處理器系列之什么是PowerPC

　　二十世紀(jì)九十年代，IBM(國(guó)際商用機(jī)器公司)、Apple(蘋果公司)和Motorola(摩托羅拉)公司開發(fā)PowerPC芯片成功，并制造出基于PowerPC的多處理器計(jì)算機(jī)。PowerPC架構(gòu)的特點(diǎn)是可伸縮性好、方便靈活。第一代PowerPC采用0.6微米的生產(chǎn)工藝，晶體管的集成度達(dá)到單芯片300萬個(gè)。

　　隨著PowerPC的 發(fā)展，使用PowerPC構(gòu)架的處理器已經(jīng)形成了龐大的家族，在通信、工控、航天國(guó)防等要求高性能和高可靠性的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是一顆“貴族的芯片”。 目前幾乎沒有什么中文資料詳細(xì)闡述PowerPC家族譜系，實(shí)在是一件遺憾的事。本文就給初學(xué)者簡(jiǎn)介PowerPC家族。

　　要闡述清楚PowerPC的發(fā)展不是一件容易的事情，光是“PowerPC”這個(gè)詞，就很容易被搞混，尤其是IBM注冊(cè)了一系列相關(guān)的商標(biāo)。比如Power 、Power PC、PowerPC 這三個(gè)詞的含義就不止3種，需要工程師聰明的頭腦才能區(qū)分它們。一般情況下的PowerPC，指的是使用PowerPC指令集的處理器。

　　二十世紀(jì)九十年代，IBM(國(guó)際商用機(jī)器公司)、Apple(蘋果公司)和Motorola(摩托羅拉)公司共同開發(fā)PowerPC處理器。

　　PowerPC，最初的含義卻不是Power，而是Performance Optimized With Enhanced RISC;PC指的是Performance Computing。

　　目前，主流的PowerPC處理器制造商有IBM、Freescale? Semiconductor(原摩托羅拉半導(dǎo)體部)、AMCC、LSI等。其中以IBM和Freescale的PowerPC處理器最為流行。本文就以這兩家公司的PowerPC處理器為基礎(chǔ)，展開講述PowerPC家族。

　　IBM的PowerPC家族

　　IBM目前共有3個(gè)主要的PowerPC處理系列：Power、Power PC和CELL。POWER，POWER PC中間，還有一個(gè)Star系列。

　　POWER系列CPU 從1990開始生產(chǎn)、裝備到RS/6000(即RISC System/6000)UNIX工作站和服務(wù)器上，現(xiàn)在被稱為eServer? pSeries?服務(wù)器(最新的名稱是POWER System p系列)，主要的型號(hào)有POWER 1，POWER 2?，POWER 3?，POWER 4?，POWER 4+，以及目前的POWER 5，POWER 5+和剛剛推出的POWER 6處理器。

　　最早的801是POWER系列處理器的前身，它的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，為了實(shí)現(xiàn)所有的指令都能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，因此缺乏浮點(diǎn)運(yùn)算和并行處理能力，POWER架構(gòu)為了解決這個(gè)問題，或者說超越801的限制，增加到了100多條指令，成為一種很“復(fù)雜”的精簡(jiǎn)指令集CPU。

　　1.POWER 1

　　發(fā)布于1990年，每個(gè)芯片大約封裝了80萬個(gè)晶體管。

　　與 當(dāng)時(shí)其他的處理器不同，POWER 1進(jìn)行了功能分區(qū)，這種設(shè)計(jì)方案使POWER 1具有非常好的擴(kuò)展能力，它有單獨(dú)的浮點(diǎn)寄存器，可以適用于從低端UNIX工作站到高端UNIX服務(wù)器各種環(huán)境。最早的POWER 1是安裝在同一母板上的幾個(gè)芯片的組合，不過很快就集成到一個(gè)芯片中，成為單芯片設(shè)計(jì)，總計(jì)擁有超過一百萬個(gè)晶體管的RISC處理器(RSC，RISC Single Chip，即單芯片的RISC處理器)。POWER 1最成功的應(yīng)用是被用于火星探路者宇宙飛船上。

　　2.POWER 2

　　發(fā)布于1993年，每個(gè)芯片封裝了一千五百萬個(gè)晶體管。

　　POWER 2增加了第二個(gè)浮點(diǎn)單元處理(floating-point unit，F(xiàn)PU)和更多的緩存。被稱為P2SC(Power 2 Scalable Chip)的超級(jí)芯片使用CMOS-6S技術(shù)，用一個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)了POWER2 8個(gè)內(nèi)核的架構(gòu)(從這里你可以看到其實(shí)在1993年IBM就已經(jīng)開始了多核芯片的設(shè)計(jì)，其實(shí)如果囊括大型機(jī)，在20世紀(jì)80年代，就有了多核的概念)，就 是使用這種處理器的32個(gè)節(jié)點(diǎn)的DEEP BLUE(深藍(lán))超級(jí)計(jì)算機(jī)，在1997年戰(zhàn)勝了國(guó)際象棋冠軍卡斯帕羅夫。

　　3.POWER 3

　　發(fā)布于1998年，每個(gè)芯片封裝了一千五百萬個(gè)晶體管。

　　這 是IBM第一款64位對(duì)稱多處理器結(jié)構(gòu)(SMP)，與原有的POWER指令集完全兼容，也兼容Power PC指令集，主要用于科學(xué)計(jì)算，從航空設(shè)計(jì)、生物制藥數(shù)據(jù)分析到天氣預(yù)測(cè)。它具有一個(gè)數(shù)據(jù)預(yù)取引擎，非阻塞的內(nèi)置數(shù)據(jù)緩存和雙浮點(diǎn)處理單元。POWER 3-II采用與POWER 3相同的設(shè)計(jì)，在制造芯片時(shí)使用了銅導(dǎo)線技術(shù)，在幾乎相同的價(jià)格制造成本下，提高了一倍的性能。

