运河底部的计算机

# 运河底部的计算机 来源：https://negroniventurestudios.com/2026/07/18/the-computer-at-the-bottom-of-a-canal/ 在福斯-克莱德运河（https://en.wikipedia.org/wiki/Forth_and_Clyde_Canal）底部的某处，埋在淤泥中，有一个定制硅片的盒子，它几乎在每一件事上都是正确的。 早在1988年，一家苏格兰高保真音响公司就推出了一款处理器，它在硬件层面检查每一次内存访问的类型和边界，在硅片中对其堆进行垃圾回收，并将内存和磁盘视为一个统一的持久化对象存储。后来的复述往往将其描绘成一种迷人的蠢行——一家制造黑胶唱机的公司却认为冯·诺依曼架构是错的。 但Rekursiv（https://en.wikipedia.org/wiki/Rekursiv）的故事不应仅仅被视为一件奇闻，因为就在它沉入水底近四十年后，它的理念如今正以Arm的生产级硅片形式出货（https://www.cl.cam.ac.uk/research/security/ctsrd/cheri/）；同时，当年让它消亡的经济学定律也已被逆转。尽管这么多年过去了，故事的细节主要依赖于亲历者的回忆（https://www.slideshare.net/sebrose/rekursiv），但事实证明，这家高保真公司几乎在每件事上都是对的——只是选错了建造硬件的年代。 ## 一家高保真公司造了一台计算机 Linn Products（https://www.linn.co.uk/）是格拉斯哥的一家公司，由Ivor Tiefenbrun（https://en.wikipedia.org/wiki/Ivor_Tiefenbrun）于1972年创立。如果你知道这家公司，那多半是因为Sondek LP12（https://www.linn.co.uk/）——直到今天，它的拥趸仍广泛认为这是有史以来最好的黑胶唱机。 Linn Sondek LP12（https://www.linn.co.uk/uk/turntables/lp12-50） 到八十年代初，Linn 已经在城市南部的 Eaglesham 建起了一座现代化工厂，并依靠两台 VAX-11/750 和两台 11/780 来运营业务。但 Tiefenbrun 开始厌恶他们使用的软件。他想要这样一个系统：工厂里的每个物理对象——小到每台在组装、测试甚至售后过程中移动的黑胶唱机——都有一个对应的软件对象，不断积累其历史记录（Pountain，《Byte》杂志，1988年11月（https://www.academia.edu/5256838/Rekursiv_an_object_oriented_cpu））。 于是大约在1981年，Linn 雇佣了程序员以及格拉斯哥大学计算机科学讲师 David Harland（https://en.wikipedia.org/wiki/David_M._Harland），并构建了一种名为 LINGO（https://erg.abdn.ac.uk/projects/lingo.html）的面向对象语言。LINGO 是一种融合了 Smalltalk 语法和 Algol 语法的语言，不要与另一种 Lingo（https://en.wikipedia.org/wiki/Lingo_(programming_language)）编程语言混淆——后者要到八年后才会出现。 `` MICRO$COPYTREE: entf 1 pagebus d=ustack crtf IDXBADTYPES newtrbr _CONS incmsp m.sp' newmptr jf MICRO$COPYTREE ldustk d=pgrorr // CDR 分支 m.fp 1 uaddbr newmptr readustk pagebus d=ustack idx2 newsr newbr loadaddr idxget nocheck incmsp m.sp' newmptr jf MICRO$COPYTREE ldustk d=memout // CAR 分支 js RTN$CONS rtf `` *用于递归树复制指令的微码。注意该指令调用自身，这对传统 CPU 来说是禁止的（来源：Pountain，1988）。* LINGO 确实能工作；但在 VAX 上运行时速度太慢，无法实现任何自动化。Tiefenbrun 的反应是纯粹的 Tiefenbrun 风格：问题出在硬件，而不是软件——所以 Linn 要自己造硬件。 