处理器系列之什么是PowerPC

二十世纪九十年代，IBM(国际商用机器公司)、Apple（苹果公司）和Motorola（摩托罗拉）公司开发PowerPC芯片成功，并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。第一代PowerPC采用0.6微米的生产工艺，晶体管的集成度达到单芯片300万个。

 

随着PowerPC的 发展，使用PowerPC构架的处理器已经形成了庞大的家族，在通信、工控、航天国防等要求高性能和高可靠性的领域得到广泛应用，是一颗“贵族的芯片”。 目前几乎没有什么中文资料详细阐述PowerPC家族谱系，实在是一件遗憾的事。本文就给初学者简介PowerPC家族。

 

 

要阐述清楚PowerPC的发展不是一件容易的事情，光是“PowerPC”这个词，就很容易被搞混，尤其是IBM注册了一系列相关的商标。比如Power 、Power PC、PowerPC 这三个词的含义就不止3种，需要工程师聪明的头脑才能区分它们。一般情况下的PowerPC，指的是使用PowerPC指令集的处理器。

 

二十世纪九十年代，IBM(国际商用机器公司)、Apple（苹果公司）和Motorola（摩托罗拉）公司共同开发PowerPC处理器。

 

 

PowerPC，最初的含义却不是Power，而是Performance Optimized With Enhanced RISC；PC指的是Performance Computing。

 

目前，主流的PowerPC处理器制造商有IBM、Freescale™ Semiconductor（原摩托罗拉半导体部）、AMCC、LSI等。其中以IBM和Freescale的PowerPC处理器最为流行。本文就以这两家公司的PowerPC处理器为基础，展开讲述PowerPC家族。

 

IBM的PowerPC家族

IBM目前共有3个主要的PowerPC处理系列：Power、Power PC和CELL。POWER，POWER PC中间，还有一个Star系列。

 

POWER系列CPU 从1990开始生产、装备到RS/6000（即RISC System/6000）UNIX工作站和服务器上，现在被称为eServer™ pSeries®服务器（最新的名称是POWER System p系列），主要的型号有POWER 1，POWER 2™，POWER 3™，POWER 4™，POWER 4+，以及目前的POWER 5，POWER 5+和刚刚推出的POWER 6处理器。

 

最早的801是POWER系列处理器的前身，它的设计非常简单，为了实现所有的指令都能在一个时钟周期内完成，因此缺乏浮点运算和并行处理能力，POWER架构为了解决这个问题，或者说超越801的限制，增加到了100多条指令，成为一种很“复杂”的精简指令集CPU。

 

1．POWER 1 

发布于1990年，每个芯片大约封装了80万个晶体管。

 

与 当时其他的处理器不同，POWER 1进行了功能分区，这种设计方案使POWER 1具有非常好的扩展能力，它有单独的浮点寄存器，可以适用于从低端UNIX工作站到高端UNIX服务器各种环境。最早的POWER 1是安装在同一母板上的几个芯片的组合，不过很快就集成到一个芯片中，成为单芯片设计，总计拥有超过一百万个晶体管的RISC处理器（RSC，RISC Single Chip，即单芯片的RISC处理器）。POWER 1最成功的应用是被用于火星探路者宇宙飞船上。

 

2．POWER 2 

发布于1993年，每个芯片封装了一千五百万个晶体管。 

 

POWER 2增加了第二个浮点单元处理（floating-point unit，FPU）和更多的缓存。被称为P2SC（Power 2 Scalable Chip）的超级芯片使用CMOS-6S技术，用一个芯片实现了POWER2 8个内核的架构（从这里你可以看到其实在1993年IBM就已经开始了多核芯片的设计，其实如果囊括大型机，在20世纪80年代，就有了多核的概念），就 是使用这种处理器的32个节点的DEEP BLUE（深蓝）超级计算机，在1997年战胜了国际象棋冠军卡斯帕罗夫。

 

3．POWER 3

发布于1998年，每个芯片封装了一千五百万个晶体管。 

 

