IBM Power系列服务器处理器全了解

　　大家知道，自从20世纪70年代RISC (Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算)技术推出以来，高性能微处理器设计的中心从半导体厂商转向了系统厂商。

      由于其优化的指令系统带来的运算速度的提高等优势，使得RISC技术在80年代后期，逐渐在高端服务器和工作站领域中取代了CISC (Complex Instruction Set Computing，复杂指令集计算)成为主流的微处理器设计架构之一(见下表)。

　　随着RISC架构的提出，各个具备一定技术实力的厂家开始在这个架构的基础上研发出自己的处理器，经过近二十年的发展，生产芯片的厂家经历了各种分分合合，到目前为止，我们见到的主流RISC芯片主要有PowerPC、SPARC、PA-RISC、MIPS等，这些芯片分别由重要的服务器厂商用来作为其高端服务器产品和工作站的核心。几乎无一例外地，各种大型计算机和超级服务器都采用RISC架构的处理器，RISC处理器已经逐渐成为高性能计算机的代名词，这也就是我们平时所指的Unix服务器阵营。

　　本文主要介绍服务器CPU之一 ——IBM的Power系列CPU。

　　IBM，即国际商业机器公司，1914年创建于美国，是世界上最大的信息工业跨国公司，目前拥有全球雇员20多万人，业务遍及150多个国家和地区。

　　IBM拥有综合先进技术与结构的全系列产品，包括新一代基于CMOS的并行企业服务器、首次采用64位RISC技术的AS/400高级系列、基于高性能PowerPC604微处理器的新RS/6000系列以及广泛的软件和网络产品等。在复杂的网络管理、系统管理、密集型事务处理、庞大数据库、强大的可伸缩服务器、系统集成等方面，IBM具有强大的优势。

　　PowerPC 中的 PC 代表 performance computing。PowerPC 源自于 POWER 体系结构，在 1993 年首次引入。与IBM 801 类似，PowerPC 从一开始设计就是要在各种计算机上运行:从靠电池驱动的手持设备到超级计算机和大型机。

　　20世纪90年代，IBM、Apple和Motorola共同开发了PowerPC，这款RISC架构的芯片的主要特点是可伸缩性好、方便灵活。第一代PowerPC代号为601，采用了0.6微米的生产工艺，晶体管的集成度接近300万个。1998年，铜芯片问世，开创了一个新的历史纪元。2000年，IBM开始大批推出采用铜芯片的产品，如RS/6000的X80系列服务器产品等。铜技术的诞生使CPU的生产工艺达到了0.2微米的水平，单芯片集成度达到2亿，大大提高了服务器产品的运算性能。

　　PowerPC 600 系列

　　PowerPC 601 是第一代 PowerPC 系列中的第一个芯片。它是 POWER 和 PowerPC 体系结构之间的桥梁，其与 POWER1 的兼容性比以后的 PowerPC 都要好(甚至比 POWER 同一系列的芯片还要好)，同时它还兼容 Motorola 88110 总线。PowerPC 601 的首次面世是在 1994 年最早的 PowerMac 6100 中，其主频为 66 Mhz。

      这条产品线中的下一个芯片是 603，它是一个低端的核心，通常在汽车中可以找到。它与 PowerPC 603 同时发布，当时 PowerPC 604 是业界最高端的芯片。603 和 604 都有一个“e”版本(603e 和 604e)，该版本中对性能进行了改善。最后，第一个 64 位的 PowerPC 芯片，也是很高端的 PowerPC 620 于 1995 年发布。

　　PowerPC 700 系列

　　首次面世是在 1998 年，PowerPC 740 和 PowerPC 750 与 604e 非常类似 ，有些人会说他们是同一个 600/700 系列的成员。PowerPC 750 是世界上第一个基于铜的微处理器，当它用于 Apple 计算机时，通常称为 G3。它很快就被 G4(或称为 Motorola 7400)所取代了。32 位的 PowerPC 750FX 在 2002 年发布时其速度就达到了 1GHz，这在业界引起一片哗然。IBM 随之在 2003 年又发布了 750GX，它带有 1MB 的 L2 缓存，速度是 1GHz，功耗大约是 7 瓦。

