现代计算机内部包含了许多更小的计算机，从主处理器到硬盘、网卡甚至线缆里的芯片，无不如此。本文盘点了这些组件，并解释了它们隐藏的计算能力为何攸关安全。
为什么你的「电脑」里，有那么多地方能藏匿后门和怪异机器（weird machines）？
因为大东西都是由小东西组成的：你的电脑实际上由几十、几百甚至可能上千块芯片构成。其中许多芯片承载着怪异机器，在显性或隐性地执行图灵完备的计算（许多芯片比过去时代的台式机还要强大），它们协同工作，共同制造出这是一台「单一计算机」的错觉。
后门、漏洞、怪异机器以及安全问题，才不在乎你怎么想——它们只在乎去哪里能找到资源，并将其编排成一场计算。
如果说「现在的网络就是计算机」，那么「现在的计算机就是（由众多计算机组成的）网络」，这话同样不假。 也许像 Altair PC 这样最早期的计算机里，真的只有一台「计算机」，所有图灵完备的任务都必须从同一个地方通过。但那个时代早就结束了。如今的「计算机」由无数组件构成，其中许多组件要是放在过去，本身就是一台好用的计算机。 「计算机」这个称呼只是为了图方便，并非什么泾渭分明的界限。 真正重要的是输入和输出：作为一个整体，系统能力有多强？需要什么资源？怎样才能重新编程这些组件？
层次
没人关心谷歌底层究竟是 50 台超级计算机、5 万台大型机、500 万台服务器，还是 5000 万个嵌入式/移动处理器，抑或是上面这些硬件的大杂烩。它们利用了五花八门的芯片，从定制的「张量处理单元（TPU）」到定制的片上硅（英特尔曾为几个大客户在至强芯片上做过这种定制），从 FPGA 到 GPU 再到 CPU，甚至还有更稀奇古怪的硬件，比如定制的 YouTube 视频编码芯片或处于原型阶段的 D-Wave 量子计算机——只要谷歌能跟其他科技巨头一较高下，并以合理的成本提供服务，这就够了。 （如今的「超级计算机」大体上就是一大批机架式服务器，塞进了多得异乎寻常的 GPU，再用快得异乎寻常的 InfiniBand 网络连起来，跟数据中心也没太大区别。） 这些硬件，任何一块都能根据其运行机制，在诸多不同的计算层级上支撑起多台怪异机器。 这个系统可以从多个层级去审视，每个层级的视角虽说都不完全严谨，却各有各的用处。 你到底是一个「单一的生物智能体」，还是由人体细胞、神经元、细菌、酵母菌、病毒和寄生虫组成的群落/生态系统？这究竟要紧吗？
计算机嵌套计算机
插图：XKCD #2166，「堆栈」。
这个问题本身边界模糊，这里有个现成的例子：此时此刻，不管是你的桌面上还是口袋里，你到底有几台计算机？ 你的「计算机」里有多少台计算机？你以为只有一台吗？咱们仔细瞧瞧——里面全是大大小小的计算机。 你可能以为，除了主板上占据 C 位的那个大个头 CPU，顶多再算上 GPU，就没别的了。但实际上，整个系统可调用的计算能力远远超出了 CPU 和 GPU 的范畴。原因有很多：大规模量产使得晶体管和处理器核心变得极度廉价，因此在很多情况下，出于实时性或高性能的要求，为了提供安全保障，为了避免主操作系统因某项任务而不堪重负，或者为了兼容老旧架构与现有软件包，人们往往觉得干脆单拉一个核心出来处理更划算。此外，由于给 DSP 或通用核心写程序，比专门去造一个特定的 ASIC 来得快，或者说，随手拍上一块小 CPU 才是最快捷的解决方案，根本不值得为了省那几毛钱去费心思……[1] （Halvar Flake 将这种现象戏称为「廉价的复杂性」。） 只要有外设或设备被制造出来，「轮回之轮」就开始转动了。 更有甚者，许多组件哪怕原本并非用作计算，或者刻意隐藏了计算功能，依然可以被当作计算单元来使唤。 （比如，Commodore 64 的软驱里运行 Commodore DOS 的 CPU ，就被拿来当成额外的备用算力，或者用来破解防拷贝机制，因为它跟主 CPU 一样强；你可以把计算分形、为演示动画做 3D 数学运算、跑国际象棋程序等任务甩给这个「协处理器」……）
往下探究
由此可见：
- 一块普通的 AMD/Intel x86 CPU 拥有数十亿个晶体管，它们被分配给许多独立运作的组件：
- 这两个以上的 CPU 核心，每一个都能独立运行，视需要开启或关闭。它们各自拥有专属的 L1 到 L3 缓存（这些缓存通常比几十年前台式机的全部内存还要大[2]，物理尺寸恐怕也比当年的整个 CPU 还要大），因此必须把它们视为一个个独立的个体。此外，CPU 整体上还能通过微码重新编程，比如用来修补芯片设计上的错误，因此这些 CPU 具体计算的内容也是会变的。
