IBM POWER微处理器

title: 历史.
title: IBM 801计划.
content: 公元1974年,IBM开始了一个计划,目标是创造一个至少可处理每秒300路通话的大型电话交换网络。预想中每路通话需要20000个指令来处理,以达到即时回应,因此需要一个速度为12 MIPS的处理器。这在当时是很有野心的需求,但他们认知到,并不需要如同时期处理器那样的复杂设计,因为这部机器只需要处理I/O,分歧、暂存器加法、在暂存器和内存间搬移资料,不需要用来处理大量数学运算的特殊指令。  复杂运算的每个步骤,都可以简单的指令来取代,而所有的简单指令,都在同样的时间内完成。这个精简设计的理念,后来成为人们所熟知的RISC。  公元1975年,这个电话交换计划在还没有原型之前,就被中止了。然而,由计划第一年中模拟所得到的估计来看,为这个计划所设计的处理器将会是个很有潜力的通用型处理器,因此后续工作在汤玛斯·华生研究中心的801号楼继续进行,也就是801计划。
title: 1982 Research Project“Cheetah”.
content: 为了判断RISC机器是否能同时处理多个指令,或"801"的设计需要哪些修改,来制造拥有多个执行单元的"801",在华生研究中心的两年中,探索了"801"设计的超纯量极限。例如使用多个运算单元实作"801"的设计来增进效能,这与先前在IBM System/360 Model 91和CDC 6600上的作法类似。  "Cheetah"拥有个别的分歧、整数及小数点执行单元。在"801"上作了许多改变以容许多重执行单元的设计。  "Cheetah"原本计划使用Bipolar ECL制程,但在1984年CMOS已经可提供积体电路整合,同时增进晶体管逻辑效能。
title: The America Project.
content: 1985年,华生研究中心开始了第二世代RISC架构的研究,成果是"AMERICA架构"。1986年,IBM以这个架构为基础,在奥斯汀开始开发RS/6000系列。
title: POWER and RS/6000.
content: 1990年2月,第一部采用POWER架构的IBM电脑被称作"RISC System/6000"或RS/6000。RS/6000分成工作站和服务器两个等级,分别称作POWERstation和POWERserver。RS/6000的中央处理器有两种组态,分别称作RIOS-1和RIOS.9(更常被称作"POWER" CPU)。RIOS-1有11个芯片 - 一个指令快取芯片、整数芯片、浮点数芯片、四个资料快取芯片、储存控制芯片、两个I/O芯片、和一个时钟芯片。较低成本的RIOS.9有8个芯片 - 一个指令快取芯片、整数芯片、浮点数芯片、两个资料快取芯片、储存控制芯片、一个I/O芯片、和一个时钟芯片。  单芯片的RIOS, RSC(RISC Single Chip的缩写),是为了较低阶的RS/6000开发出来的。第一部使用RSC的机器在1992年推出。
title: Amazon.
content: 1990年亚马逊计划启动,目标是创造一个可以使用AIX和OS/400的共通架构。IBM的AS/400工程团队当时正在设计一个RISC指令集,用来取代既存AS/400电脑的CISC指令集。原始的设计是从既有的"IMPI"指令集衍生而来,扩展为六十四位元,增加一些RISC指令以加速那些原本在AS/400上执行,较需求计算能力的商业应用。IBM曾想让他们使用PowerPC,但他们抗命不从,争辩说现有的32/64位元PowerPC指令集无法执行OS/400,也需要扩充以执行AS/400上的商业应用。最后,开发出"Amazon"这个PowerPC的指令集延伸。  同时,RS/6000的开发者正大幅扩充产品线,延伸到低阶工作站,大型对称式处理(SMP)系统,和丛集式的RS/6000-SP2系统。AIM联盟开发出来的PowerPC很适合低阶工作站和小型服务器。但大型主机和大型丛集式系统需要的效能和可靠性(RAS)特性,比专为Apple PowerMac设计的处理器更多。多处理器功能需要同时符合PowerMac注重的成本需求、RS/6000系统的效能和可靠性需求、以及AS/400到PowerPC的转换需求。  亚马逊再度扩充支援这些特性,以设计出可同时使用在RS/6000和AS/400的处理器。  第一个开发这种处理器的计划是「参宿五」(Bellatrix,猎户座的其中一颗星)。参宿五计划在广泛使用时脉电路、和EDA工具来支援设计工作上相当具有野心,最终被中止。为满足技术工作站、超级电脑、和工程、科学市场,IBM奥斯汀(RS/6000的诞生地)开始同时开发能及时上市的单芯片版本Power2 (P2SC),和拥有POWER2延伸、两个复杂MAF浮点单元的精密64位元PowerPC处理器(POWER3/630)。为满足RS/6000的商业应用和AS/400系统,IBM Rochester(AS/400的诞生地)开始开发第一个有AS/400延伸的高阶64位元PowerPC处理器。IBM Endicott也开始开发拥有AS/400延伸的低阶PowerPC处理器。  AS/400所使用的高阶多芯片处理器A25/30 "Muskie",和单芯片处理器A10 "Cobra"在1995年亮相。  1997年,在IBM Endicott研究中心开发的"Apache"处理器发表。使用在RS/6000上时它被称作RS64。后续型号也使用在AS/400上。
title: POWER2.
