处理器系列之什么是PowerPC

嵌入式系统 时间:2018-01-12来源:网络

  8核5GHz RISC处理器新代表IBM Power7+

  在服务器市场,代表开放性架构的x86服务器尽管在销量上可占到总体的80%,但市场分额只能保持在50%上下,原因在于企业关键业务上,小型机向来都是首选。小型机,一种介于PC服务器和大型机之间的高性能计算机,一般认为,传统小型机是指采用RISC、MIPS等专用处理器,主要支持UNIX操作系统的封闭、专用的计算机系统,所以又称RISC服务器或Unix服务器。不久前,IBM发布了其最新的RISC处理器Power7+。

  IBM在8月底的时候公布的Power7+处理器结构,同时还发布了采用Power7+的大型机zEnterprise EC12,现在采用Power7+处理器的服务器也将在10月3号首次问世,Power7+作为32nm制程工艺的IBM最新Power架构处理器,有8个核芯,主频超过5GHz。

  自从1993年Power1问世以来,Power架构已经有将近20年的历史。基本上是每三年更新一代,IBM也凭借着Power架构处理器,逐渐开拓Unix服务器市场。

  凭借这Power架构处理器这柄利器,IBM在Unix服务器(小型机)市场的华山论剑中力拔头筹。下图是权威咨询机构IDC 09年5月公布的关于小型机市场份额的数据图。

  从图中我们可以清楚的看到随着Power4/5/6的发布,IBM的份额是节节高升。曾长期占据主导地位的Sun和惠普现在被IBM超过,根据权威咨询机构Gartner和IDC的统计数据,2009年第三季度,IBM在Unix服务器市场占据40%的份额,其次分别是惠普(30%)和Sun(不少于25%)。IBM、HP和Sun在小型机市场形成了三国鼎立之势。

  凭借着Power架构系列处理器的强劲表现,IBM在小型机上超过了曾长期占据主导地位的惠普和Sun。>>

  8月28号,在硅谷举行的Hot Chips 24 芯片大会上,IBM芯片领域的专家介绍了Power架构的最新一代处理器8核Power7+。IBM zEC12采用的IBM Power 7+处理器,主频高达5.5GHz,而核心数也确定为6个。

  最新的Power7+处理器采用的是32nm制程工艺,8核芯架构,此次Power7+处理器的发布,吻合了IBM Power架构处理器每三年更新一代,且在两代之间的X+发布的规律。

  此前的Power7是在2010年2月8号发布的,IBM在纽约正式发布其Power7处理器。

  典型的Power7处理器是单晶片的,具有八个核心,另外也提供4核与6核型号。晶体管数量为12亿,核心面积567mm2。采用的是IBM的45nmSOI铜互联工艺制程。

  Power7处理器共有三级缓存,同时还集成了两个四通道DDR3内存控制器,持续内存带宽100GB/s,每个通道的速度为6.4Gbps,最大可以访问32GB(使用两根16GB内存条)。Power7处理器最大可以访问256GB。SMP带宽360GB/s,整个芯片总带宽高达590GB/s。

  从Power7到Power7+,最大的变化在于制程工艺从45nm提升到了32nm,在向上扩展(scale up)和向外扩展(scale out)上都有提升。

  向上扩展上,虽然Power7+还是和Power7一样是8核芯架构,但是主频提高了不少,虽然IBM没有正式给出Power7+的主频数据,但是由于制程工艺从之前的45nm提升到32nm,有专业人士分析称Power7+的主频相比Power7提升了25%左右。大部分Power7处理器的主频在3GHz到4GHz,而据报道称Power7+处理器的主频则是在5GHz以上,之前有消息称应用在IBM最新大型机的Power7+主频高达5.5GHz。

  除了在主频上的提升外,Power7+的L3缓存有提升,是Power7的2.5倍,此前Power7处理器中8个核芯共享25MB的三级缓存。在Power7+中,共享的L3缓存增加到了80MB,大约是此前的2.5倍。

  而在横向的向外扩展上,Power7+注重了带宽上的考虑,此前在Power7处理器中,有一个QCM(quad-chip module)模式,就是将4个8核芯的Power7封装在在一起,而在Power7+中,同样有这种模式,只不过将原来封装在一起的四个处理器改为了两个,也就是DCM(dual-chip module)模式。

