的取舍难题在个人电脑还没完全普及前,就摆在了厂商面前——压低成本实现规模效应,还是维持高价攫取利润?


不论别人怎么选,雅达利和MOS已经实现了双赢,截至1982年,Atari 2600一共卖出了1000万台,这一年苹果的Apple II销量不过27.9万台,IBM个人电脑也才售出了24万台。可以说,没有砍了几刀的MOS 6502,就不会有千万级别的主机市场。


坏消息是寒冬很快来临,由于第三方开始自行生产Atari主机游戏,且质量极差,甚至于雅达利自己也加入到了这一队伍当中,最终在1983年引发了一场雅达利大崩溃,商店里的主机和游戏无人问津,大量游戏公司倒闭,雅达利本身也未能幸免。


颇有些微妙的是,此时世界半导体的这座天平已经悄然倾斜,表面上英特尔、摩托罗拉和德州仪器等企业凭借先发优势而风光无限,但日本在70年代末以举国体制发展DRAM,成立了VLSI联合研发体,在80年代初期迅速抢占世界半导体市场。


美国半导体行业日本企业的巨大冲击,保大还是保小让摩尔定律的提出者都挠秃了头发。 事实上,一个国家半导体产业的繁荣,往往会带动消费电子发展,而消费电子又会反哺芯片产业,由此形成良性循环,而反过来就变成了恶性循环,当雅达利大崩溃发生之际,所有供应Atari VCS芯片的企业都迎来了一场漫长的寒冬。


与之相反的是,日本半导体成为了朝阳产业,NEC、东芝、日立、富士通、三菱这五巨头自然不用多说,夏普、索尼、松下这样的企业也凭借芯片垂直整合的优势迅速崛起。


当时任天堂的社长山内溥在看到雅达利的畅销后,打算让开发部设计一台家用游戏主机,性能要强力到短期内任何对手都无法追上,成本还要尽可能地压缩,最好限制在10000日元以内。


要知道80年代初的1美元约等于250日元,这也就是说,要设计出一台售价40美元且能玩游戏的主机。这是什么概念呢?1982年Atari 2600的生产成本都在40美元左右,还是后续年销量达上百万的情况下,前期的生产成本只会更高。


任天堂凭什么这么自信?凭的就是如日中天的日本半导体,彼时任天堂已经在1980年和夏普联手,利用它生产过剩的计算器的芯片和液晶屏,打造出了Game&Watch,既能当电子表,又能玩简单的游戏,售价5800日元,最终一炮而红。


正是基于这样的思路,开发部开始寻找能够为主机提供芯片的日本企业,但由于成本抠得太死,在五大巨头那里都吃了闭门羹。就算卖到百万级别,对于大企业来说还是蚊子腿上的肉,利润太少甚至于不值一提,有这个精力还不如多供货几台大型机。


最终接下这个订单的,是名不见经传的理光,来为任天堂的主机提供芯片。理光向任天堂推荐了MOS 6502,即定制的理光2A03,其表示,6502的芯片面积是当时火热的Z80的1/4,剩下的3/4可以放置其他电路,如此一来芯片价格就来到了可接受的范围内。


值得一提的是,此时MOS已经被Commodore所收购,由于专利费用的问题,任天堂和理光走了一条“歪路”,没有申请授权,而是直接发挥工匠精神,把专利所在的十进制校正部分电路删去,保留了6502的其他部分,把成本压制到了最低。


而任天堂也是抱着一把子梭哈的态度,直接同理光签订了300万枚芯片的合同,至于原计划的10000日元鉴于成本实在做不到,最终售价定在了15000日元。


任天堂的Family Computer(FC)于1983年正式在日本上市,刚上市时候的低迷并不能阻碍它本来的光辉,随着源源不断的优质游戏推出,这款搭载MOS 6502的主机掀起了一场更胜于Atari 2600的家用机革命,从美国纽约到日本东京,几乎每个中产阶级家庭都在考虑购买FC。一块1975年的芯片,在10年后以一种意想不到的方式席卷全球。


Z80与68000的登场


前面已经提到了两款MOS 6502同时代的处理器,一款是Zilog推出的Z80,另一款是摩托罗拉推出的6800,后续摩托罗拉推出了对应的迭代68000。


它们在当时的流行程度并不逊色多少,但在游戏主机领域却没有MOS 6502来得成功,其中不仅仅是芯片价格的问题,还有主机厂商间的明争暗斗。


先来说Z80。1974年,英特尔8080处理器的一位开发者Federico Faggin离职后自立门户创办了Zilog ,而他和11位员工一起开发的第一款产品就是8位处理器Z80 ,不仅可以兼容英特尔8080代码,也可以执行为8080编写的CP/M系统,继承了前者开发完备的生态。


