處理器系列之什么是PowerPC

　　二十世紀九十年代，IBM(國際商用機器公司)、Apple(蘋(píng)果公司)和Motorola(摩托羅拉)公司開(kāi)發(fā)PowerPC芯片成功，并制造出基于PowerPC的多處理器計算機。PowerPC架構的特點(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，晶體管的集成度達到單芯片300萬(wàn)個(gè)。

　　隨著(zhù)PowerPC的 發(fā)展，使用PowerPC構架的處理器已經(jīng)形成了龐大的家族，在通信、工控、航天國防等要求高性能和高可靠性的領(lǐng)域得到廣泛應用，是一顆“貴族的芯片”。 目前幾乎沒(méi)有什么中文資料詳細闡述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注冊了一系列相關(guān)的商標。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。

　　二十世紀九十年代，IBM(國際商用機器公司)、Apple(蘋(píng)果公司)和Motorola(摩托羅拉)公司共同開(kāi)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，展開(kāi)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(kāi)始生產(chǎn)、裝備到RS/6000(即RISC System/6000)UNIX工作站和服務(wù)器上，現在被稱(chēng)為eServer? pSeries?服務(wù)器(最新的名稱(chēng)是POWER System p系列)，主要的型號有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，它的設計非常簡(jiǎn)單，為了實(shí)現所有的指令都能在一個(gè)時(shí)鐘周期內完成，因此缺乏浮點(diǎn)運算和并行處理能力，POWER架構為了解決這個(gè)問(wèn)題，或者說(shuō)超越801的限制，增加到了100多條指令，成為一種很“復雜”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(wàn)個(gè)晶體管。

　　與 當時(shí)其他的處理器不同，POWER 1進(jìn)行了功能分區，這種設計方案使POWER 1具有非常好的擴展能力，它有單獨的浮點(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(guò)很快就集成到一個(gè)芯片中，成為單芯片設計，總計擁有超過(guò)一百萬(wàn)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(wàn)個(gè)晶體管。

　　POWER 2增加了第二個(gè)浮點(diǎn)單元處理(floating-point unit，FPU)和更多的緩存。被稱(chēng)為P2SC(Power 2 Scalable Chip)的超級芯片使用CMOS-6S技術(shù)，用一個(gè)芯片實(shí)現了POWER2 8個(gè)內核的架構(從這里你可以看到其實(shí)在1993年IBM就已經(jīng)開(kāi)始了多核芯片的設計，其實(shí)如果囊括大型機，在20世紀80年代，就有了多核的概念)，就 是使用這種處理器的32個(gè)節點(diǎn)的DEEP BLUE(深藍)超級計算機，在1997年戰勝了國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(wàn)個(gè)晶體管。

　　這 是IBM第一款64位對稱(chēng)多處理器結構(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)計算，從航空設計、生物制藥數據分析到天氣預測。它具有一個(gè)數據預取引擎，非阻塞的內置數據緩存和雙浮點(diǎn)處理單元。POWER 3-II采用與POWER 3相同的設計，在制造芯片時(shí)使用了銅導線(xiàn)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(wàn)個(gè)晶體管。

　　這 是一款達到GHz主頻的處理器，0.18微米銅導線(xiàn)，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，但它又是全新的設計，每個(gè)處理器包含兩個(gè)64位1GHz+ Power PC內核，這是業(yè)界第一款批量生產(chǎn)的單芯片雙核設計，又被稱(chēng)為單芯片對稱(chēng)多處理設計(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)執行200條指令。POWER 4架構可以制造IBM Regatta(即p690)大型服務(wù)器，也被用來(lái)設計Power PC 970處理器(在蘋(píng)果公司被稱(chēng)為Apple G5)。POWER 4+?(又被稱(chēng)為POWER 4-II)是POWER 4主頻升級的提高版。POWER 4 CPU支持了分區技術(shù)，可以將芯片切分成多個(gè)單元，運行不同的操作系統。

　　5.POWER 5 ?

　　2004 年發(fā)布，與POWER 3和POWER 4類(lèi)似，POWER 5同時(shí)使用了POWER和Power PC架構，利用了更快的片內通信技術(shù)、芯片多處理技術(shù)、同時(shí)多線(xiàn)程技術(shù)(simultaneous multithreading，SMT，一個(gè)物理CPU內核可以模擬兩個(gè)邏輯CPU，如果兩個(gè)線(xiàn)程的工作內容相差較大，則使用SMT技術(shù)性能最高可以達到 單個(gè)CPU方式執行的1.5~1.7倍)，比POWER 4性能提高了4倍。POWER 5的高端服務(wù)器代號為“騎兵隊”(“Squadrons”，IBM希望此CPU能如同騎士馬隊沖鋒一樣橫掃UNIX服務(wù)器市場(chǎng)，結果似乎應驗了設計者的期 望)。在POWER 5上支持了微分區(Advanced Virtualization)的功能，可以將一個(gè)處理器內核虛擬切分成多個(gè)處理器，供操作系統使用，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(chēng)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(guò)5GHz主頻的版本。片內集成度約為7億5千萬(wàn)個(gè)晶體管。POWER 6將一些總線(xiàn)控制和CPU內核之間的數據通道集成進(jìn)單一芯片，與POWER 5相比，增加了更多的CPU內核間通信機制和Cache。POWER 6比較有特點(diǎn)的技術(shù)是可以直接支持10進(jìn)制數字處理，這是計算機史上的一次回歸，我們從十進(jìn)制轉到二進(jìn)制以便于計算機處理，而如今，計算機芯片設計已經(jīng)足 夠先進(jìn)，讓我們可以不再去適應機器，而是讓機器適應我們的需求。

　　POWER 6其他的技術(shù)包括雙核，128KB的L1 Cache(數據、指令各64KB)，8條兩階流水線(xiàn)支持在一個(gè)時(shí)鐘周期完成兩組32位讀或一組64位寫(xiě)操作;兩個(gè)內核各有4MB“半共享”的L2 Cache，雖然它被一個(gè)內核占據，但另一個(gè)內核也可以快速訪(fǎng)問(wèn)它;另外32MB的L3 Cache可被兩個(gè)內核通過(guò)80GB/s的帶寬訪(fǎng)問(wèn);POWER 6還通過(guò)ViVA-2(VirtualVector Architecture)技術(shù)提高了向量處理性能;支持最多1024個(gè)虛擬分區也是POWER 6的新特點(diǎn)(POWER 5最多支持256個(gè)分區)。POWER 6特有的10進(jìn)制運算寄存器、指令可以使它在計算時(shí)不會(huì )產(chǎn)生2-10進(jìn)制轉換誤差，同時(shí)也提高了運算速度。POWER 6包括一些額外的電路去支持Mainframe的指令，開(kāi)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(kāi)發(fā)階段，預計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，晶體管數量達到了12億，核心面積567mm2，從這里可以明顯看出Power7的與眾不同，作為對比，同樣八核心的Nehalem-EX具有23億個(gè)晶體管，整整多了一倍。