content: 在AIM联盟1991年成立的两年之前,IBM已在德州奥斯汀开始Power1后继者POWER2的开发。尽管因AIM联盟而分散了资源,POWER2从开始到出货还是花了五年。POWER2在1993年11月公布时,因加入第二个整数、浮点运算单元和其他效能改进,在效能处于领先地位。  指令集也加入了新指令:  为支援RS/6000和RS/6000 SP2产品线,在AIM联盟外,IBM以自家的设计团队,和当时最先进的CMOS-6s制程,实作了单芯片的POWER2, P2SC (POWER2 Super Chip)。P2SC在一个巨大的芯片上,结合了所有个别的指令快取,整数、浮点、储存控制、和资料快取芯片。在推出的当时,P2SC是业界最大、晶体管数最多的处理器。它也领先在处理器上内建内存控制器。尽管芯片尺寸、复杂度和先进CMOS制程的挑战艰巨,它第一次tape-out即能上市,而且在公布的当时具有领先的浮点运算效能。P2SC是1997年打败棋王Gary Kasparov的IBM深蓝超级电脑所采用的处理器。因具有两个精密的MAF浮点运算单元和宽且低延迟的内存界面,P2SC主要瞄准工程和科学应用。P2SC后来被拥有64位元、对称式处理能力、第二阶快取,且能完整移植到PowerPC的Power3/630所取代。
title: PowerPC.
content: 1991年,IBM了解到如果将芯片卖给其他系统制造商,也许能将POWER变成一个大量生产的架构。他们和苹果公司紧密合作,目标是开发一整个家族以POWER为基础的单芯片微处理器。当时苹果公司是摩托罗拉在桌上型微处理器等级的最大客户,因和摩托罗拉长久以来的关系,他们大量生产微处理器的经验,和保有第二来源的理由,不久苹果公司就征询摩托罗拉加入讨论。这个三方合作以德州奥斯汀为基地,后来成为知名的AIM联盟,也就是Apple, IBM,和Motorola。  两年的开发之后,在1993年,从POWER架构修改而来的PowerPC架构诞生了。PowerPC架构加入了单精度浮点运算指令,和通用暂存器间的乘法和除法指令,移除了一些POWER的特性,像是使用MQ暂存器的乘法和除法指令。它也在架构中加入了64位元的延伸和SMP的支援。  第一个PowerPC芯片是PowerPC 601。更多资讯请参考PowerPC页面。
title: POWER3.
content: IBM在1998年引介了POWER3。它实作了64位元POWER指令集,包括所有(在当时是)选择性的指令集,也拥有两个浮点运算单元,三个整数运算单元,和两个存储单元。后续所有的POWER处理器都实作了完整的64位元PowerPC和POWER指令,因此IBM不再有只实作POWER或POWER2的处理器。
title: POWER4.
content: 2001年IBM引介了第一个GIGA系列的处理器,POWER4。它是个完全64位元的处理器,实作了完整的64位元指令集,同时也拥有AS/400延伸,同时使用在RS/6000和AS/400系统上,取代POWER3和RS64处理器。当时有个叫作PowerPC 2.00的指令集发布。在这个指令集上加入了一些延伸,像是带一个参数的mfcr指令。
title: POWER5.
