Power Architecture

Power Architecture（パワーアーキテクチャ）は、IBMなどによるRISCマイクロプロセッサ（CPU）用のアーキテクチャ名である。

当初は32ビットであったが、後に64ビット化された。Power Architectureの普及団体はPower.orgで40を超える企業や組織が参加している。Power Architectureをベースにしたプロセッサには、POWER、PowerPC、PowerQUICC、Cellなどがある。

「Power Architecture」は、IBMの以前の世代の用語である「POWER architectures」とは異なる。「POWER architectures」は、IBMのPOWER、PowerPC、Cellなどの全製品の各アーキテクチャを幅広く含んだ、過去の用語である。「Power Architecture」は、プロセッサーアーキテクチャ、ソフトウェア、ツールチェーン、コミュニティ、エンドユーザー用アプライアンスなどを含んだファミリーネーム（総称）であり、製品や技術の仕様を記述した厳密な用語ではない。

 用語 
混同し易い用語を以下に簡単に記載する。
 用語 説明POWERPerformance Optimization With Enhanced RISCの略。IBMにより設計されたマイクロプロセッサのアーキテクチャ。PowerPCPower Performance Computingの略。POWERから派生した32/64ビットの命令セットを持つ、シングルチップのマイクロプロセッサで、いくつかの新しい要素を含む。AIM連合と呼ばれるApple・IBM・モトローラにより設計された。PowerPC-ASPowerPC-Advanced Seriesの略。コードネームは「Amazon」。PowerPCの純粋な64ビットの派生で、POWER2仕様のいくつかの要素を含む。IBMのRS64ファミリープロセッサとして使用された。 POWERn「n」には自然数が入る。IBMが製造するハイエンドのマイクロプロセッサのシリーズで、POWER、PowerPC、PowerPC-ASなどの命令セットとは異なった組み合わせが使われている。 CellCell Broadband Engine Architecture（CBEA）の略。IBM、ソニー、東芝が設計したPower Architectureベースのマイクロプロセッサである。 Power ArchitecturePOWER、PowerPC、Cellなどや、ソフトウェア、ツールチェーン、エンドユーザー機器などを指す幅広い用語。当記事で説明する。 Power ISA 最新のPOWERおよびPowerPCの命令セットを結合した、新しい命令セット。IBMとフリースケールにより設計された。

 歴史 

RISC的なコンピュータは古くからあるが、一般にはパターソンのバークレーRISC（:en:Berkeley RISC）とヘネシーのMIPS（R2000）からRISCの歴史は始まるものとされる。しかし、それに先行するIBMの801が、彼らに大きな影響を与えている。IBMは801からの派生であるROMPを完成させ、IBM RT-PCに使った。そして、RS/6000のCPUに向けて開発されたのが、Power Architectureであり、最初のPOWERであるPOWER1である。POWER1のシングルチップ向け機能削減版がRISC Single Chip（RSC）である。

1992年にはApple・IBM・モトローラが「AIM連合」を形成し、POWERプロセッサの幅広い市場向けバージョンを開発した。その結果はPOWERアーキテクチャの修正されたバージョンである、PowerPCアーキテクチャとなった。PowerPCの最初の実装は1993年のPowerPC 601で、RSCをベースとし、アップルのPower MacintoshやIBMのRS/6000システムで使用された。

IBMはPOWERアーキテクチャをRS/6000システム用に拡張し、1993年には8チップのPOWER2プロセッサが、更に1996年にはシングルチップバージョンの "POWER2 Super Chip"（P2SC）が登場した。

1990年代の初期にIBMはCISCベースのAS/400コンピュータの、RISCアーキテクチャへの移行を検討した。この新アーキテクチャ開発はコードネーム "Amazon" と呼ばれ、PowerPC-ASが生まれた（このプロジェクトで働くエンジニアの中では "Advanced Series" または "Amazon Series" とも呼ばれた）。PowerPC-ASは、RSCベースのマルチプロセッサのサーバープラットフォームとなった。IBMリサーチ研究所での開発は続けられ、64プロセッサ内部接続のサポートのためのRSCの拡張や、POWER2機能に対するAS/400やRS/6000機能の追加などが行われた。開発は終了して64ビットのA10およびA30プロセッサとなり1995年に発表され、1997年にはRS64系列となりAS/400およびRS/6000で使用された。

