Cell (微處理器)

Cell 微處理器架構（Cell Broadband Engine Architecture，通常簡稱 Cell BE 或 CBEA）由索尼、索尼電腦娛樂、東芝、國際商業機器（IBM）公司聯合開發。它是以 RISC 指令體系的 Power 架構為基礎來設計的，並具有高時脈頻率、高執行效率等特點。主要應用於 PlayStation 3 和刀鋒伺服器之上。而 CELL 處理器的第二代版本，提高了雙精度浮點運算效能。以往的 CELL 處理器，雙精度的效能只有單精度的十分之一。而新的 CELL 處理器，可以使到雙精度效能有五倍的提升。

發展歷史

Peter Hofstee, Cell 微處理器的主要架構設計師之一。

在 2000 年年中，索尼電腦娛樂，東芝公司和 IBM 結成一個被稱為「STI」的聯盟，用以設計和製造的處理器。

STI 設計中心於 2001 年 3 月開業。Cell 使用 POWER4 處理器的設計工具的增強版本，其設計期間為期四年。有三家公司超過 400 名的工程師一起在奧斯汀工作，並有 11 個 IBM 設計中心的重要支援。在此期間，IBM 提出了 Cell 架構，製造工藝和軟體環境有關的多項專利。早期專利版本的 Broadband Engine 被證實是一個晶片封裝，包括 “處理單元（Processing Elements）”，這是該專利的描述，是目前已知的 Power Processing Element（PPE）。目前在 Broadband Engine 晶片上，每個 “處理單元” 包含 8 個加速處理單元，而它被簡稱為 SPE。

2007 年 3 月，IBM 將 Cell 微處理器由第一代產品的 90 奈米製程推進到 65 奈米製程，由位於美國紐約州 East Fishkill 的 12 吋晶圓廠展開 65 奈米製程 Cell 微處理器的生產。製程推進到 65 奈米之後，Cell 的晶片面積與耗電量將可進一步壓低，有利於數位家電等相關應用的發展。

2008 年 2 月，IBM 宣佈該公司將開始製造的 45 奈米制程的 Cell 處理器。2009 年 8 月，輕薄版 PlayStation 3－PS3 Slim 同時採用 45 奈米 Cell 處理器。

2008 年 5 月，IBM 推出了高效能的的雙精度浮點版本的 Cell 處理器，以 65 奈米為主要尺寸的 PowerXCell 8i。

2008 年 5 月，以一個 Opteron 處理器和 PowerXCell 8i 為基礎的超級電腦，IBM 走鵑系統，成為世界上第一個達成 PetaFLOPS 的系統，它當時是世界上最快的電腦，而此紀錄一直維持到 2009 年第 3 季。

2009 年，IBM 於 SC09 高效能計算會議上宣佈，放棄基於 Cell 架構處理器的開發，Cell 架構及設計理念將融合到 IBM 的其他處理器產品中。該公司原計劃開發 PowerXCell-8i 處理器的後續產品，內含雙 PowerPC 處理器核心，並設定了 32 個 SPE 單元的下一代 Cell 處理器將已被取消。

概要

Cell 包含 9 個核心：1 個 64 位的控制核心和 8 個完全一樣的 SPE 運算核心。
擁有 2 億 5 千萬個電晶體（DD2 量產版）。核心面積為 235 平方毫米，採用 IBM 的 SOI 90 奈米銅互連工藝製造，在此之後採用 65 奈米工藝製造。
首批工程樣品工作頻率為 4.06 GHz，工作電壓 1.1 伏特；此後有 4.6 GHz。
每秒可進行 2560 億次浮點計算（256 GFlops）。
支援網格運算，具備靈活的並行、分散式的計算結構。

2005 年 8 月 25 日，IBM、SONY、SCEI 與東芝等 4 家公司正式公開「Cell」，該次所公佈的規格資料參考檔案，共分為 5 份，包括 1 份說明 Cell 基於分散式處理與多媒體應用所定義的整體架構，另外 4 份則是關於 Cell 獨立浮點數運算單元 SPU 的指令集架構，低階組合語言，高階 C/C++ 程式語言擴充規格，以及應用程式二進位介面（Application Binary Interface）的規格書與說明檔案。

Cell 結合了通用的 Power Architecture 核心，適中的效能與流線型的協處理器，大大加快多媒體和向量處理的應用程式，以及許多其他形式的專用計算。

2.1 處理器架構

PPE 可以作為資源管理使用，SPE 可以作為資料處理器使用。PPE 上的程式可以將任務分解到 SPE 上完成，然後相互傳輸資料。SPE 缺少一般處理器中的大部分通用特性，它們根本不能執行常見的作業系統任務，沒有虛擬記憶體的支援，不能直接訪問計算機的 RAM，中斷支援也非常有限。將 SPE、PPE 和主存控制器連線在一起的是一個名為 Element Interconnect Bus 的匯流排，這是資料傳輸的主要通道。

