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IBM Power处理器技术优势详情与分析

--IBM Power处理器技术优势详情与分析

供稿:康拓工控 2010/3/30 10:05:00

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  • 关键词: IBM PowerPC
  • 摘要:IBM目前共拥有四条处理器产品线:POWER体系结构,PowerPC系列的处理器,Star系列以及IBM 大型机上所采用的芯片。其中PowerPC源自于POWER 体系结构,在 1993 年首次引入。

 

一、从IBM处理器起源和应用来看Power技术优势

        大家知道,IBM目前共拥有四条处理器产品线:POWER体系结构,PowerPC 系列的处理器,Star 系列以及 IBM 大型机上所采用的芯片。其中PowerPC 源自于 POWER 体系结构,在1993 年首次引入。PowerPC 是 Apple、IBM 和摩托罗拉联盟的产物,它基于POWER 体系结构,但是与POWER 又有很多的不同。


  例如,PowerPC 是开放的,它既支持高端的内存模型,也支持低端的内存模型,而POWER 芯片是高端的。最初的PowerPC 设计也着重于浮点性能和多处理能力的研究。当然,它也包含了大部分POWER 指令。很多应用程序都能在PowerPC 上正常工作,这可能需要重新编译以进行一些转换。嵌入式的PowerPC处理器也在那个时代开始得到广泛应用,不仅出现在激光打印机和汽车中,也出现在登陆火星的火星车上。


  RS64 芯片首次于1998 年面世,在IBM 内部称之为Star 系列,这是因为大部分代码字节中都包含了单词“star”或类似的单词(其中一个比较出名的例外是最初的RS64,其代号是“Apache”)。Star 系列芯片源自于对PowerPC 体系结构的修改,同时还从POWER 产品线中继承了很多特点。从一开始起,这些芯片就只针对于一种应用进行优化:商业应用。这种专用化使其在UNIX 服务器领域几乎在10 年的时间中都牢居霸主地位。


  RS64 系列将诸如分支预测、浮点处理以及硬件预取之类的问题留给其兄弟POWER3 芯片来解决,自己则专注于整数运算性能和大型复杂的片上、片外缓存的处理。RS64 系列从面世以来就一直是64 位的,2000 年在 RS64 IV 中引入了多线程的设计。


  RS64 可以在一台机器内扩展到多达24 个处理器,功耗则只需要每个处理器15 瓦即可,这一点与其兄弟 POWER 芯片有很大的区别。这些特性使RS64 芯片非常适合一些系统,例如联机事务处理(OLTP)、商业智能、企业资源计划(ERP)以及其他一些大型的、功能强大的、具有多用户和多任务而缓存命中率很低的系统,其中包括 Web 服务。RS64 芯片只装备在IBM 的eServer iSeries(RS 系列)和pSeries(AS 系列)服务器中。


  因此在Power处理器的体系结构基础上产生了PowerPC 系列和Star 系列的处理器,显示出Power处理器的强大优势,说明Power应用无所不在。

  
二、双核和64位处理器应用的先锋

  IBM Power处理器从1990年诞生为Power1,接着有Power2、Power3、Power4、Power5和即将发布的Power6产品。Power4、Power5等处理器基本上都是双核。POWER4处理器芯片包含两个微处理器核心、芯片和系统渗透功能,POWER4芯片是业界第一个双内核处理器,虽然现在几乎所有处理器厂家都开始推出各自的双内核产品,但POWER4芯片有一个重大的不同。


  IBM并不是由于单处理器性能提高遇到瓶颈而被动地设计和生产双内核处理器,而是在处理器设计的阶段就将系统设计纳入设计目标,双内核设计只是IBM公司实现高性能服务器系统的一个手段。每个POWER4处理器内核的性能和服务器系统的整体性能都随着处理器时钟的提高而同步地得到提高,数年来一直保持了在业界的性能领先地位。这一成绩充分证明了IBM在POWER4芯片上System On Chip设计策略的成功。


  POWER4的每个处理器都有2 个64位的1GHz+ 的PowerPC 核心,这是第一个单板上具有多核心设计的服务器处理器,每个处理器都可以并行执行200 条指令。64位处理器相比原来的32处理器的处理速度快,集成了内存控制器,执行效率高,POWER4+(也称为 POWER4-II)功能与之类似,但是主频更高,功耗更低,而且在硬件上保持了32位和64位的双向兼容,使软件尽可能地避开故障。

  
三、开放和支持Linux系统

  Power.org将开放标准引入了Power 架构技术,这将会像Java 技术和Linux 对软件世界的影响那样,大大加速硬件世界的改变。开放标准的出现为客户带来了更多的市场选择,同时也降低了不同产品和技术整合的门槛。


  Power 架构技术是当今业界拥有最广泛和最多样化市场的微处理器,它是所有三种下一代游戏机的数字心脏,也是世界上最高性能超级计算机的电子大脑。另外,Power 架构技术也是支持各种企业服务器、汽车系统(动力系统、高级安全系统和信息通信系统)、无线和有线基础架构以及企业路由和交换的领先平台。