  这种将多个处理器封装在一起的好处是能够提供高系统I/O带宽。提供系统等的性能。从上图对比可以,单处理器的Power7+相比于Power7性能上有30%左右的提升,而DCM模式的Power7+相比于Power7则是有接近50%的性能提升。>>

  首批采用Power7+处理器的是IBM大型机zEnterprise EC12,而不久前,IBM宣布将会在10月3日发布采用Power7+的RISC服务器。

  目前IBM的RISC服务器采用的处理器多为Power7。IBM实际上在2011年2就宣布停产Power6和Power6+处理器,基于这些处理器的产品也将陆续停止出售。

  在2006年2月的国际固态电路会议(ISSCC)上,IBM 公布了Power6处理器,那年10月的微处理器论坛和次年2月的ISSCC上披露了更多细节,最终在07年5月24日于北京召开的“Power6大突破,创"芯"世界”新闻发布会上正式发布了这款取代Power5+的新一代处理器。

  有小幅改进的Power6+处理器是在2009年4月正式公布的,但实际上在08年10月发布的Power 560和570系统已经运用了Power6+处理器。从Power3起,IBM每三年发布新一代的Power处理器,而在这三年中间又会发布X+处理器,Power7于2010年2月正式发布,Power7+处理器则是在2012年9月发布。

  Power 7+ 派生处理器

  第一个PowerPC处理器PowerPC 601,基本上是一个部份基本指令用微码模拟的RSC处理器,采用了Motorola 88000为基础的总线设计。这允许IBM在许多任务作站机器上使用这个处理器,只需要更换主板。自此 PowerPC和POWER架构有些许分岐,但大部份在指令层级仍然保持兼容。

  使用在太空应用的抗辐射设计RAD6000处理器是一个POWER/RSC的派生架构。

  IBM RS64家族处理器根基于PowerPC(因此也包括POWER),使用在RS/6000和AS/400产品线。它对商用工作优化,没有POWER产品线应有的浮点运算。它被POWER4取代。

  IBM Gekko处理器是修改过的PowerPC 750CXe,使用在任天堂Gamecube。任天堂的Wii使用更新的Gekko,Broadway。

  Cell处理器也是从POWER架构派生。它具有一个复杂的多线程超标量核心,和称作SPE (Synergistic Processing Elements)的八个独立矢量处理器核心。这个处理器支撑了Sony的Playstation 3、Toshiba的数字电视系统,和IBM的高性能电脑。

  微软最新一代的游戏主机Xbox 360使用一个循序运行的三核Xenon处理器,它基于PowerPC,拥有修改过的矢量单元,时钟频率3.2 GHz。

  Star系列处理器,是Power PC架构的另一种技术实现,与POWER系列非常类似。由于此系列的各种CPU代号都有Star或者用某一颗星的名字来命名,因此被称为Star系列。

  1.RS64

  1997年发布,代号为“Apache”。

  这 一系列使用Power PC处理器设计,继承了大量POWER架构的特点,但为了商业运算进行了特别优化,与POWER 3相比,其中包括指令分支预测、浮点意外处理、硬件预取等功能被取消,而取而代之的是整形计算意外处理、复杂的片内/片外缓存算法、更大的缓存容量。 RS64的设计可以支持64位处理,在2000年发布的RS64 IV中采用了硬件多线程技术,单台服务器最多可以扩展到24颗CPU,消耗的功耗也非常少,每个处理器只有15瓦。此款CPU开始用于AS/400(即后 来的iSeries),从RS 64 II起,才用于RS/6000(pSeries)。

  这种设计使得RS64芯片比较适用于在线交易 (On-Line Transaction Processing,OLTP)、企业资源计划系统(Enterprise Resource Planning,ERP),以及其他大型、混合的多功能、数据库访问、多用户、多进程的业务。不过在实际使用的过程中,发现其计算速度稍有欠缺,可能是 RS64 CPU的主频都很低,典型的几款服务器主频只有100MHz左右,对于商业智能(Business Intelligence,BI)和科学计算一类的应用,性能不佳。