- CPU 身上不透明的功能越来越多。比如管理引擎和安全飞地，像英特尔管理引擎（Intel ME）（自带 JVM 以支持可编程性；Ruan 2014 与 SGX），或者 AMD 的平台安全处理器（PSP）、Android 的 TEE（可信执行环境）以及 Titan 芯片。这些硬件模块本质上往往是完整的计算机，它们独立于主机运行，甚至能对主机动手脚（这也导致了术语上的混乱：过去简简单单的 0 到 3 级保护环，如今不得不补上「−1 环」、「−2 环」和「−3 环」）。英特尔的 ME 运行的是闭源且无法审计的 MINIX 分支（MINIX 作为一个操作系统，更为人熟知的是它在 Linux 诞生过程中扮演的角色）。此举带来的安全隐患让谷歌大为光火，干脆立项把 MINIX 从其 CPU 及 Titan 芯片里给移除了。
- 任何浮点运算单元，只要借鉴 FRACTRAN 的精神，把程序编码成浮点运算，都可能是图灵完备的。[3]
- 内存管理单元（MMU）可以被编程为一台由 CPU 存根驱动的缺页故障怪异机器（见上文）。
- DSP 单元与定制硅片：诸如 h.264 这类视频格式的 ASIC 大概不是图灵完备的（尽管它们支持复杂的增量和压缩技术，或许能实现类似王氏砖的效果），但拿苹果 A9 移动端系统级芯片（SoC）来说，它可远不止是双核 ARM CPU 加 GPU 那么简单。和英特尔/AMD 的桌面端 CPU 一样，它不仅包含安全飞地（一个物理隔离的独立 CPU 核心），还内置了图像协处理器、运动/语音识别协处理器（部分用于支持 Siri），而且显然还有好几个别的核心。有些 ASIC 是为了支持 AI 任务，想必擅长神经网络的矩阵乘法；既然循环神经网络是图灵完备的……其他公司，像摩托罗拉或高通，也在争先恐后地往自家的 SoC 里塞东西。
- Mark Ermolov 指出，在一块给定的系统级芯片（SoC）上，不但有多个 CPU，而且轻轻松松就能凑齐 5 种不同的 CPU 架构：
英特尔 Silvermont 架构的 Moorefield SoC（ANN）里居然塞了这么多异构的 CPU 核心，实在令人惊叹：x86、ARC、LMT、8051、音频 DSP。它们各自跑着自己的固件，还都支持 JTAG 接口。
- 还有更古怪的专用芯片，比如 Macbook Touch Bar（触控栏）里的芯片。它们在独立于笔记本操作系统的 Apple T1/T2 SoC（采用了 ARM CPU）上，运行着小型的 WatchOS 应用并进行指纹认证。毫无疑问，这种芯片也能被黑掉，用来跑 Linux。
苹果智能手机里的「息屏常显（Always-on）处理器」，不仅能让手机在「关机」状态下依然被追踪定位，还实现了 Siri 的唤醒功能。 - 主板 BIOS 与管理引擎（在 CPU 对应的引擎之上），通常具备网络访问权限。
出厂的设备上，这类用于管理或调试的芯片可能被「不小心」保持在开启状态，比如 Via C3 CPU 里面嵌入的 ARM CPU。 - GPU 拥有数以百计简单的 GPU 核心，它们跑起神经网络来得心应手（极其擅长表达能力或图灵完备任务），也能做通用计算（哪怕比 CPU 慢一些）。[4]
- 智能手机：除了上面提到的所有单元外，手机里还有个独立的基带处理器。它运行着闭源的实时操作系统，负责处理与蜂窝基站、GPS 等设备的无线电通信，或者可能利用类似 L4 的微内核虚拟出多个处理器。基带处理器除了自身漏洞百出，还被发现过留有后门。
鉴于大多数这类嵌入式应用都用上了 ARM CPU，无怪乎 ARM 会得意洋洋地吹嘘：「一部现代智能手机大概包含 8 到 14 个 ARM 处理器，其中一个是应用处理器（运行 Android、iOS 或其他系统），而另一个则是负责基带协议栈的处理器。」 - 智能手机的 SIM 卡 绝非只是记录你入网信息的简单存储卡，它们可是能独立运行 Java Card 应用程序的智能卡（显然 NFC 芯片大概也是这副德行），有点像英特尔管理引擎里的 JVM。
理所当然，SIM 卡也能被黑入，沦为监视工具等。[5] - 磁带机、机械硬盘、闪存盘或 SSD 硬盘的 I/O 控制器等，通常也都带有 ARM 处理器。它们运行盘内固件，负责对操作系统隐藏坏道、加速磁盘加密或进行磨损均衡等任务。这玩意儿也能被黑。
- 网络芯片负责针对直接内存访问（DMA）进行独立处理。（正是因为有了这种独立性，再结合主板和 CPU 管理引擎，像用于网络引导启动的局域网唤醒（Wake-on-LAN）这类功能才能奏效。）
- USB / 雷电（Thunderbolt）线缆与设备，或是接在主板上的设备：至少在线缆、电池和充电器上，就得有个嵌入式处理器去协商数据和电源协议[6]。甚至在 WiFi 适配器、键盘、鼠标或 SD 卡等设备上，还要搞出带多个额外专用处理器的大阵仗。
