PowerPC

<image>

PowerPC（Performance Optimization With Enhanced RISC – Performance Computing，有時簡稱PPC）是一種精簡指令集（RISC）的指令集架構 ISA（Instruction set architecture），其基本的設計源自IBM的POWER（Performance Optimized With Enhanced RISC）架構。

## 歷史

1991年，Apple、IBM、Motorola組成AIM聯盟，意欲發展一泛用的微處理器架構，其成果即為PowerPC。PowerPC架構基礎來自於1990年隨RISC System/6000推出的IBM POWER架構，而POWER架構又是從早期的RISC架構（比如IBM 801）與MIPS架構的處理器得到靈感的。PowerPC架構的特點是可伸縮性好、方便靈活。第一代PowerPC採用0.6微米製程，電晶體約為單晶片280萬個。

以PowerPC架構發展出來的第一個晶片是1993年推出的PowerPC 601，而IBM以PowerPC 601推出了RS/6000 POWERstation 250工作站，蘋果電腦則推出第一代的PowerMacintosh。

1998年，銅晶片問世。

2000年，IBM開始大批推出採用銅晶片的產品，如RS/6000的X80系列產品。銅製程取代了已經沿用了30年的鋁製程，使矽晶片多CPU的生產工藝達到了0.2微米的水平，單晶片整合了2億個電晶體，大大提高了運算性能；而1.8V的低電壓操作（原為2.5V）大大降低了晶片的耗能，容易散熱，從而大大提高了系統的穩定性。

但除了蘋果公司的麥金塔電腦以外，使用PowerPC處理器的個人電腦很少，而自2005年起，麥金塔也轉用Intel x86。

## PowerPC處理器

### PowerPC 601至PowerPC603e

601｜601v｜602｜603｜603e｜604

時脈（MHz）｜50至80｜100｜66｜50至80｜100｜100至133

工作電壓（v）｜3.6｜2.5｜3.3｜3.3｜3.3

功率消耗（w）｜10（80 MHz）｜6｜1.2｜3（80 MHz）｜3.5｜17.5

製程（micrometer）｜0.6｜0.5｜0.5｜0.5｜0.5｜0.5

晶片大小（mm2）｜120｜74｜50｜120｜98｜197

電晶體數｜280萬｜280萬｜100萬｜160萬｜260萬｜360萬

快取大小（KB）｜共用32｜共用32｜資料、指令各4｜資料、指令各8｜資料、指令各16｜資料、指令各16

匯流排｜位址32位元，資料64位元｜位址32位元，資料64位元｜位址32位元，資料64位元｜位址32位元，資料32或64位元｜位址32位元，資料32或64位元｜位址32位元，資料32或64位元

SPECint92｜85（80 MHz）｜105｜40｜75（80 MHz）｜120｜200（133MHz）

SPECfp92｜105（80 MHz）｜125｜85（80 MHz）｜105｜200（133MHz）

### PowerPC 604e

<image>

PowerPC 604e 於 1996 年 7 月推出，改進了記憶體子系統與分支預測，而記憶體匯流排時脈為66MHz，有 510 萬個電晶體，採用 0.35 μm CMOS 製造，晶片大小為 148 平方毫米或 96 平方毫米，工作時脈為166至233 MHz，在 233 MHz 時功率消耗為 16-18 W。與前代產品相比，性能提高了 25%。

#### PowerPC 604ev "Mach5"

PowerPC 604ev、604r （或稱「Mach 5」）於 1997 年 8 月推出，是製程改進為 0.25 μm CMOS的PowerPC 604e，晶片面積減至47 平方毫米，工作時脈提升至250 到 400 MHz，記憶體匯流排速度為100MHz，而功率消耗在 250 MHz 時則為 6 W。雖然蘋果公司在 1998 年轉而使用 PowerPC 750，但 IBM 仍在其 RS/6000 工作站的入門級型號中使用PowerPC 604ev。