2.1.1 PPE

Power Processor Element（簡稱為 PPE）：PPE 包含一個 64 位元雙執行緒 PowerPC 結構的 RISC 核心，並支援 PowerPC 的虛擬記憶體子系統。它具有 32KB 的 L1 指令快取，以及一個 32 KB 資料快取，以及 512 KB L2 的共用快取。Cell 中的 PPE 包含 VMX 指令集（Vector Multimedia eXtensions：AltiVec 技術）。

2.1.2 SPE

Synergistic Processing Elements，簡稱 SPE。每個 SPE 包括：

一個向量處理器，稱為 Synergistic Processing Unit，或 SPU
SPU 中的一個私有記憶體區域，稱為本地儲存（PS3 上這個區域的大小是 256K）
用來聯絡外部世界的一組通訊通道
一組 128 個暫存器，每個 128 位寬（每個暫存器通常都可以用來同時儲存 4 個 32 位的值）
一個記憶體流控制器（MFC），它負責管理 SPU 的本地儲存和主存之間的 DMA 傳輸

2.1.3 EIB

Element Interconnect Bus（簡稱 EIB）：透過該匯流排，每個 DMA 控制器取得與 SPE 相關的指令和資料。DMA 控制器也將結果送到通用匯流排，使其可輸出到晶片外，以傳送給晶片上的週邊裝置或 PPE 快取記憶體。PPE 可意識到 SPE 所傳輸的資料，但 SPE 則完全不知道毗鄰的任何流量；這將保持 SPE 的簡易性，並限制在其執行時的中斷或不必要的影響，如果 SPE 需要知道外部資料的變化，其各自的 DMA 控制器便負責擷取資訊。

2.1.4 記憶體與 I/O 控制器

Cell BE 內建 2.5 兆位元組記憶體，透過 Rambus 的 XDR 和 FlexIO 技術，每秒可與外部記憶體交換 100 吉位元組 Gbytes 的資料。XDR 記憶體控制器介面 (XIO) 為 72 位元寬，可以在 3.2Gbps 資料速率下運作並提供 25.6GB/s 的總記憶體頻寬。

2.2 PowerXCell 8i

2008 年，IBM 公佈了經修訂的變種 Cell，它被稱作 PowerXCell 8i，並從 IBM 的刀鋒伺服器 QS22 開始採用。花費超過一億美元的 走鵑 是世界第一臺 Linpack 達成 1 petaflops 的超級電腦，採用雙核 AMD Opteron 加上 PowerXCell 8i 處理器混合為一個節點的設計，走鵑共有 6563 顆雙核的 AMD Opteron，以及 12240 顆 IBM PowerXCell 8i。國際超級電腦大會發布的綠色超級電腦 500 大（Green500）名單，IBM 的 PowerXCell 8i 獨佔前 3 名及 5 至 7 名，該排名以平均每瓦電力每秒所提供的浮點運算能力 (MFLOPS/W) 為基準。除了 QS22 和超級電腦，PowerXCell 也被做成一張 PCI-E 介面的加速處理器，並在 QPACE 專案作為核心處理器。

商業化

3.1 PS3

STI 將 Cell 應用於高畫質數位影音家電、遊樂器、電腦繪圖、科學運算等領域，其中以 SCE 所推出的 PS3 主機為相關應用中最受矚目、規模也最為龐大的產品。第一代的 Cell 微處理器將具備 1 個 PPE 微處理器核心，與 8 個 SPE 協同處理器（保留 1 個 SPE 作為備援，實際可用的 SPE 為 7 個），由 2.5 億電晶體所構成，PS3 則採用時脈 3.2GHz 的版本。

3.2 SpursEngine

東芝推出基於 CELL 的輔助處理器，名為 SpursEngine。這與真正的 CELL 處理器不同，它只有 1 個 PPE 和 4 個 SPE 核心，但額外增加了 MPEG-2 和 H.264 的硬體編解碼器。它可以用來加速圖片和影片播放（包括 MPEG-2 和 H.264），並有自己的 XDR 記憶體。介面方面，可以採用 PCI-E x1 或者 x4。東芝的平板電視都會採用相關的處理器，將標清解析度插值至 1080p。並同時進行細節修補，改善色彩，邊緣銳利化等工作。麗臺已推出採用 SpursEngine 晶片的加速卡，用作協助電腦作影像編輯。

3.3 家用電視

東芝公司推出 Cell TV，它能把 2D 畫面轉換成 3D。Cell T 還可升級數位視訊，甚至補強畫素，強化低品質的串流，並測知房間的燈光，調整螢幕的顯示品質。Cell TV 尚有內建攝影機、麥克風與軟體，可以撥打網路視訊電話。這是東芝以 Cell 為核心開發的首款產品，重點顯然是將電視機作為一個範例，用來說明硬體和軟體工程師能夠合力開發出什麼樣的產品。例如：利用 Cell 電視機的連網功能建立一種商業模式，這款電視機顯然可以成為一大批付費服務的載體。