  2.RS64 II

  1998年发布,代号为:“Northstar”(北方之星)。

  该CPU拥有8MB L2 Cache,256位的数据总线,262MHz主频。装配此款CPU的服务器可以支持最多三个CPU板,每个CPU板装载4路CPU,这样可以使RS/6000服务器具有4路、8路、12路的SMP结构。

  3.RS64 III

  1999年发布,代号为:“Pulsar”(脉冲星)。

  第 一款使用硅绝缘的RS64芯片,通过6个CPU 卡可以实现24路SMP结构。由于此款CPU主频提高到450MHz,使用优化的指令分支预取技术避免了跳转惩罚(或只需要额外1个时钟周期),5级流水 线等技术,CPU处理性能大幅度提高。IBM用此款服务器装配了RS/6000的80系列(H80,M80,S80服务器)。

  4.RS64 IV

  2001发布,代号为:Istar,SStar

  第一款支持硬件多线程的商用处理器,比以前同系列的CPU更快,更小。600-750MHz的主频,硬件多线程技术(HMT)使得此CPU具有不错的市场表现。另外每个CPU仅消耗15W的功率也使得用此CPU装配的服务器无需特别的电源、散热系统。

  由于市场对于商业和计算环境的混合需求,使得IBM重新整合了POWER系列和Power PC系列处理器,最终设计了POWER 4处理器。Star系列也最后完成了历史使命。

  Power PC系列,是从POWER架构发展出来的一个分支,最早在1993年发布,用于从单板机、电池电源管理到超级计算机和Mainframe主机。Power PC最早登上主角的地位是从作为Power Macintosh 6100的CPU开始的。

  众所周知,Power PC开始与苹果、摩托罗拉和IBM联盟(被称为AIM联盟),是源自于POWER架构的设计,但进行了大量的改动。例如,Power PC是open-endian设计,即同时支持大尾段(big-endian)和小尾段(little-endian)内存模式,而POWER 是大尾段设计;Power PC希望提供更强的浮点处理能力和多线程处理能力。所以这两种类型的CPU并没有太大的差别,Power PC保留了绝大部分POWER指令,许多应用只要重新编译,就可以分别在两个平台上运行。

  当IBM和摩托罗拉分别自己设计芯片的时候,依然遵循统一的标准。在2000年,大家使用的是Book E spec,这个设计实现使Power PC能更专注于嵌入式处理系统,例如网络、存储和家用设施的处理器。

  除了兼容之外,Power PC的架构的另一个亮点是开放,它公开了指令集,允许任何厂商设计Power PC的兼容处理器、Power PC的一些软件的源代码也可以下载到,Power PC的内核也非常小,可以在同一芯片上安置许多其他的辅助电路,例如缓存、协处理器,大大增加了芯片的灵活性。

  IBM四条服务器产品线中有两条都与Power PC架构有关,另外苹果公司的台式机和服务器、任天堂的GameCube,IBM自己的蓝色基因超级计算机都使用了PowerPC芯片。

  今天,Power PC家族有三条产品线,分别是嵌入式的Power PC 400系列,Power PC 700和Power PC 900系列。从历史上看,还有一款Power PC 600系列最值得关注,因为它具有非常好的性能。

  1.Power PC 600系列

  Power PC 601是Power PC 600系列中的第一款,它综合了POWER和Power PC架构的特点,并且尽量保持与POWER 1和随后的其他Power PC芯片的兼容性(即使是同一系列的芯片,也存在兼容性问题),甚至与摩托罗拉的88110兼容。苹果公司用Power PC 601在1994年制造了Power Mac 6100,66 MHz CPU主频。此系列下一个芯片是603,低端、低功耗的处理器,大量使用在汽车上。与Power PC 603®同日登场的还有PowerPC 604®,是更强大的处理器,随之的是“加强版”的603e和604e。在此之后,第一款64位Power PC——Power PC 620®在1995年被发布。