　　PowerPC 900 系列

　　64 位的 PowerPC 970，这是 POWER4 的一个单核心版本，可以同时处理 200 条指令，其速度可以超过 2GHz，而功耗不过几十瓦。低功耗的优势使其一方面成为笔记本和其他便携式系统的宠儿，另一方面又成为大型服务器和存储设备的首选品。它 64 位的处理能力和单指令多数据(SIMD)单元可以加速计算密集型的应用，例如多媒体和图形。这种芯片用于 Apple 的桌面系统、Xserve 服务器、图像系统以及日益增长的网络系统中。Apple Xerve G5 是第一个装备 PowerPC 970FX 的机器，这是第一个采用应变硅和绝缘硅技术制造的芯片，可以只需更低的功耗就实现更高的速度。

　　PowerPC 400

　　这是 PowerPC 处理器中的嵌入式系列产品。PowerPC 的灵活性体系结构可以实现很多的专用系统，但是从来没有其他地方会像 400 系列一样灵活。从机顶盒到 IBM 的“蓝色基因”超级计算机，到处都可以看到它的身影。在这个系列的一端是 PowerPC 405EP，每个嵌入式处理器只需要 1 瓦的功耗就可以实现 200 MHz 的主频;而另一端是基于铜技术的 800 MHz 的 PowerPC 440 系列，它可以提供业界最高端的嵌入式处理器。

      每个子系列都可以专用，例如，PowerPC 440GX 的双千兆以太网和 TCP/IP 负载加速可以减少报文密集型应用对 CPU 的占用率 50% 以上。大量的产品都是在对 PowerPC 400 系列的核心进行高度修改而构建的，其中“蓝色基因”超级计算机就在每个芯片中采用了两个 PowerPC 440 处理器和两个 FP(浮点)核心。

　　POWER 是 Power Optimization With Enhanced RISC 的缩写，是 IBM 的很多服务器、工作站和超级计算机的主要处理器。POWER 芯片起源于 801 CPU，是第二代 RISC 处理器。POWER 芯片在 1990 年被 RS 或 RISC System/6000 UNIX 工作站 (现在称为 eServer 和 pSeries)采用，POWER 的产品有 POWER1、POWER2、POWER3、POWER4，现在最高端的是 POWER5。POWER5 处理器是目前单个芯片中性能最好的芯片。

　　801 的设计非常简单。但是由于所有的指令都必须在一个时钟周期内完成，因此其浮点运算和超量计算(并行处理)能力很差。POWER 体系结构就着重于解决这个问题。POWER 芯片采用了 100 多条指令，是非常优秀的一个 RISC 体系结构。下面对每种 POWER 芯片简单进行一下介绍:

　　POWER1

　　发布于 1990 年，每个芯片中集成了 800,000 个晶体管。与当时其他的 RISC 处理器不同，POWER1 进行了功能划分，这为这种功能强大的芯片赋予了超量计算的能力。它还有单独的浮点寄存器，可以适应从低端到高端的 UNIX 工作站。最初的 POWER1 芯片实际上是在一个主板上的几个芯片;后来很快就变成一个 RSC(RISC 单一芯片)，其中集成了 100 多万个晶体管。POWER1 微处理器的 RSC 实现被火星探险任务用作中央处理器，它也是后来 PowerPC 产品线的先驱。

　　POWER2

　　发布于 1993 年，一直使用到 1998 年:每个芯片中集成了 1500 万个晶体管。POWER2 芯片中新加了第二个浮点处理单元(FPU)和更多缓存。PSSC 超级芯片是 POWER2 这种 8 芯片体系结构的一种单片实现，使用这种芯片配置的一个 32 节点的 IBM 深蓝超级计算机在 1997 年击败了国际象棋冠军 Garry Kasparov。

　　POWER3

　　发布于 1998 年，每个芯片中集成了 1500 万个晶体管。第一个 64 位对称多处理器(SMP)，POWER3 完全兼容原来的 POWER 指令集，也可以与 PowerPC 指令集很好地兼容。POWER3 设计用来从事从太空探测到天气预报方面的科技计算应用。它特有一个数据预取引擎，无阻塞的交叉数据缓存，双浮点执行单元，以及其他一些很好的设计。POWER3-II 使用铜作为连接介质重新实现了 POWER3，这样以相同的价格可以获得两倍的性能。

　　POWER4

　　发布于 2001 年，每个芯片中集成了 1 亿 7400 万个晶体管。采用 0.18 微米的铜和 SoI(绝缘硅)技术，POWER4 是目前市场上单个芯片功能最强大的芯片。POWER4 继承了 POWER3 芯片的所有优点(包括与 PowerPC 指令集的兼容性)，但是采用的却是全新的设计。每个处理器都有 2 个 64 位的 1GHz+ 的PowerPC 核心，这是第一个单板上具有多核心设计的服务器处理器(也称为“片上 CMP”或“片上服务器”)。每个处理器都可以并行执行 200 条指令。POWER4+(也称为 POWER4-II)功能与之类似，但是主频更高，功耗更低。现在，1GHz的Power4处理器已经推出，该产品率先采用0.11微米工艺，晶体管集成度达到1.7亿。