平行してAIM連合は1995年から1997年にかけてPowerPCの開発を進め、以下の第2世代PowerPCプロセッサをリリースした。
PowerPC 602 - セットトップボックスやゲーム機用
PowerPC 603 - 組み込み市場や携帯コンピュータ用
PowerPC 604 - ワークステーション用
PowerPC 620 - サーバー用の64ビットの高性能プロセッサ

602と620は広く普及しなかったが、603と604およびその後継は、それぞれの市場で非常に普及した。モトローラとIBMはまた、組み込み用の実装で使われたPowerPC拡張の "Book E" を作成した  。この実装にはモトローラのPowerQUICCプロセッサや、IBMのPowerPC 400ファミリーがある。

AIM連合の最後の努力は第3世代PowerPC（G3）で、1997年のPowerPC 750である。その後はモトローラとIBMはPowerPCアーキテクチャの開発で別の道に分かれた。このG3プロセッサは、コンピュータと組み込みの両方の市場で広く使われ、IBMはその後の数年、750 ファミリーの進化を続行した。しかしモトローラはPowerPCのSoC とPowerPC 7400で組み込み市場にフォーカスし、それを第4世代PowerPC（G4）と呼んだ。このプロセッサはAltiVecとSIMDユニットを取り入れた。この "PowerPC G4" は1999年に登場し、AppleのMacintoshや、通信市場の色々な企業に使用された。

1998年に登場したPOWER3は、PowerPCとPOWER2のアーキテクチャを統合したが、IBMのRS/6000サーバーでしか使われなかった。

2000年にはPowerPC-ASアーキテクチャの最後の実装であるRS64-IVが登場し、AS/400とRS/6000で使用された。（これらのサーバーは、その後 eServer iSeries と eServer pSeries と改名され、更に Power Systemsに統合された。）IBMはまた、任天堂のゲーム機であるニンテンドー ゲームキューブ用に、PowerPC 750CXeベースのGekkoを提供した。またIBMは実験的な64ビットPowerPCプロセッサであるRivinaを開発し、1GHzを超える最初のマイクロプロセッサとなった。

2001年にIBMは、PowerPC-ASとPOWER3を統合し置き換えるPOWER4を発表した。

2002年にアップルは新しいハイエンドのPowerPCを強く要望し、IBMに64ビットのPowerPC 970を開発させた。アップルはこれを第5世代PowerPC（G5）と呼んだ。PowerPC 970はPOWER4から派生し、いくつかのサーバー用機能が外されたが、AltiVecと互換性のあるIBM独自のVMX拡張命令ユニット持っていた。PowerPC 970とその後継は、アップルやIBMやいくつかのハイエンドの組み込みアプリケーションで使われた。

2003年にはTundraがモトローラから、マイクロコントローラのPowerPC 100ファミリーを買収した。また2003年には、CulturecomがIBMから、V-Dragon プロセッサに関するPowerPCテクノロジーのライセンスを取得した。2004年にはモトローラが半導体部門を、新会社であるフリースケール・セミコンダクタに分離した。

2004年にIBMから発表されたPOWER5は、POWER4の進化版であった。2005年には改良版のPOWER5+が登場し、PowerPC仕様書はv.2.01に更新され、更に v.2.02 に更新された。また2004年には、AMCCがIBMから、PowerPC 400ファミリーに関する知的財産権のライセンスとスタッフを取得した。モトローラはフリースケールとなったが、PowerPCファミリーのe200、e300、e500、e600、そして将来の64ビットのe700を発表した。同年には、IBMと15の他の会社により、Powerアーキテクチャに関する製品開発を推進する使命を持った組織である、Power.orgが設立された。その目的はPowerアーキテクチャテクノロジーの開発、実現、および推進である。