  2.Power PC 700系列

  在 1998年,出现了Power PC 740和Power PC 750,与604e非常相像,甚至一些人说600/700两个系列根本就是一回事。Power PC 750是第一款铜导线处理器,苹果公司用它生产了G3,但很快就被G4所取代,使用的是摩托罗拉7400。在2002年发布的32位的Power PC 750FX曾经震惊业界,因为它是第一款达到1GHz主频的处理器,IBM在2003年紧跟着推出了750GX,集成了1MB片上二级缓存,也是1GHz 主频,大约7瓦功耗。

  3.Power PC 900系列

  64位的Power PC 970,实际上是单处理器内核的POWER 4,可以同时执行200条指令,最高达到2 GHz以上的主频,而仅仅消耗十数瓦的电力。低功耗使它被大量用于笔记本电脑和手持设备上,还有一些高密度的存储、服务器(例如刀片中心)也在使用它。 64位处理能力,单指令多数据流设计使它更适合于多媒体、图形处理。苹果公司的台式机、Xserve服务器,以及其他一些图形、网络设备,都在使用这款处 理器。例如苹果Xserve G5就使用了Power PC 970FX,也是第一款同时使用了应变硅、硅绝缘两项技术的芯片。

  4.Power PC 400 系列

  这 一款芯片主要用于嵌入式系统,但Power PC灵活的架构使它可以被用于从机顶盒这样的小设备到蓝色基因超级计算机。在产品线的一端,Power PC 405EP在200MHz主频仅消耗1瓦的电力,而铜导线的Power PC 440在800 MHz主频可以提供同类型嵌入式芯片中最高的性能。这款芯片也有许多旁支,例如利用Power PC 440GX的双Gigabit Ethernet和TCP/IP加速功能可以降低网络应用程序50%以上的负载。围绕Power PC 400内核,有许多具体实现,用于建造蓝色基因超级计算机的处理芯片就是包含了两个Power PC 440处理器内核和两个浮点处理内核。

  Power PC 400系列被IBM转让给AMCC,发展成为PowerPC 405 Family、PowerPC 440 Family、PowerPC 460 Family 3大系列。

  Freescale PowerPC系列

  Freescale公司提供了数量众多的含集成化外设的PowerPC处理器,目前在网络设备市场取得了非常可观的成功。目前Freescale公司已经调整其PowerPC产品策略,将其划分成3个主要市场:网络设备、汽车电子(MPC5xx系列)和工业控制。

  Freescale PowerPC在通讯领域的成功,很可能要归功于PowerQUICC,这也是IBM的PowerPC和Freescale 的PowerPC的最重要的区别。1993年,摩托罗拉半导体事业部(飞思卡尔半导体前身)在充分理解通信系统应用的基础上,生产了第一颗包含QUICC(Quad Integrated Communications Controller)的芯片--MC68360。此时,QUICC实际上是一颗独立的处理器。1994年,摩托罗拉半导体事业部的工程师开始把MC68360的QUICC和PowerPC内核结合,将集成了QUICC的PowerPC处理器称为PowerQUICC,并将其中的QUICC处理模块称为CPM。

  1995年,MPC860芯片面市,标志着一个通信处理器时代的开始。这颗芯片实现了作为控制中心的PowerPC处理器和作为数据处理中心的CPM的分离,采用了数据通路和控制通路分开的思想。

  此后PowerQUICC系列芯片也一路升级,从PowerQUICC I到PowerQUICC II,再到PowerQUICC III和PowerQUICC II pro。目前,Freescale 将CPM升级为QE(QUICC Engine)。

  伴随PowerQUICC的升级,Freescale PowerPC内核也在升级。

  603内核系列:MPC850、MPC860、MPC875、MPC885等,目前是最低端的Freescale PowerPC处理器。这类PowerPC处理器没有包含SDRAM接口,用户必须使用MPC860提供的UPM(USER Programmable Machines)配置成SDRAM接口。603内核配合PowerQUICC I。

  603E内核系列:MPC8250、MPC8260、MPC8272等。从PowerPC内核的角度看,603到603E的升级不大,主要是MMU上,此外包含了SDRAM控制器。603E内核配合PowerQUICC II。

  E300内核系列:MPC8349、MPC8347、MPC8360等。E300系列与603E系列结构基本一致,在处理器内核上的修改不多。QE最先在MPC8360上实现,此外支持DDR SDRAM接口。E300内核配合PowerQUICC II pro。

