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。
本文主要介绍服务器CPU之一 ——IBM的Power系列CPU。
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。
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
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。
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
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”。