2005年には、IBM、ソニー、東芝の共同開発4年目にてCellプロセッサの仕様書がリリースされた。この第一の用途はPlayStation 3である。Cellは1つの64ビットのPowerアーキテクチャコアと、SPEsと呼ばれる8つの独立したSIMDを持つ。IBMはまた、マイクロソフトのXbox 360用に3コアの64ビットプロセッサであるXenon-processorを提供した。任天堂も前世代に引き続き32ビットのPowerPCベースとなるBroadwayプロセッサをWiiに採用したため、奇しくも第7世代のゲーム機の3つ全てがIBMのPowerアーキテクチャプロセッサを採用することになった。なお、PlayStationシリーズおよびXboxシリーズは次の第8世代、任天堂も第9世代には他アーキテクチャへ移行しており、現代ではPowerアーキテクチャを採用したゲーム機は存在しない。

2007年3月にIBMは、ハイエンドのマイクロプロセッサで5.0GHzまでスピードアップでき、POWER5より倍の性能を持つPOWER6を発表した。POWER6はPOWERシリーズにVMX(Vector Multimedia Extension)拡張命令ユニットと、DFU（10進数演算をサポートするFPU）を追加した。

2010年2月8日に POWER7 を発表。 Vector Scalar Extension (VSX)拡張命令ユニット追加、プロセスルール45nm。

2012年10月に POWER7+ を発表。プロセスルール32nm。

2014年4月に POWER8 を発表。プロセスルール22nm。

2017年12月にPOWER9を発表。プロセスルール14nm。FinFET SOI

2019年8月にPOWER9 Advanced I/Oを発表。

2022年2月にPOWER10を発表。プロセスルール7nm。

 実装例 
 プロセッサ 
IBM
POWER、PowerPC
ソニー、SCE、IBM、東芝
Cell Broadband Engine
Freescale 
PowerQUICC、QorIQ
Xilinx 
Virtex FPGA 
Culturecom
V-Dragon
クレイ
SeaStar、SeaStar2、SeaStar+ 通信プロセッサ（スーパーコンピュータのCray XT3、XT4、XT5で使用）

 システム 
 スーパーコンピュータ
 IBM ディープ・ブルー、Blue Gene、Summit、Sierra
 QPACE（量子色力学演算用、PowerXCell 8iプロセッサベース）
 メインフレーム
 日立 AP7000（OSはVOS1/LS、VOSK/LS）
 サーバー
 IBM System p、System i、Power Systems
 MercuryのCell BE、PowerPCベースのコンピュータ
 ソニー ZEGO
Google Zaius
 パーソナルコンピュータ
 Apple Power Macintosh、Power Mac、インテル以前のiMac・iBook・PowerBook
 Genesi Pegasos、Open Desktop Workstation、EFIKA（PowerPCベース）
 ゲーム機
 ピピンアットマーク（ハードウェアとOSの設計はアップル）
 任天堂 ゲームキューブ、Wii、Wii U
 マイクロソフト Xbox 360
 ソニー・コンピュータエンタテインメント PlayStation 3
その他
 ACube Systems Sam440ep（マザーボード）
 TiVoシリーズ 1 DVR
 BAEシステムズ RAD6000、RAD750（宇宙機器）
 シスコシステムズのルーター
 その他、多数の会社によるプリンタ、自動車、航空機、宇宙機器、医療画像、通信機器、セットトップボックスなど

 オペレーティングシステム 
Power Architecture版が現在存在する、あるいは過去に存在したオペレーティングシステムには以下がある。
 Linux
Yellow Dog Linux
MkLinux現在はPower Architecture版の対応中止
 NetBSD、OpenBSD、FreeBSD、OpenDarwin
 Classic Mac OSオペレーティングシステムが開発中止, Mac OS X
 OS/2、AIX、i5/OS
 Solaris、OpenSolaris
 Windows NT
 Plan 9
 BeOS
 OS-9
 eCos
 INTEGRITY
 uC/OS-II
 VxWorks
 QNX
 LynxOS
 OSE
 MorphOS
 AmigaOS 4

 脚注 

 外部リンク 
 27 years of IBM RISC
 POWER to the people – A history of chipmaking at IBM
 Power Architecture Primer
 PowerPC transition to Power Architecture Guidelines
 Power.org
 IBM's Power Architecture site
 Freescale's Power Architecture site
 AMCC's PowerPC site
 Mercury's Cell BE site
 Tundra's homepage
 P.A. Semi's homepage
  Culturecom's V-Dragon site
 Genesi's homepage
 Linux/PPC homepage

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