  E500内核系列: 包括MPC8540、MPC8560、MPC8548等。E500内核共有V1 、V2两个版本。V1版本和V2版本的最大区别在于MMU。基于E500内核的PowerPC处理器是Freescale高端处理器的发展方向。E500 内核和603E有很大的不同,只有指令系统是兼容的,其他内核组件都不相同。E500内核支持DDR SDRAM,RapidIO和千兆以太网接口。E500内核配合PowerQUICC III。

  E600内核系列:也称为G4,包括MPC7410,MPC7447,MPC7448,MPC8641等。与IBM的Power 700系列的最大不同在于G4系列支持AltiVec结构。这类处理器也是Apple用于MAC机的芯片。

  E700系列:支持64位的PowerPC结构,开发中(最新消息不明,怀疑被放弃).

  飞思卡尔 QorIQ通信平台是飞思卡尔的 PowerQUICC通信处理器的下一代演进产品,包含一个或者更多个核,一共有5个不同的产品平台。按照功能和性能,分为 P1, P2, P3, P4 和P5,同老的PowerPC产品保持软件兼容,例如PowerQUICC平台。

  QorIQ 商标和P1、P2、P4产品家族在2008年6月被公布,P3和P5平台的细节尚未公开。所有的QorIQ处理器基于 e500 or e5500 核心。P10xx 和 P20xx 系列基于e500v2 核心,P340xx 和P40xx 系列基于 e500mc 核心,P50xx 则基于e5500 核心。

  P1系列

  P1系列被设计用于网关、以太网交换机、无线局域网接入点和通用控制目的。P1系列属于入门级,运行在400到800MHz,用于替代PowerQUICC II Pro 和PowerQUICC III平台。P1系列封装成689个引脚,同P2系列兼容。

  P1011 -包含一个800MHze500核心,256 kB L2 cache,4个SerDes lanes,3个吉比特以太网控制器,以及一个用于老实电话的时分复用引擎(TDM engine) 。

  P1020 –包含2个800 MHz e500 核心,256 kB shared L2 cache, 4个SerDes lanes,3个吉比特以太网控制器,一个 TDM engine.

  P2系列

  P2系列设计用于网络、电信、军工的广泛应用。能运行在-40 到 125 °C,特别适合苛刻条件下的应用。P2系列属于中端产品,运行在800Mhz到1.2GHz,用于替代PowerQUICC II Pro 和PowerQUICC III平台。

  P2010 – 包含1个 1.2 GHz 核心

  P2020 – 包含2个 1.2 GHz 核心, shared L2 cache

  P3系列

  P3 系列设计属于中端产品,用于交换机和路由器。P3系列提供了一个多核平台,支持4个e500mc核心,每个核心频率能达到1.5 GHz。P3系列拥有1.3 GHz 64-bit DDR3内存控制器,18个SerDes lanes,以及用于数据包操作和调度、正则表达式、RAID、安全、加密和RapidIO的硬件加速器。

  P3系列的多个核心能够运行在对称模式和非对称模式,意味着多个核心可以一起或者非别引导运行操作系统。

  P3041 - 4个1.5 GHz 核心,每个核心128 kB L2 cache ,1个1.3 GHz 64-bit DDR3 内存控制器,45纳米技术和仅有12w的功率。

  P4系列

  P4系列属于高端产品,用于核心网或者企业级交换机、路由器。提供极限多核平台,支持8个e500mc核心 ,每一个核达到1.5 GHz。

  P4080 –包含8个e500mc核心,每个核心有32/32kB instruction/data L1 caches以及1个a 128 kB L2 cache。包含2个1 MB L3 caches,每一个连接到64-bit DDR2/DDR3 内存控制器。

  P5系列

  P5系列基于高性能64-bit e5500 核心,频率提高到2.5 GHz 。

  P5010 - 一个e5500 2.2 GHz核心, 1 MB L3 cache, 1个DDR3 controller,45 nm 工艺,功率30W.

  P5020 - 两个e5500 2.2 GHz核心, 2个1 MB L3 caches, 2个DDR3 controllers, 45 nm 工艺,功率30W.

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关键词: 处理器 PowerPC

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