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性能。以往的CELL處理器，雙精度的性能只有單精度的十分之一。而新的CELL處理器，可以使到雙精度性能有五倍的提升。

## 發展歷史

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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宣布該公司將開始製造的45奈米製程的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高性能計算會議上宣布，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，並設置了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Power Processing Element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納米銅互連工藝製造，在此之後採用65納米工藝製造。
- 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）。
- 支持網格運算，具備靈活的並行、分布式的計算結構。

2005年8月25日，IBM、SONY、SCEI與東芝等 4 家公司正式公開「Cell」，該次所公布的規格資料參考文件，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）的規格書與說明文件。

Cell結合了通用的Power Architecture內核，適中的性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序，以及許多其他形式的專用計算。

### 處理器架構

PPE 可以作為資源管理使用，SPE 可以作為數據處理器使用。PPE 上的程序可以將任務分解到 SPE 上完成，然後相互傳輸數據。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，沒有虛擬內存的支持，不能直接訪問電腦的RAM，中斷支持也非常有限。將 SPE、PPE 和主存控制器連接在一起的是一個名為 Element Interconnect Bus 的總線，這是數據傳輸的主要通道。

#### 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內核，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）。

#### 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，稱為本地存儲（PS3 上這個區域的大小是 256K）
- 用來聯繫外部世界的一組通信通道
- 一組 128 個寄存器，每個 128 位寬（每個寄存器通常都可以用來同時保存 4 個 32 位的值）
- 一個記憶體流控制器（MFC），它負責管理 SPU 的本地存儲和主存之間的 DMA 傳輸

#### 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設備或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。

#### 記憶體與I/O控制器

Cell BE內置2.5兆字節記憶體，通過Rambus的XDR和FlexIO技術，每秒可與外部記憶體交換100吉字節Gbytes的數據。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。

### 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 是世界第一台 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獨占前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

### 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。

### 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。接口方面，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。麗台已推出採用SpursEngine晶片的加速卡，用作協助電腦作影像編輯。

### 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。

## 外部連結

- Cell Broadband Engine resource center
- 索尼電腦娛樂 Cell處理器專屬網站
- Cellブロードバンド・エンジン・マイクロプロセッサ向けにLinux機能拡張を含む主要ソフトウェア開発ツールを公開
- Cmpware Configurable Multiprocessor Development Kit for Cell BE
- ISSCC 2005: The CELL Microprocessor
- The little broadband engine that could: Reviewing the newest little SDK that installs natively on PS3
- Introducing the IBM/Sony/Toshiba Cell Processor ? Part I: the SIMD processing units
- Introducing the IBM/Sony/Toshiba Cell Processor -- Part II: The Cell Architecture

## 基本資料

- 日語原文：Cell Broadband Engine (Cell)
- 產品化：2006年
- 製作工藝/製程：90奈米
- 製作工藝/製程：45奈米
- 設計團隊：SCE、SONY、IBM、東芝
- 指令集架構：Power Architecture
- 核心數量：9
- 應用平台：電子遊戲機、超級計算機、電視機