　　POWER5

　　于2004 年4月发布。与 POWER3 和 POWER4 芯片类似，POWER5 是 POWER 和 PowerPC 体系结构的一种综合体。这种芯片具有很多特性，例如通信加速、芯片多处理器、同步多线程等等，新研发的POWER 5微处理器是一款新一代的64位微处理器，它除了在性能方面得到明显提高外，在可扩展性、灵活性和可靠性方面也有所加强。基于Power 4及Power 4+的设计，POWER 5增加了并发多线程能力(SMT)，可以将一个处理器转变为两个处理器，从而允许一个芯片同时运行两个应用，由此大大降低了完成一项任务所需要的时间。一个POWER5系统最终将支持多达64个处理器，这样从软件运行角度来看，就好像是128个处理器在工作。

　　POWER5芯片具有27,600万个晶体管，比最初的POWER4芯片(具有17,400万个晶体管)多10,000万个。 芯片面积为389平方毫米，包括2313个信号I/O和3057个电源I/O。 POWER5的设计是IBM系统设计师、芯片架构设计师、软件工程师和技术人员紧密协作的成果。它所采用的基础技术有效保证了IBM eServer服务器在占用更小的空间(通过逻辑分区实现)的条件下为客户提供更高的性能。

　　Power处理器及高端RISC服务器如下:

　　Power4和Power5特性的对比如下:

　　POWER5和Itanium及Opteron规格对比如下:

　　说明:Power系列处理器的未来路线图----现在占市场主流的是Power4，今年推出Power5，2005年是速度更快的Power5+;2006年和2007年将推出Power6和Power6+;2008年推出Power7，之后是Power7+。系统方面也随之升级，从AIX 的4.3版本到5.1、5.2，一直到今天的5.3版本。

　　下面是 IBM 在半导体领域所取得的最新突破:

　　铜介质

　　半导体业界一直有梦想能使用铜作为介质，这样可以获得比铝好 40% 以上的电流传输效率。但是直到最近制造流程才实现了这个目标。让我们从 Edison 的笔记本中翻出一页:IBM 的研究人员使用钨来生产基于铜的芯片，其速度比铝快 25倍到 30倍。科技界采用了这种技术，通常称之为 CMOS XS (其中 X 是一个数字)。

　　low-k 绝缘体

　　这种技术使用 SiLK 来防止铜线“串扰”，SiLK 是来自 Dow Chemical 的一种商业材料。

　　硅锗合金(SiGe)

　　在二极管芯片制造中用来代替功耗更高的砷化镓，SiGe 可以显著地改善操作频率、电流、噪音和电源容量。

　　绝缘硅(SoI)

　　在硅表面之间放上很薄的一层绝缘体，可以防止晶体管的“电子效应”，这样可以实现更高的性能和更低的功耗。

　　应变硅

　　这种技术对硅进行拉伸，从而加速电子在芯片内的流动，不用进行小型化就可以提高性能和降低功耗。如果与绝缘硅技术一起使用，应变硅技术可以更大程度地提高性能并降低功耗。

　　作者点评:在最近 10 年中，IBM 在半导体领域实现了一个又一个的突破:铜技术，绝缘硅，硅锗合金，应变硅和 low-k 绝缘体，这些新技术给它的服务器CPU发展奠定了扎实的基础。IBM的Power结构体系为广泛的处理器提供了技术基础，包括IBM的高端服务器芯片，以及到为计算机，服务器，手持设备和网络产品设计的PowerPC处理器。

　　Power4处理器主要用于高端Unix服务器，Power5处理器用途更加广泛，可用于刀片式服务器。分区的功能也得到了改善，Power4处理器允许将分区设置为单个处理器的大小，Power5处理器允许进行数百个分区。目前POWER5由于很好地解决了自身的发热问题，使得应用范围可以延伸到从低端到高端的所有系列服务器当中，中小企业无疑将成为最大的受益者。

　　随着POWER5的发布，该产品将直接面对Itanium2和Opteron的市场竞争，IBM则认为:“POWER5绝对比Itanium-2更有效率。至于Opteron，经过power5在缓存和核心结构的成功改良，没人能够阻挡POWER5的进攻”。

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