理论上，这些东西大多是隔绝的，至少中间有 IOMMU 单元拦着，不让它们通过 DMA 直接把主机端掉，但魔鬼藏在细节里…… - 显示器内置的 CPU 负责控制并将 GPU 发来的信号统统显示出来（这项传统可以追溯到智能电传打字机时代）。
- ……
我们是群落
所以，一台台式机或智能手机里理所当然地藏着 15 到几千台不等的「计算机」（所谓「计算机」，是指图灵完备的设备，能够以通用的方式进行实用编程，且几乎不需要在「官方」计算机上运行代码）。它们拥有的强大算力，足以跑得动计算史上形形色色的许多程序；而对手自然能利用它们来监视、窃取数据，或是对系统的其余部分发动攻击。
纵观历史，这不足为奇。哪怕是最早的大型机，往往也是由多台计算机组成的：主计算机负责批处理，额外的小型计算机则接管高速 I/O 操作；如果不这么安排，光是中断请求就能把主计算机给憋死。
实际中，除了计算机安全圈（因为这些计算机通通不安全，正好成了好用的攻击路径），一般用户才不在乎我们的计算机底层有多么错综复杂，更不在乎它准确来说就是数百台被生硬拼凑在一起、大杂烩般的计算机群落。只要它运转正常，用户就会觉得这就是一台功能强大的独立计算机，并拿它当一台来用。
直到它不再按预期运转为止。
外部链接
- 讨论版：HN
- 俄语译本（2018-11-11）
- 《开源固件：一段爱情故事》，Zaolin（CCC 演讲，35C3，2018 年）
- 《你的计算机是一个分布式系统》
- 《扑灭硬件垃圾堆里的火灾》，Fiedler 等人，2023 年
- 《仓库级计算机：利用请求级与数据级并行》，Hennessy 与 Patterson，2011 年
- 《文件充满危险》，Dan Luu
尾注
[1] pkaye 在 HN 上举了这种心态的一个例子：
让我想起以前做固件开发时，ASIC 团队跑来问能不能顺手塞个额外的 Cortex-M3 核心进去，好解决特定的控制问题。这些核心会被当成可编程的状态机来用。对 ASIC 团队来说，跟专门去设计定制逻辑电路相比，随便扔个核心进去根本不花什么成本。然而，对固件团队来说，这就意味着又多了一份编写和测试固件的差事。我们有的设计里塞了多达 10 个 Cortex-M3 核心。我听在另一家公司上班的朋友说，他们那边塞了差不多 32 个这种核心，调试起来简直生不如死。
[2] 例如，2017 年的 Intel Core i9-7900X CPU 拥有总计约 24MB 的缓存，这比 1996 年的台式机 Power Macintosh 5200 LC 那 16MB 的内存（CPU 缓存只有 16KB！）还要大得多。
[3] 或者它们跑着看似无害的浮点运算，实际上却利用开启非线性的浮点运算设置编码了一个（深层）神经网络。另见《神经网络的对抗性重编程》，Elsayed 等人，2018 年与 Neekhara 等人，2018 年（说得更宽泛点，参考 GPT-3 / CLIP 的「提示编程」，或 Goyal 与 Bengio，2020 年 / Lu 等人，2021 年）。一个相关的话题是「机器教学」：Zhu，2013 年，Zhu，2015 年，Wang 等人，2018 年，Sucholutsky 与 Schonlau，2020 年。
[4] Arrigo Triulzi 在 2008 年演示过一套漏洞利用系统，该系统结合了对网卡（计算能力有限）和 GPU 的黑客攻击，使其能够独立于主机操作系统 / CPU 运行：《Project Maux Mk.II：「网卡已拿下，现在我想要个 Shell！」》 / 《绝地武士的数据包戏法接管死星（或者：「将网卡后门提升到新高度」）》。
[5] 每年我都把同一张 SIM 卡从旧智能手机里拔出来，再插进新手机，这总让我浮想联翩：它就像一个长生不老的微缩「蜂窝小矮人」——它到底在想些什么，又真正效忠于谁？
[6] Ken Shirriff 在拆解分析 Macbook 充电器时打趣道：「一块带微控制器的微型电路板成了意料之外的组件，如上图所示。这个 16 位处理器不间断地监控着充电器的电压和电流。当充电器连接到 Macbook 时，它开启输出；断开连接时，关闭输出；一旦出现问题，直接切断充电器电源。这个处理器是一块德州仪器的 MSP430 微控制器，性能跟初代 Macintosh 里的处理器差不多。[充电器里的处理器是一块 MSP430F2003 超低功耗微控制器，拥有 1kB 闪存和区区 128 字节的内存。它内置了一个高精度的 16 位模数转换器。更多信息在这里]。」
Thoughts Memo 汉化组译制
感谢主要译者 gemini-3.1-pro，校对 Jarrett Ye
原文：How Many Computers Are In Your Computer? · Gwern.net