  IBM推出 Power ISA v2.03 之后,半导体厂商可在自己的产品中实现比以前更多类别的功能。从未来的发展看,软件和系统开发人员在为广泛的市场和应用开发基于Power 架构技术的产品和平台时,可以获得一个更加一致和兼容的框架。


  Power.org 联盟还发布第一个合作开发的开放平台架构,该架构被称为 Power 架构平台参考规范(Power Architecture Platform Reference specification, PAPR)。 PAPR为针对特定应用快速开发基于 Linux 操作系统的标准 Power 架构平台奠定了基础。这一技术规范及相关的参考为 Power.org 成员及 Power 架构开发团体优化商品化 Linux 版本和应用的开发提供了一个标准平台。


  用于 POWER 微处理器体系结构的Linux 是Linux 发展中的一个令人兴奋的成就,并且指明了Linux 以后的演化方向。现在,用于POWER 的Linux 也为一个具有64 位RISC 体系结构的平台带来了便利。Linux 可以与AIX 或OS/400 在同一个POWER 系统上同时运行,带来zSeries 用户才可以享受到的同样的双重功能。


  对软件开发人员和系统管理员来说,用于POWER 的 Linux 意味着可以用类似的方法来在不同的平台上进行软件开发和系统管理,可能会使一个单一解决方案的应用领域扩展到全部计算平台。通过使用 Linux,现在有可能开发一个可以从xSeries 扩展到POWER 再到 zSeries 系统的解决方案。

  
四、IBM Power处理器充分发挥半导体技术的优势

  在最近 10 年中,IBM 在半导体领域实现了一个又一个的突破:铜技术,绝缘硅,硅锗合金,应变硅和 low-k 绝缘体,这些新技术给它的服务器CPU发展奠定了扎实的基础。IBM的Power结构体系为广泛的处理器提供了技术基础,包括IBM的高端服务器芯片,以及到为计算机,服务器,手持设备和网络产品设计的PowerPC处理器。半导体业界一直有梦想能使用铜作为介质,这样可以获得比铝好 40% 以上的电流传输效率。


  但是直到最近制造流程才实现了这个目标。IBM 的研究人员使用钨来生产基于铜的芯片,其速度比铝快 25 倍到 30 倍。采用了这种技术,通常称之为 CMOS XS (其中 X 是一个数字),应用到IBM Power 3-II处理器上。low-k 绝缘体这种技术使用 SiLK 来防止铜线“串扰”。


  硅锗合金(SiGe)在二极管芯片制造中用来代替功耗更高的砷化镓,SiGe 可以显著地改善操作频率、电流、噪音和电源容量。 绝缘硅(SoI)在硅表面之间放上很薄的一层绝缘体,可以防止晶体管的“电子效应”,这样可以实现更高的性能和更低的功耗。这些先进技术在IBM Power4及以后的处理器已经广泛应用。

  
五、IBM Power处理器使用低功耗、高频和并发多线程

  Power处理器使用的应变硅这种技术对硅进行拉伸,从而加速电子在芯片内的流动,不用进行小型化就可以提高性能和降低功耗。如果与绝缘硅技术一起使用,应变硅技术可以更大程度地提高性能并降低功耗。POWER5芯片比POWER4芯片多集成了约一亿个晶体管,所以同样时钟频率时POWER5芯片具有较大的功耗。


  但IBM在POWER5种提供了最先进的功耗管理技术,打开动态功耗管理器时POWER5的功耗会下降到与POWER4相当的程度。其先进性在于,其它功耗管理技术都是通过在处理器负荷不重时降低芯片频率/电压,从而降低处理器性能而实现的。Power5依然采用多核心高频设计,设计却全面依赖自动化工具和逻辑设计。


  POWER5在性能提升方面是在在处理器内核中加入了对并发多线程的支持,这是业界首个双内核双线程的芯片。每个POWER5处理器支持两个并发线程,显著提高了处理器执行单元的使用率。在操作系统和应用看来,一个“双核心”、“双线程”的POWER5芯片可以提供四个逻辑处理器,并且对应用程序毫无特殊要求。并发多线程技术的价值在于,它更充分地利用了POWER5内核中的8个执行单元,减少了闲置、提高了效率,用较少的代价提供了更高的性能。


  可以说POWER5由于很好地解决了自身的发热问题,使得应用范围可以延伸到从低端到高端的所有系列服务器当中,中小企业无疑将成为最大的受益者。IBM Power系列的产品也得到很好的推广,如果说POWER5的推出是技术和市场需求的结果,那POWER6的诞生,可以是看作IBM进一步巩固自己在RISC架构产品中的霸主地位。


        07年5月24日,IBM在北京嘉里中心隆重举行了以“Power6大突破,创‘芯’世界”为主题的IBM Power6处理器发布会,宣布推出有史以来最

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