content: 2004年IBM介绍了POWER5处理器。它是个拥有两个核心的多核心处理器,支援两个执行绪的并行多执行绪(SMT),因此它实作了四个逻辑处理器。多个POWER5处理器透过ViVA "虚拟向量架构"可结合在一起当成一个向量处理器。POWER5在指令集架构中加入了更多指令。  POWER5+ 在ISA 2.02版时又加入了更多指令。
title: POWER6.
content: POWER6在2007年5月21日公开。它为POWER系列加入了VMX。它也引入了从POWER3到POWER4的转移以来最大的改变,第二代的ViVA, ViVA-2。它是双核心设计,以65奈米制程达到了4.7 GHz。它拥有非常先进的芯片间通讯技术。它的功耗几乎和前一代的POWER5相等,而能提供两倍的效能。
title: POWER7.
content: POWER7是Peta系列的第一个处理器。在2010年发布,已被美国国防先进研究计划局选为他们Peta-FLOPS等级超级电脑的候选之一。200x年初期,IBM送交了他们的计划书,从DARPA得到五千三百万美元以继续参与这个挑战。2006年IBM收到两亿四千四百万用来为DARPA建造一台Peta-FLOPS电脑。 IBM在2008年完工的使用PowerXCell 8i 3.2 Ghz芯片的Roadrunner超级计算机已经达到了Peta-FLOPS级的计算能力。
title: POWER9.
content: 相较于前一代的POWER8处理器,POWER9提升4倍的带宽,相较于Intel x86处理器,带来9.5倍的I/O带宽,内存支援容量为2.6倍,高效能核心数量提升2倍,内存带宽则是1.8倍。首款采用POWER9的服务器Power Systems AC922也同时亮相。
title: POWER10.
content: POWER10采用7纳米制程,支援NVLink 3。
title: 衍生的处理器.
content: 第一个PowerPC处理器PowerPC 601,基本上是一个部分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在许多工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,但大部分在指令层级仍然保持相容。  使用在太空应用的抗辐射设计RAD6000处理器是一个POWER/RSC的衍生架构。  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。它对商用工作最佳化,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架构衍生。它具有一个复杂的多线程超纯量核心,和称作SPE (Synergistic Processing Elements)的八个独立向量处理器核心。这个处理器支撑了Sony的Playstation 3、Toshiba的数字电视系统,和IBM的高效能电脑。  微软的游戏主机Xbox 360使用一个循序执行的三核Xenon处理器,它基于PowerPC,拥有修改过的向量单元,时脉3.2 GHz。

Summary: 英语:IBM POWER是RISC处理器的一种,由IBM设计,全称为“英语:Performance Optimization With Enhanced RISC”,《IBM Connect电子报》2007年8月号译为「增强RISC性能优化」。POWER系列微处理器在不少IBM服务器、超级电脑、小型电脑及工作站中,广泛作为主CPU使用。而PowerPC架构也是源自POWER架构,并应用在苹果电脑的麦金塔电脑及部分IBM的工作站,以及各式各样的嵌入式系统上。此外,IBM透过Power.org网站,向其他开发者及制造商推广POWER架构及其他衍生产品。

IBM POWER: POWER est une famille de processeurs de type RISC construits par IBM. Le nom est l'acronyme de "Performance Optimization With Enhanced RISC". Les processeurs POWER sont utilisés dans des serveurs et stations de travail d'IBM ainsi que dans certains supercalculateurs. L'architecture PowerPC, utilisée principalement dans les stations de travail IBM, les ordinateurs Apple (jusqu'en 2005) et des consoles de jeux (GameCube, Wii, Xbox 360, PlayStation 3 et Wii U), dérive de l'architecture POWER. Descendant directement des processeurs 801, le POWER fait partie de la deuxième génération de processeurs RISC. Il fut introduit en 1990 dans les stations de travail RS/6000 ("RISC System") d'IBM. Contrairement au 801 à architecture très simple (une seule instruction par cycle, pas d'unité de calcul en virgule flottante ni d'architecture superscalaire), l'architecture POWER comporte plus de 100 instructions différentes.