在一次研讨会结束后，由于火车晚点被困在回家途中，Harland 和另一位计算机工程师 Bruno Beloff 草拟了将他们的原型重新划分到定制芯片中的方案，他们将这些芯片命名为“Rekursiv”。这就是为什么 Harland 后来开玩笑说：“[Rekursiv 是英国铁路公司的错]（https://www.slideshare.net/sebrose/rekursiv）”。 几年后的1984年，Tiefenbrun 成立了 Linn Smart Computing，任命他的兄弟 Marcus 为董事总经理，Harland 为技术总监，并用 Linn 自己的资金加上来自英国贸易和工业部的大约1000万英镑提供资助。 LSI Logic（https://en.wikipedia.org/wiki/LSI_Logic）负责制造这些芯片。四个门阵列，采用1.5微米 CMOS 工艺，每个有299个引脚，分别命名为 NUMERIK、LOGIK、OBJEKT 和 KLOK。一家销售 Sondek、Ittok 和 Asak 的公司，是绝不会给这些芯片起其他名字的。 ## 对象直至底层 Rekursiv 的奇特之处并不在于它能运行面向对象程序，而在于——程序员（或者编译器）永远看不到地址。每个对象在创建时携带一个40位的编号，OBJEKT 芯片通过一个哈希分页表将编号转换为物理位置，并在过程中于硬件层面检查每一次访问的类型和边界。运行到数组末尾？机器拒绝。伪造引用？机器拒绝。由于只有 OBJEKT 知道任何对象的实际物理位置，对象可以被自由移动而无需接触引用，因此垃圾回收也被集成到了硅片中：一个双空间压缩收集器，遍历存活对象并将它们滑动到 DRAM 的另一半，而上层的执行则继续，毫不知情。 持久化也是同样的方式。内存和磁盘是一个统一的对象存储，如果所需的对象不在 DRAM 中，处理器只是在中止指令的中间暂停，而外部磁盘处理器将其读取，然后继续执行，仿佛什么都没发生过。由于分页位于指令执行层面之下，一条微编码指令可以任意复杂，甚至可以调用自身。这就是名字中“递归”的含义。根本没有固定的指令集；指令集是一个可加载的产物，你可以为机器配备任何一种适合你语言的指令集。Linn 提供了 C 语言，James Lothian 微编码了一个 Prolog 指令集（https://groups.google.com/g/comp.arch/c/Rb08QH5Jsl0/m/QuwXBHQgF5kJ），曼彻斯特的一个小组将 Scheme 移植到其上，而阿伯丁大学则移植了持久化语言 PS-algol（https://archive.cs.st-andrews.ac.uk/papers/download/ABC+83b.pdf）。我是圣安德鲁斯大学的校友，恰好赶上了那个所谓对（或者如果你愿意看作是不对的）时代。我仍然记得比我想知道的更多关于 PS-algol 的东西。但那是另一回事了。 Linn 声称的数字非常惊人。每两微秒一个 CONS 单元，比 Symbolics 工作站上 Lisp 的速度快二十倍，Prolog 合一作为单条指令。但这些数据来自 Linn 自己的模拟（https://www.academia.edu/5256838/Rekursiv_an_object_oriented_cpu），并在《Byte》杂志（https://en.wikipedia.org/wiki/Byte_(magazine)）上在该公司的配合下发表，从未有人独立复现过。 ## 杀手微处理器的袭击 Rekursiv 属于一个受人尊敬的知识传统。整个七十年代，行业共识认为硬件应该向上迎合语言，缩小文献中所说的“语义鸿沟”；Intel 在其首个32位设计——面向对象的 iAPX 432（https://dl.acm.org/doi/10.1145/641542.641545）——上正是押注于此，而 Symbolics 则基于微码中的 Lisp 建立了一项工作站业务。 不幸的是，对于 Rekursiv 而言，这一传统几乎在 Linn 承诺投入的同一时刻被公开摧毁。Patterson 和 Ditzel 在1980年提出了 RISC 的论据（https://dl.acm.org/doi/10.1145/641914.641917）：编译器只使用复杂指令集的一小部分，复杂性惩罚了常见情况，简单指令加上缓存加上好的编译器能跑得更快。到了1984年，伯克利的 SOAR 项目（https://dl.acm.org/doi/10.1145/800015.808182）已经在只有三万五千个晶体管的简单芯片上快速运行了 Smalltalk——典型的动态面向对象语言。