在游戏相关领域中,Z80也得以大放光彩。南梦宫推出的街机吃豆人(Pac-Man),基板正是搭载了Zilog Z80,作为一款8位处理器,Z80的寿命也是罕见的长,即使后期的街机系统例如Capcom CPS1 、CPS2与SNK的Neo Geo,都还在用Z80作辅助/音效处理器。这也是当初任天堂一度考虑用Z80作为FC处理器的主要原因,相同的处理器能够方便移植街机游戏,吸引街机玩家购买。


80年代初,Z80正式进入家用机市场,打着“将街机游戏带到家庭”名号的ColecoVision(搭载3.58MHz的Zilog Z80A)一度是继雅达利之后市场上最受欢迎的主机,而世嘉在1983年推出的SG-1000,也搭载了Z80A的同款——NEC780C(由NEC自家制作的Zilog Z80A),但它们在市场上的表现却远不如同时期的FC。原因有很多,最重要的还是任天堂利用权利金制度,拉拢了一大批日本游戏厂商来为FC开发游戏,利用自身街机开发经验与第三方优质游戏打响了名号,而其他两家仿佛还停留在雅达利时代,直到两三年后才勉强跟上步伐。


再来说说摩托罗拉的68000处理器,摩托罗拉在1976年开始进行MACSS(Motorola Advanced Computer System on Silicon)计划。1979年,摩托罗拉68000开发成功,它使用3.5微米HMOS技术(即高性能N通道金属氧化物半导体,CMOS的前身)制造,集成了68000个晶体管,最大支持16MB内存,虽然68000还是16位处理器,但却使用了32位内部总线,因而可以直接使用32位指令软件,对比同时期16位处理器有不小的性能优势。


但是68000的成本高昂,在近十年后才正式进入游戏市场,第一款搭载68000处理器的家用机,依旧是世嘉,它推出的Mega Drive搭载了摩托罗拉68000(7.67MHz),成为第一款真正意义上的16位主机。上一代的Z80也没浪费,变为了Mega Drive的音频处理芯片,这个配置放在当时来看已经到了空前强大的地步。


不过,任天堂后发的SFC主机在性能上也并未陷入劣势。此时MOS 6502已经发展出了多个变种,而SFC就选择了依旧由理光开发的5A22,其源自WDC公司开发的65C816,是一块基于6502的16位处理器,主频为3.58MHz,相较于Mega Drive,SFC还支持了更高的发色数。


可以看到,80年代的游戏主机,实质上为70年代末涌现出的各家处理器提供了一个舞台,一枝独放不是春,百花齐放春满园,其中的佼佼者延续至今,被奉为经典。


而更值得大家注意的是,80年代里畅销的FC、SFC、MD等主机,并未直接采用美国企业生产的处理器,而是选择通过日本半导体企业进行定制,且在图形和音频处理部分中,日本本土企业生产的比重也相当之高。


数千万台的游戏主机为日本半导体带来了源源不断的利润,成为了日本消费电子与半导体攻城略地,击败美国半导体的一个缩影。


流星般划过的PowerPC和MIPS


爽口物多终作疾,快心事过必为殃。当日本企业因为游戏主机而赚得盆满钵满之时,忽视了自身的局限和实力后,隐患就一个接一个地暴露了出来。


说说世嘉吧,MD在北美市场取得意料之外的成功,大卖4000余万台,东方不亮西方亮,这也让它坚定了搞家用机的心,而且由于68000用于多款街机基板,更方便于移植世嘉街机上的丰富阵容,最终让世嘉下了一个决定——继续用街机芯片


具体配置上,SEGA SATURN使用了两枚和CAPCOM的CPS3基板相同的日立SH2处理器,主频为28MHz,通过分散、并行处理使土星拥有很强的数据处理能力,同时还使用了两枚VDP芯片(VIDEO PROCESSOR)来处理画面显示。VDP1芯片负责2D活动块处理,可扩大缩小、变形回转,还可以使用软件形式计算四角多边形,VDP2芯片负责处理背景,有4层可放大缩小的普通卷轴,2层自由旋转的回转卷轴,同画面最大显示5层卷轴。


双CPU加双图像处理器,这种配置组合拿到今天来看也是非常炸裂的,开发人员看了就头大,移植和研发都难如登天,强调2D性能的它,很快就在索尼PS1的3D游戏强烈攻势中败下阵来,此时日本的半导体企业已经走向衰落,无奈的世嘉开始寻求美国企业的帮助,甚至一度打算找英伟达来定制图形和音频处理部分。


世嘉最终把下一代主机定为Dreamcast,它的硬件配置比上一代合理了不少:CPU是NEC生产的日立SH4芯片,主频200MHz 128位总线(运行32位代码);图形芯片是Power VR2, 由NEC与英国Video logic公司联合开发,每秒可计算300万个以上的多边形。可惜的是,Dreamcast依旧遭遇了一场惨败,在PS2强大游戏阵容的攻势下,世嘉最终黯然退出主机舞台。