　　4.POWER 4

　　發(fā)布于2001年，每個(gè)芯片封裝了一億七千四百萬個(gè)晶體管。

　　這 是一款達(dá)到GHz主頻的處理器，0.18微米銅導(dǎo)線，硅絕緣技術(shù)。它具有POWER 3的全部特性，包括與Power PC指令集兼容，但它又是全新的設(shè)計(jì)，每個(gè)處理器包含兩個(gè)64位1GHz+ Power PC內(nèi)核，這是業(yè)界第一款批量生產(chǎn)的單芯片雙核設(shè)計(jì)，又被稱為單芯片對(duì)稱多處理設(shè)計(jì)(multicore design on a single die，SMP on a chip，或者system on a chip)，每個(gè)處理器可以同時(shí)執(zhí)行200條指令。POWER 4架構(gòu)可以制造IBM Regatta(即p690)大型服務(wù)器，也被用來設(shè)計(jì)Power PC 970處理器(在蘋果公司被稱為Apple G5)。POWER 4+?(又被稱為POWER 4-II)是POWER 4主頻升級(jí)的提高版。POWER 4 CPU支持了分區(qū)技術(shù)，可以將芯片切分成多個(gè)單元，運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)。

　　5.POWER 5 ?

　　2004 年發(fā)布，與POWER 3和POWER 4類似，POWER 5同時(shí)使用了POWER和Power PC架構(gòu)，利用了更快的片內(nèi)通信技術(shù)、芯片多處理技術(shù)、同時(shí)多線程技術(shù)(simultaneous multithreading，SMT，一個(gè)物理CPU內(nèi)核可以模擬兩個(gè)邏輯CPU，如果兩個(gè)線程的工作內(nèi)容相差較大，則使用SMT技術(shù)性能最高可以達(dá)到 單個(gè)CPU方式執(zhí)行的1.5~1.7倍)，比POWER 4性能提高了4倍。POWER 5的高端服務(wù)器代號(hào)為“騎兵隊(duì)”(“Squadrons”，IBM希望此CPU能如同騎士馬隊(duì)沖鋒一樣橫掃UNIX服務(wù)器市場(chǎng)，結(jié)果似乎應(yīng)驗(yàn)了設(shè)計(jì)者的期 望)。在POWER 5上支持了微分區(qū)(Advanced Virtualization)的功能，可以將一個(gè)處理器內(nèi)核虛擬切分成多個(gè)處理器，供操作系統(tǒng)使用，最小的分配粒度為0.1個(gè)CPU，共享使用粒度是 1/100個(gè)CPU。在2006年，IBM推出了主頻提高，封裝變化的POWER 5，被稱為POWER 5+，最高主頻為2.2GHz。

　　6.POWER 6 ?

　　在 2007年5月發(fā)布，目前最高主頻4.7GHz，最高明年將有超過5GHz主頻的版本。片內(nèi)集成度約為7億5千萬個(gè)晶體管。POWER 6將一些總線控制和CPU內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)通道集成進(jìn)單一芯片，與POWER 5相比，增加了更多的CPU內(nèi)核間通信機(jī)制和Cache。POWER 6比較有特點(diǎn)的技術(shù)是可以直接支持10進(jìn)制數(shù)字處理，這是計(jì)算機(jī)史上的一次回歸，我們從十進(jìn)制轉(zhuǎn)到二進(jìn)制以便于計(jì)算機(jī)處理，而如今，計(jì)算機(jī)芯片設(shè)計(jì)已經(jīng)足 夠先進(jìn)，讓我們可以不再去適應(yīng)機(jī)器，而是讓機(jī)器適應(yīng)我們的需求。

　　POWER 6其他的技術(shù)包括雙核，128KB的L1 Cache(數(shù)據(jù)、指令各64KB)，8條兩階流水線支持在一個(gè)時(shí)鐘周期完成兩組32位讀或一組64位寫操作;兩個(gè)內(nèi)核各有4MB“半共享”的L2 Cache，雖然它被一個(gè)內(nèi)核占據(jù)，但另一個(gè)內(nèi)核也可以快速訪問它;另外32MB的L3 Cache可被兩個(gè)內(nèi)核通過80GB/s的帶寬訪問;POWER 6還通過ViVA-2(VirtualVector Architecture)技術(shù)提高了向量處理性能;支持最多1024個(gè)虛擬分區(qū)也是POWER 6的新特點(diǎn)(POWER 5最多支持256個(gè)分區(qū))。POWER 6特有的10進(jìn)制運(yùn)算寄存器、指令可以使它在計(jì)算時(shí)不會(huì)產(chǎn)生2-10進(jìn)制轉(zhuǎn)換誤差，同時(shí)也提高了運(yùn)算速度。POWER 6包括一些額外的電路去支持Mainframe的指令，開始了整合z系列的實(shí)踐，而POWER 6L則是“簡(jiǎn)化”版的芯片，降低了主頻，可以用于刀片服務(wù)器。

　　在生產(chǎn)POWER 6的同時(shí)，POWER 7也處于緊張開發(fā)階段，預(yù)計(jì)2012年面世。

　　IBM Power 7處理器采用了IBM的45nm SOI銅互聯(lián)工藝制程，典型的Power 7處理器具有八個(gè)核心，提供4核、6核、8核心型號(hào)，晶體管數(shù)量達(dá)到了12億，核心面積567mm2，從這里可以明顯看出Power7的與眾不同，作為對(duì)比，同樣八核心的Nehalem-EX具有23億個(gè)晶體管，整整多了一倍。