Cell (微处理器)

Cell微处理器架构（Cell Broadband Engine Architecture，通常简称Cell BE或CBEA）由索尼、索尼电脑娱乐、东芝、国际商业机器（IBM）公司联合开发。它是以RISC指令体系的Power架构为基础来设计的，并具有高时脉频率、高执行效率等特点。主要应用于PlayStation 3和刀锋服务器之上。而CELL处理器的第二代版本，提高了双精度浮点运算性能。以往的CELL处理器，双精度的性能只有单精度的十分之一。而新的CELL处理器，可以使到双精度性能有五倍的提升。

## 发展历史

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在2000年年中，索尼电脑娱乐，东芝公司和IBM结成一个被称为“STI”的联盟，用以设计和制造的处理器。

STI设计中心于2001年3月开业。Cell使用POWER4处理器的设计工具的增强版本，其设计期间为期四年。有三家公司超过400名的工程师一起在奥斯汀工作，并有11个IBM设计中心的重要支援。在此期间，IBM提出了Cell架构，制造工艺和软件环境有关的多项专利。早期专利版本的Broadband Engine被证实是一个芯片封装，包括“处理单元（Processing Elements）”，这是该专利的描述，是目前已知的Power Processing Element（PPE）。目前在Broadband Engine芯片上，每个“处理单元”包含8个加速处理单元，而它被简称为SPE。

2007年3月，IBM将Cell微处理器由第一代产品的90奈米制程推进到65奈米制程，由位于美国纽约州 East Fishkill 的12吋晶圆厂展开65奈米制程Cell微处理器的生产。制程推进到65奈米之后，Cell的芯片面积与耗电量将可进一步压低，有利于数位家电等相关应用的发展。

2008年2月，IBM宣布该公司将开始制造的45奈米制程的Cell处理器。2009年8月，轻薄版PlayStation 3－PS3 Slim同时采用45奈米Cell处理器。

2008年5月，IBM推出了高效能的的双精度浮点版本的Cell处理器，以65奈米为主要尺寸的PowerXCell 8i。

2008年5月，以一个Opteron处理器和PowerXCell 8i为基础的超级电脑，IBM走鹃系统，成为世界上第一个达成PetaFLOPS的系统，它当时是世界上最快的电脑，而此纪录一直维持到2009年第3季。

2009年，IBM于SC09高性能计算会议上宣布，放弃基于Cell架构处理器的开发，Cell架构及设计理念将融合到IBM的其他处理器产品中。该公司原计划开发 PowerXCell-8i 处理器的后续产品，内含双PowerPC处理器核心，并设置了32个 SPE 单元的下一代Cell处理器将已被取消。

## 概要

- Cell包含9个核心：1个64位的Power Processing Element控制核心和8个完全一样的SPE运算核心。
- 拥有2亿5千万个晶体管（DD2量产版）。核心面积为235平方毫米，采用IBM的SOI 90纳米铜互连工艺制造，在此之后采用65纳米工艺制造。
- 首批工程样品工作频率为4.06 GHz，工作电压1.1伏特；此后有4.6 GHz。
- 每秒可进行2560亿次浮点计算（256 GFlops）。
- 支持网格运算，具备灵活的并行、分布式的计算结构。

2005年8月25日，IBM、SONY、SCEI与东芝等 4 家公司正式公开“Cell”，该次所公布的规格资料参考文件，共分为 5 份，包括 1 份说明 Cell 基于分散式处理与多媒体应用所定义的整体架构，另外 4 份则是关于 Cell 独立浮点数运算单元 SPU 的指令集架构，低阶组合语言，高阶 C/C++ 程式语言扩充规格，以及应用程序二进制界面（Application Binary Interface）的规格书与说明文件。

Cell结合了通用的Power Architecture内核，适中的性能与流线型的协处理器，大大加快多媒体和向量处理的应用程序，以及许多其他形式的专用计算。

### 处理器架构

PPE 可以作为资源管理使用，SPE 可以作为数据处理器使用。PPE 上的程序可以将任务分解到 SPE 上完成，然后相互传输数据。SPE 缺少一般处理器中的大部分通用特性，它们根本不能执行常见的操作系统任务，没有虚拟内存的支持，不能直接访问计算机的RAM，中断支持也非常有限。将 SPE、PPE 和主存控制器连接在一起的是一个名为 Element Interconnect Bus 的总线，这是数据传输的主要通道。

#### PPE

Power Processor Element（简称为PPE）：PPE 包含一个64位元双执行绪PowerPC结构的RISC内核，并支援PowerPC的虚拟内存子系统。它具有32KB的 L1 指令快取，以及一个32 KB 资料快取，以及512 KB L2的共用快取。Cell中的PPE包含VMX指令集（Vector Multimedia eXtensions：AltiVec技术）。