于1994年崛起的索尼PlayStation走上了一条与世嘉截然不同的道路,它最终选择了MIPS作为CPU的架构,搭载了一颗MIPS-R3000A处理器,即前文中所提到的新地平线号搭载的处理器。与大部分主机相比,加入了3D图形芯片的它拥有了更加强悍的3D性能。


这也是MIPS第一次登上游戏主机的舞台,后续多款日本厂商的主机都搭载了MIPS处理器的定制款,包括N64的R4300、PS2的R5900等,藉由游戏主机成为了当时几大主流架构之一。


MIPS能够崛起,主要原因是美国计算机厂商的鼎力支持,但在风云变幻的90年代后期,SGI决定放弃MIPS架构,转向IA-64架构的开发,并彻底剥离了MIPS业务。而和MIPS有密切合作的日本厂商也是猝不及防,合作刚有了点起色,本来还想靠MIPS架构抗衡Wintel,结果说放弃就放弃,让MIPS架构的主机彻底没了下文。


由于日本半导体此时只剩下一群老弱病残,日本主机厂商们开始直接求助美国厂商,寄希望于他们能够给予技术支持,风头正盛的英特尔是没指望,坐拥全球PC市场的它看不上主机这三瓜两枣,但陷入困境的IBM却抛来了橄榄枝。


1998年,IBM推出了世界上第一块铜导线处理器PowerPC750,由于使用了铜导线技术,处理性能提高了近1/3,此时的任天堂恰好找上了门来,于是在PowerPC750的基础上,IBM为任天堂的新一代主机NGC定制了Gekko处理器,该处理器使用铜导线和0.18微米制程工艺制造,运行频率为485MHz,性能比起沿用MIPS架构的PS2主机强了不少。


而美国市场中的巨无霸——微软也在此时正式登上舞台,和日本厂商相比,微软进入市场就简单粗暴了不少,别人限于成本和功耗不敢用的x86处理器,微软大手一挥就采购了几百万块奔腾3,把它作为初代Xbox的处理器,其性能在NGC的基础上更进一步,成为了当时市面上画面表现最好的游戏主机。


索尼在PS2之后,也跟随任天堂的脚步,与IBM展开了合作,开始研发Cell处理器,在索尼和IBM的预想中,是打造出如英特尔x86一般的通用架构处理器,不仅能用在下一代主机上,还能在数码家电和服务器中发光发热,只可惜这块耗费了数十亿美元的处理器最后被证明是一个半残废,自信的索尼重蹈了世嘉的覆辙。



从MIPS到PowerPC,日系厂商逐步丧失处理器之上的话语权,亦步亦趋地跟随美国半导体企业发展。更让部分日本人扼腕叹息的是,MIPS架构的处理器还有不少是由日本半导体厂商所定制生产的,但到了PowerPC之后,芯片代工生产彻底与日本无缘。想要高性能芯片?那就先交一笔远比之前昂贵的费用吧。


崛起,然后无奈坠落,在日本半导体产业衰落之后,曾经被引以为傲的日本游戏主机,只能基于美国设计主导的芯片来做加减法,其竞争力局限于软件而非硬件,再也不复上世纪80年代的风采。


尾声


如今索尼的PS5,微软的Xbox Series X/S,均搭载了一颗来自AMD的x86处理器,其集CPU和GPU的功能于一身。而任天堂的Switch,则是选择英伟达生产的Tegra X1处理器,CPU架构来自Arm,GPU为英伟达自研。


你很难从这三款主机的其他芯片或组件中找到日本厂商的身影,甚至于Switch初版所采用的JDI屏幕,后面也悄悄换成了群创的LCD和三星的OLED。抛开微软不谈,索尼和任天堂的角色在近四十年里悄然变化,从定义硬件变成了定义软件。


当然,不止游戏主机,日本市场中的电子产品在进入千禧年之后,大量芯片和组件不再由日本企业操刀,悄然换成了其他国家设计代工的产品。日本半导体在芯片战争中败下阵来,代价不光是产值和失业,还连累到了消费电子市场。


当日本半导体行业叫嚣着研发2nm技术的时候,要怎么样才能说服市场和厂商,说服他们再度推出搭载日本芯片的产品呢?


参考来源:

The CPU from the original PlayStation is guiding a probe to Pluto——The Verge

“个人计算机先驱”查克‧派朵离世,他打造的CPU如何改变了个人电脑和游戏业?——界面新闻

Nintendo Entertainment System——维基百科


本文来自微信公众号:半导体行业观察 (ID:icbank),作者:邵逸琦