處理器系列之什么是PowerPC

　　8核5GHz RISC處理器新代表IBM Power7+

　　在服務器市場，代表開放性架構的x86服務器盡管在銷量上可占到總體的80%，但市場分額只能保持在50%上下，原因在于企業關鍵業務上，小型機向來都是首選。小型機，一種介于PC服務器和大型機之間的高性能計算機，一般認為，傳統小型機是指采用RISC、MIPS等專用處理器，主要支持UNIX操作系統的封閉、專用的計算機系統，所以又稱RISC服務器或Unix服務器。不久前，IBM發布了其最新的RISC處理器Power7+。

　　IBM在8月底的時候公布的Power7+處理器結構，同時還發布了采用Power7+的大型機zEnterprise EC12，現在采用Power7+處理器的服務器也將在10月3號首次問世，Power7+作為32nm制程工藝的IBM最新Power架構處理器，有8個核芯，主頻超過5GHz。

　　自從1993年Power1問世以來，Power架構已經有將近20年的歷史。基本上是每三年更新一代，IBM也憑借著Power架構處理器，逐漸開拓Unix服務器市場。

　　憑借這Power架構處理器這柄利器，IBM在Unix服務器(小型機)市場的華山論劍中力拔頭籌。下圖是權威咨詢機構IDC 09年5月公布的關于小型機市場份額的數據圖。

　　從圖中我們可以清楚的看到隨著Power4/5/6的發布，IBM的份額是節節高升。曾長期占據主導地位的Sun和惠普現在被IBM超過，根據權威咨詢機構Gartner和IDC的統計數據，2009年第三季度，IBM在Unix服務器市場占據40%的份額，其次分別是惠普(30%)和Sun(不少于25%)。IBM、HP和Sun在小型機市場形成了三國鼎立之勢。

　　憑借著Power架構系列處理器的強勁表現，IBM在小型機上超過了曾長期占據主導地位的惠普和Sun。>>

　　8月28號，在硅谷舉行的Hot Chips 24 芯片大會上，IBM芯片領域的專家介紹了Power架構的最新一代處理器8核Power7+。IBM zEC12采用的IBM Power 7+處理器，主頻高達5.5GHz，而核心數也確定為6個。

　　最新的Power7+處理器采用的是32nm制程工藝，8核芯架構，此次Power7+處理器的發布，吻合了IBM Power架構處理器每三年更新一代，且在兩代之間的X+發布的規律。

　　此前的Power7是在2010年2月8號發布的，IBM在紐約正式發布其Power7處理器。

　　典型的Power7處理器是單晶片的，具有八個核心，另外也提供4核與6核型號。晶體管數量為12億，核心面積567mm2。采用的是IBM的45nmSOI銅互聯工藝制程。

　　Power7處理器共有三級緩存，同時還集成了兩個四通道DDR3內存控制器，持續內存帶寬100GB/s，每個通道的速度為6.4Gbps，最大可以訪問32GB(使用兩根16GB內存條)。Power7處理器最大可以訪問256GB。SMP帶寬360GB/s，整個芯片總帶寬高達590GB/s。

　　從Power7到Power7+，最大的變化在于制程工藝從45nm提升到了32nm，在向上擴展(scale up)和向外擴展(scale out)上都有提升。

　　向上擴展上，雖然Power7+還是和Power7一樣是8核芯架構，但是主頻提高了不少，雖然IBM沒有正式給出Power7+的主頻數據，但是由于制程工藝從之前的45nm提升到32nm，有專業人士分析稱Power7+的主頻相比Power7提升了25%左右。大部分Power7處理器的主頻在3GHz到4GHz，而據報道稱Power7+處理器的主頻則是在5GHz以上，之前有消息稱應用在IBM最新大型機的Power7+主頻高達5.5GHz。

　　除了在主頻上的提升外，Power7+的L3緩存有提升，是Power7的2.5倍，此前Power7處理器中8個核芯共享25MB的三級緩存。在Power7+中，共享的L3緩存增加到了80MB，大約是此前的2.5倍。

　　而在橫向的向外擴展上，Power7+注重了帶寬上的考慮，此前在Power7處理器中，有一個QCM(quad-chip module)模式，就是將4個8核芯的Power7封裝在在一起，而在Power7+中，同樣有這種模式，只不過將原來封裝在一起的四個處理器改為了兩個，也就是DCM(dual-chip module)模式。

　　這種將多個處理器封裝在一起的好處是能夠提供高系統I/O帶寬。提供系統等的性能。從上圖對比可以，單處理器的Power7+相比于Power7性能上有30%左右的提升，而DCM模式的Power7+相比于Power7則是有接近50%的性能提升。>>

　　首批采用Power7+處理器的是IBM大型機zEnterprise EC12，而不久前，IBM宣布將會在10月3日發布采用Power7+的RISC服務器。

　　目前IBM的RISC服務器采用的處理器多為Power7。IBM實際上在2011年2就宣布停產Power6和Power6+處理器，基于這些處理器的產品也將陸續停止出售。

　　在2006年2月的國際固態電路會議(ISSCC)上，IBM 公布了Power6處理器，那年10月的微處理器論壇和次年2月的ISSCC上披露了更多細節，最終在07年5月24日于北京召開的“Power6大突破，創"芯"世界”新聞發布會上正式發布了這款取代Power5+的新一代處理器。

　　有小幅改進的Power6+處理器是在2009年4月正式公布的，但實際上在08年10月發布的Power 560和570系統已經運用了Power6+處理器。從Power3起，IBM每三年發布新一代的Power處理器，而在這三年中間又會發布X+處理器，Power7于2010年2月正式發布，Power7+處理器則是在2012年9月發布。