Rekursiv 的核心假设，在第一块电路板通电的四年前就被公开削弱了。 然后，经济学定律降临了。从1986年到2003年，商品微处理器以大约每年52%的速度提升（https://cacm.acm.org/research/a-new-golden-age-for-computer-architecture/），劳伦斯利弗莫尔实验室的 Eugene Brooks 将这一时期称为“杀手微处理器的袭击”（https://www.nytimes.com/1991/05/06/business/the-attack-of-the-killer-micros.html）。Rekursiv 的设计耗时四年。它诞生时，VAX 定义了可敬的性能标准，而到了1988年它面世时，世界已经进入了 SPARCstation 和 386 的时代，486 紧随其后。 在场的 Lothian 在五年后说得非常直白：这台机器根本无法与新的工作站相抗衡（https://groups.google.com/g/comp.arch/c/Rb08QH5Jsl0/m/QuwXBHQgF5kJ）。大约只造了20到30块板子。大部分送给了大学。没有任何记录显示其中一块曾运行过 Linn 的生产线——而这恰恰是当初整件事的初衷。存留下来的唯一一次实地对比，是在 Sun-3 上运行的线程化 LINGO，其速度大约是 Rekursiv 板的两倍——而这块 Rekursiv 板本应比 Sun-3 优越，并且正是为了运行 LINGO 而设计的。 结局带有令人难忘的格拉斯哥风格。黑色星期一（1987年股灾）压缩了 Linn 的财务，一次风险投资拯救从未完成，而压垮骆驼的最后一根稻草是一个停车场。Linn 的一名送货司机倒车时撞上了 Harland 的保时捷，Tiefenbrun 拒绝支付修理费，理由是事故发生在私人场地，于是 Harland 辞职了。 离职途中，他将自己积攒的硬件和备份介质扔进了福斯-克莱德运河。关于整个产品线都被扔进水里的版本更加精彩；但真相也已经足够了。 至少有一块完整的板子逃过一劫，如今安放在约克附近的 Jim Austin 计算机收藏馆（http://www.computermuseum.org.uk/machines/lynn_recursiv.html）中。 与此同时，Linn 将 Numerik 这个名字回收，用在其 CD 系列的 DAC 上——这算是一个不错的墓志铭了。Harland 大约在1995年彻底离开了计算机领域，转而成为最多产的航天史学家之一（https://en.wikipedia.org/wiki/David_M._Harland），著作达数十本。作为一个曾经的宇航员（此处指天文研究者，与太空无关），我只能赞同他的职业转向。 ## 每件事都是对的？ 但这就是为什么这一切不仅仅是一段历史轶事。因为我认为我们需要认真审视 Rekursiv 的四个核心设计决策，然后看看每一项在今天处于什么位置。 ### 硬件内存安全 OBJEKT 检查每次访问的类型和边界，对照的是程序无法伪造的引用。这正是 CHERI（https://www.cl.cam.ac.uk/research/security/ctsrd/cheri/）的工作描述——这是自2010年以来 Robert Watson 及其同事在剑桥大学和 SRI 国际研究所构建的能力架构，其中每个指针都携带硬件强制执行的边界、权限和一个不可伪造的有效性标签。 Arm 将其构建到了2022年在英国“设计安全数字”计划（https://www.ukri.org/what-we-do/browse-our-areas-of-investment-and-support/digital-security-by-design/）下出货的 Morello（https://www.arm.com/architecture/cpu/morello）原型板中，并且至今仍在 Android 手机中出货较精简的内存标签扩展（https://developer.arm.com/documentation/108035/0100/Introduction-to-the-Memory-Tagging-Extension）。 微软安全团队在2020年得出结论（https://github.com/microsoft/MSRC-Security-Research），CHERI 原本可以确定性地缓解其在2019年修复的内存安全漏洞中至少三分之二。将携带类型和边界的对象视为硬件保护的适当单元这一理念，已从异端走向前沿。 ### 垃圾回收作为架构关注点 Azul Systems 在2000年代销售 Vega 设备，这是带有硬件读屏障支持的定制多核处理器，旨在使 Java 堆的无暂停垃圾回收（https://dl.acm.org/doi/10.1145/1064979.1064988）变得实用；源自该工作的 C4 收集器（https://dl.acm.org/doi/10.1145/1993478.1993491）如今作为纯软件运行在商品 x86 上。算法存活了下来，定制硅片则留在了身后。 ### 单级持久化存储 IBM 在1978年的 System/38 中交付了单级持久化存储，通过 AS/400 沿袭至今，并以 IBM i（https://www.ibm.com/products/ibm-i）的形式存活到今天；Intel 花费数十亿美元试图以 Optane（https://en.wikipedia.org/wiki/3D_XPoint）重新启动这一理念，最终在2022年关闭；同样的野心如今正在向 CXL 内存结构迁移。一个市场不断找到理由想要、却又不愿意为之付费的理念，与一个坏理念是不同的。 ### 硅片为工作负载而非通用性而定制 这是最大的设计决策：如今它正是整个行业运作的方式。Hennessy 和 Patterson（https://cacm.acm.org/research/a-new-golden-age-for-computer-architecture/）——这两位最应该为埋葬像 Rekursiv 这样的机器负责的人——在他们获得图灵奖的演讲中论证，既然登纳德缩放定律已死，摩尔定律也奄奄一息（或者更诚实地说，也已经死了），那么领域特定架构才是唯一的前进道路。 谷歌的 TPU（https://dl.acm.org/doi/10.1145/3079856.3080246）、Groq 的确定性流式处理器（https://groq.sa/GroqDocs/TechDoc_Predictability.pdf）、Cerebras 的晶圆级引擎（https://www.cerebras.ai/chip）以及 Etched 的 Transformer ASIC（https://techcrunch.com/2024/06/25/etched-is-building-an-ai-chip-that-only-runs-transformer-models/），都是为良好运行一种计算语言而构建的机器；只不过现在的语言是线性代数，而不是 Smalltalk。 ### 四中四 随 Rekursiv 一起沉入运河的每一条架构信念，如今要么在出货、在生产中、在规模上，要么是整个领域宣布的方向。连续四次正确判断，太多了，不能归因于运气。更合理的解读是：中间这近四十年并不是计算的自然状态，而是对一种稀缺性的妥协，而这种稀缺性现在已经消失了。 我在六月发表过一个关于软件而非硅片的类似论点。在文章《一个人的分发版》（https://negroniventurestudios.com/2026/06/09/a-distribution-of-one/）中，我认为定制软件是原始的、正确的安排，五十年的产品化通用软件是由于程序员稀缺的妥协，而人工智能已经结束了这种妥协。 通用商品处理器也是一种妥协，被迫于每年52%的提升曲线——这条曲线使得任何定制架构在到达硅片之前就已经过时。这条曲线已经消失了。妥协也随之而去；而定制化工作负载的硬件——即 Harland 在1984年所建造的东西——正在回归。 ## 语义的所在 关于 Rekursiv，通常得出的舒适教训是：不要与商品化曲线对抗。这是事实，但已不再非常有用了，因为这条曲线已经死了。有用的教训更为微妙，当你思考为什么 IBM 在同一时间用相同的理念取得成功时，就能看到这一点。 System/38 拥有 Rekursiv 最核心的承诺：单级存储、按名称而非地址寻址的持久化对象、能力、一切都是对象。它兴旺了几十年，因为 IBM 将这些语义放在了一个虚拟指令集中——即技术无关机器接口（Technology Independent Machine Interface，TIMI）（https://en.wikipedia.org/wiki/IBM_i#Technology_Independent_Machine_Interface_(TIMI)）——并将其翻译到下方的任何处理器上。当该平台在1995年迁移到 PowerPC 时，客户应用程序甚至不需要重新编译。Linn 则将这些相同的语义焊接到了四个特定的门阵列中。抽象层至今仍在运行；门阵列只持续了五年。 有趣的是，英国不止一次运行过这个实验，但结果截然不同。 Acorn，另一家英国公司...（原文停顿，但作为翻译应保持原样）