这 是IBM第一款64位对称多处理器结构（SMP），与原有的POWER指令集完全兼容，也兼容Power PC指令集，主要用于科学计算，从航空设计、生物制药数据分析到天气预测。它具有一个数据预取引擎，非阻塞的内置数据缓存和双浮点处理单元。POWER 3-II采用与POWER 3相同的设计，在制造芯片时使用了铜导线技术，在几乎相同的价格制造成本下，提高了一倍的性能。

 

4．POWER 4

发布于2001年，每个芯片封装了一亿七千四百万个晶体管。 

 

这 是一款达到GHz主频的处理器，0.18微米铜导线，硅绝缘技术。它具有POWER 3的全部特性，包括与Power PC指令集兼容，但它又是全新的设计，每个处理器包含两个64位1GHz+ Power PC内核，这是业界第一款批量生产的单芯片双核设计，又被称为单芯片对称多处理设计（multicore design on a single die，SMP on a chip，或者system on a chip），每个处理器可以同时执行200条指令。POWER 4架构可以制造IBM Regatta（即p690）大型服务器，也被用来设计Power PC 970处理器（在苹果公司被称为Apple G5）。POWER 4+™（又被称为POWER 4-II）是POWER 4主频升级的提高版。POWER 4 CPU支持了分区技术，可以将芯片切分成多个单元，运行不同的操作系统。

 

5．POWER 5 ™

2004 年发布，与POWER 3和POWER 4类似，POWER 5同时使用了POWER和Power PC架构，利用了更快的片内通信技术、芯片多处理技术、同时多线程技术（simultaneous multithreading，SMT，一个物理CPU内核可以模拟两个逻辑CPU，如果两个线程的工作内容相差较大，则使用SMT技术性能最高可以达到 单个CPU方式执行的1.5~1.7倍），比POWER 4性能提高了4倍。POWER 5的高端服务器代号为“骑兵队”（“Squadrons”，IBM希望此CPU能如同骑士马队冲锋一样横扫UNIX服务器市场，结果似乎应验了设计者的期 望）。在POWER 5上支持了微分区（Advanced Virtualization）的功能，可以将一个处理器内核虚拟切分成多个处理器，供操作系统使用，最小的分配粒度为0.1个CPU，共享使用粒度是 1/100个CPU。在2006年，IBM推出了主频提高，封装变化的POWER 5，被称为POWER 5+，最高主频为2.2GHz。

 

6．POWER 6 ™

在 2007年5月发布，目前最高主频4.7GHz，最高明年将有超过5GHz主频的版本。片内集成度约为7亿5千万个晶体管。POWER 6将一些总线控制和CPU内核之间的数据通道集成进单一芯片，与POWER 5相比，增加了更多的CPU内核间通信机制和Cache。POWER 6比较有特点的技术是可以直接支持10进制数字处理，这是计算机史上的一次回归，我们从十进制转到二进制以便于计算机处理，而如今，计算机芯片设计已经足 够先进，让我们可以不再去适应机器，而是让机器适应我们的需求。

 

POWER 6其他的技术包括双核，128KB的L1 Cache（数据、指令各64KB），8条两阶流水线支持在一个时钟周期完成两组32位读或一组64位写操作；两个内核各有4MB“半共享”的L2 Cache，虽然它被一个内核占据，但另一个内核也可以快速访问它；另外32MB的L3 Cache可被两个内核通过80GB/s的带宽访问；POWER 6还通过ViVA-2（VirtualVector Architecture）技术提高了向量处理性能；支持最多1024个虚拟分区也是POWER 6的新特点（POWER 5最多支持256个分区）。POWER 6特有的10进制运算寄存器、指令可以使它在计算时不会产生2-10进制转换误差，同时也提高了运算速度。POWER 6包括一些额外的电路去支持Mainframe的指令，开始了整合z系列的实践，而POWER 6L则是“简化”版的芯片，降低了主频，可以用于刀片服务器。

在生产POWER 6的同时，POWER 7也处于紧张开发阶段，预计2012年面世。

 

IBM Power 7处理器采用了IBM的45nm SOI铜互联工艺制程，典型的Power 7处理器具有八个核心，提供4核、6核、8核心型号，晶体管数量达到了12亿，核心面积567mm2，从这里可以明显看出Power7的与众不同，作为对比，同样八核心的Nehalem-EX具有23亿个晶体管，整整多了一倍。