### PowerPC 7xx

第三代的PowerPC 微處理器是PowerPC 7xx，由蘋果公司稱為 PowerPC G3，於 1997 年 11 月 10 日推出；G3一詞常被使用於蘋果電腦的機種，例如 PowerBook G3、彩色 iMac、iBook 和藍色以及白色的 Power Macintosh G3。PowerPC 7xx系列由於低功耗與小尺寸，是筆記型電腦的理想選擇，一直使用到麥金塔轉用x86處理器之前，而且也廣泛使用於嵌入式設備，如印表機、路由器、儲存設備、太空船和遊戲機。但7xx 系列的弱點在於並未支持對稱多處理、缺乏單指令流多資料流能力，以及相對較弱的浮點運算功能。摩托羅拉的 74xx 系列處理器針對這些問題進行設計與改進。

### PowerPC 7400

PowerPC 7400（代號「Max」）於 1999 年 8 月推出，又被稱為「G4」，工作時脈為 350 至 500 MHz，有1050 萬個電晶體，以摩托羅拉的 0.20 μm HiPerMOS6 製造，晶片尺寸為 83 mm2，採用銅製程。但摩托羅拉曾向蘋果承諾將提供工作時脈500 MHz 的晶片，但初期良率過低，使得蘋果無法推出宣傳的 500 MHz 之 PowerMac G4，在摩托羅拉處理此問題時，蘋果只好將PowerMac G4型號的工作時脈從 400、450 和 500 MHz 降到 350、400 和 450 MHz。該事件導致蘋果與摩托羅拉的關係出現裂痕，據報導蘋果向 IBM 尋求幫助，以提高摩托羅拉 7400 系列的產量。後來在 2000 年 2 月 16 日蘋果的PowerMac 500 MHz型號上市。

最後一款使用 G4 的桌上型麥金塔是 Mac Mini；筆記型電腦的 iBook G4 與PowerBook G4後來都改用英特爾x86處理器。但還有其他平台也使用 PowerPC G4 處理器，例如 AmigaOne 系列機種和 Genesi 的 Pegasos；而 PowerPC G4 也常用於嵌入式系統，例如路由器、電信交換機、影像與媒體處理、航空電子設備和軍事應用；其 AltiVec 及對稱多處理功能在這些領域可發揮所長。

### PowerPC 970

PowerPC 970、PowerPC 970FX 和 PowerPC 970MP 是 IBM 於 2002 年推出的 64 位元 PowerPC 處理器，而蘋果公司在採用此系列處理器的麥金塔，稱之為 PowerPC G5。本系列是 IBM 和蘋果以POWER4為基礎合作開發的，項目代號為 GP-UL 或 Giga Processor Ultra Light。蘋果推出 PowerMac G5 時曾表示這是一項為期五年的合作成果，且有多個世代的未來發展路線圖。但一年以後蘋果不得不收回推出使用 3 GHz 處理器之PowerMac G5的承諾，IBM 也無法將功耗降低到可供筆記型電腦所用的水準，使得蘋果的筆記型電腦仍然採用PowerPC G4。最終蘋果轉用x86處理器於麥金塔電腦。此外，IBM 的 JS20/JS21 刀鋒伺服器和一些低階工作站和 System p 伺服器使用了 PowerPC 970。有些高階嵌入式系統（如 Mercury 的 Momentum XSA-200）也使用了PowerPC 970。IBM 也將 PowerPC 970 內核授權其他廠商用於自定使用。

## 產品應用

較廣為人知的產品應用包含：

- 蘋果公司：Power Macintosh系列、PowerBook系列（1995年以後的產品，開始使用PowerPC 603系列）、iBook系列、iMac系列（2005年以前的產品）、eMac系列產品。
- 任天堂：GameCube、Wii和Wii U。
- 微軟：Xbox 360
- 索尼：PlayStation 3

## 基本資料

- 設計師：AIM
- 字長/暫存器資料寬度：32-bit/64-bit（32 → 64）
- 始創時間：1992年
- 版本：2.02
- 形式：精簡指令集
- 類型：載入-儲存
- 編碼：Fixed/Variable (Book E)
- 分支預測結構：Condition code
- 位元組序：Big/Bi
- 擴展名：AltiVec, APU
- registers：32 GPR, 32 FPR