#### SPE

Synergistic Processing Elements，简称SPE。每个 SPE 包括：

- 一个向量处理器，称为 Synergistic Processing Unit，或 SPU
- SPU 中的一个私有内存区域，称为本地存储（PS3 上这个区域的大小是 256K）
- 用来联系外部世界的一组通信通道
- 一组 128 个寄存器，每个 128 位宽（每个寄存器通常都可以用来同时保存 4 个 32 位的值）
- 一个内存流控制器（MFC），它负责管理 SPU 的本地存储和主存之间的 DMA 传输

#### EIB

Element Interconnect Bus（简称 EIB）：透过该总线，每个DMA控制器取得与SPE相关的指令和资料。DMA控制器也将结果送到通用总线，使其可输出到芯片外，以传送给芯片上的周边设备或PPE快取内存。PPE可意识到SPE所传输的资料，但SPE则完全不知道毗邻的任何流量；这将保持SPE的简易性，并限制在其执行时的中断或不必要的影响，如果SPE需要知道外部资料的变化，其各自的DMA控制器便负责撷取资讯。

#### 内存与I/O控制器

Cell BE内置2.5兆字节内存，通过Rambus的XDR和FlexIO技术，每秒可与外部内存交换100吉字节Gbytes的数据。XDR内存控制器界面(XIO)为72位元宽，可以在3.2Gbps资料速率下运作并提供25.6GB/s的总内存带宽。

### PowerXCell 8i

2008年，IBM公布了经修订的变种Cell，它被称作PowerXCell 8i，并从IBM的刀锋服务器QS22开始采用。花费超过一亿美元的 走鹃 是世界第一台 Linpack 达成 1 petaflops 的超级电脑，采用双核 AMD Opteron 加上PowerXCell 8i 处理器混合为一个节点的设计，走鹃共有6563颗双核的 AMD Opteron，以及12240颗IBM PowerXCell 8i。国际超级电脑大会发布的绿色超级电脑500大（Green500）名单，IBM的PowerXCell 8i独占前3名及5至7名，该排名以平均每瓦电力每秒所提供的浮点运算能力(MFLOPS/W)为基准。除了QS22和超级电脑，PowerXCell也被做成一张PCI-E界面的加速处理器，并在QPACE专案作为核心处理器。

## 商业化

### PS3

STI 将 Cell 应用于高清数位影音家电、游乐器、电脑绘图、科学运算等领域，其中以 SCE 所推出的 PS3 主机为相关应用中最受瞩目、规模也最为庞大的产品。第一代的 Cell 微处理器将具备1个 PPE 微处理器核心，与8个 SPE 协同处理器（保留1个 SPE 作为备援，实际可用的 SPE 为7个），由 2.5 亿晶体管所构成，PS3 则采用时脉 3.2GHz 的版本。

### SpursEngine

东芝推出基于CELL的辅助处理器，名为SpursEngine。这与真正的CELL处理器不同，它只有1个PPE和4个SPE核心，但额外增加了MPEG-2和H.264的硬件编解码器。它可以用来加速图片和视频播放（包括MPEG-2和H.264），并有自己的XDR内存。接口方面，可以采用PCI-E x1或者x4。东芝的平板电视都会采用相关的处理器，将标清分辨率插值至1080p。并同时进行细节修补，改善色彩，边缘锐利化等工作。丽台已推出采用SpursEngine芯片的加速卡，用作协助电脑作影像编辑。

### 家用电视

东芝公司推出Cell TV，它能把2D画面转换成3D。Cell T还可升级数位视讯，甚至补强画素，强化低品质的串流，并测知房间的灯光，调整萤幕的显示品质。Cell TV尚有内建摄影机、麦克风与软件，可以拨打网络视讯电话。这是东芝以Cell为核心开发的首款产品，重点显然是将电视机作为一个范例，用来说明硬件和软件工程师能够合力开发出什么样的产品。例如：利用Cell电视机的连网功能建立一种商业模式，这款电视机显然可以成为一大批付费服务的载体。

## 外部链接

- Cell Broadband Engine resource center
- 索尼电脑娱乐 Cell处理器专属网站
- 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机能拡张を含む主要ソフトウェア开発ツールを公开
- 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

## 基本资料

- 日语原文：Cell Broadband Engine (Cell)
- 产品化：2006年
- 制作工艺/制程：90奈米
- 制作工艺/制程：45奈米
- 设计团队：SCE、SONY、IBM、东芝
- 指令集架构：Power Architecture
- 核心数量：9
- 应用平台：电子游戏机、超级计算机、电视机