　　Power 7+ 派生處理器

　　第一個PowerPC處理器PowerPC 601，基本上是一個部份基本指令用微碼模擬的RSC處理器，采用了Motorola 88000為基礎的總線設計。這允許IBM在許多任務作站機器上使用這個處理器，只需要更換主板。自此 PowerPC和POWER架構有些許分岐，但大部份在指令層級仍然保持兼容。

　　使用在太空應用的抗輻射設計RAD6000處理器是一個POWER/RSC的派生架構。

　　IBM RS64家族處理器根基于PowerPC(因此也包括POWER)，使用在RS/6000和AS/400產品線。它對商用工作優化，沒有POWER產品線應有的浮點運算。它被POWER4取代。

　　IBM Gekko處理器是修改過的PowerPC 750CXe，使用在任天堂Gamecube。任天堂的Wii使用更新的Gekko，Broadway。

　　Cell處理器也是從POWER架構派生。它具有一個復雜的多線程超標量核心，和稱作SPE (Synergistic Processing Elements)的八個獨立矢量處理器核心。這個處理器支撐了Sony的Playstation 3、Toshiba的數字電視系統，和IBM的高性能電腦。

　　微軟最新一代的游戲主機Xbox 360使用一個循序運行的三核Xenon處理器，它基于PowerPC，擁有修改過的矢量單元，時鐘頻率3.2 GHz。

　　Star系列處理器，是Power PC架構的另一種技術實現，與POWER系列非常類似。由于此系列的各種CPU代號都有Star或者用某一顆星的名字來命名，因此被稱為Star系列。

　　1.RS64

　　1997年發布，代號為“Apache”。

　　這 一系列使用Power PC處理器設計，繼承了大量POWER架構的特點，但為了商業運算進行了特別優化，與POWER 3相比，其中包括指令分支預測、浮點意外處理、硬件預取等功能被取消，而取而代之的是整形計算意外處理、復雜的片內/片外緩存算法、更大的緩存容量。 RS64的設計可以支持64位處理，在2000年發布的RS64 IV中采用了硬件多線程技術，單臺服務器最多可以擴展到24顆CPU，消耗的功耗也非常少，每個處理器只有15瓦。此款CPU開始用于AS/400(即后 來的iSeries)，從RS 64 II起，才用于RS/6000(pSeries)。

　　這種設計使得RS64芯片比較適用于在線交易 (On-Line Transaction Processing，OLTP)、企業資源計劃系統(Enterprise Resource Planning，ERP)，以及其他大型、混合的多功能、數據庫訪問、多用戶、多進程的業務。不過在實際使用的過程中，發現其計算速度稍有欠缺，可能是 RS64 CPU的主頻都很低，典型的幾款服務器主頻只有100MHz左右，對于商業智能(Business Intelligence，BI)和科學計算一類的應用，性能不佳。

　　2.RS64 II

　　1998年發布，代號為：“Northstar”(北方之星)。

　　該CPU擁有8MB L2 Cache，256位的數據總線，262MHz主頻。裝配此款CPU的服務器可以支持最多三個CPU板，每個CPU板裝載4路CPU，這樣可以使RS/6000服務器具有4路、8路、12路的SMP結構。

　　3.RS64 III

　　1999年發布，代號為：“Pulsar”(脈沖星)。

　　第 一款使用硅絕緣的RS64芯片，通過6個CPU 卡可以實現24路SMP結構。由于此款CPU主頻提高到450MHz，使用優化的指令分支預取技術避免了跳轉懲罰(或只需要額外1個時鐘周期)，5級流水 線等技術，CPU處理性能大幅度提高。IBM用此款服務器裝配了RS/6000的80系列(H80，M80，S80服務器)。

　　4.RS64 IV

　　2001發布，代號為：Istar，SStar

　　第一款支持硬件多線程的商用處理器，比以前同系列的CPU更快，更小。600-750MHz的主頻，硬件多線程技術(HMT)使得此CPU具有不錯的市場表現。另外每個CPU僅消耗15W的功率也使得用此CPU裝配的服務器無需特別的電源、散熱系統。

　　由于市場對于商業和計算環境的混合需求，使得IBM重新整合了POWER系列和Power PC系列處理器，最終設計了POWER 4處理器。Star系列也最后完成了歷史使命。

　　Power PC系列，是從POWER架構發展出來的一個分支，最早在1993年發布，用于從單板機、電池電源管理到超級計算機和Mainframe主機。Power PC最早登上主角的地位是從作為Power Macintosh 6100的CPU開始的。

　　眾所周知，Power PC開始與蘋果、摩托羅拉和IBM聯盟(被稱為AIM聯盟)，是源自于POWER架構的設計，但進行了大量的改動。例如，Power PC是open-endian設計，即同時支持大尾段(big-endian)和小尾段(little-endian)內存模式，而POWER 是大尾段設計;Power PC希望提供更強的浮點處理能力和多線程處理能力。所以這兩種類型的CPU并沒有太大的差別，Power PC保留了絕大部分POWER指令，許多應用只要重新編譯，就可以分別在兩個平臺上運行。

　　當IBM和摩托羅拉分別自己設計芯片的時候，依然遵循統一的標準。在2000年，大家使用的是Book E spec，這個設計實現使Power PC能更專注于嵌入式處理系統，例如網絡、存儲和家用設施的處理器。

　　除了兼容之外，Power PC的架構的另一個亮點是開放，它公開了指令集，允許任何廠商設計Power PC的兼容處理器、Power PC的一些軟件的源代碼也可以下載到，Power PC的內核也非常小，可以在同一芯片上安置許多其他的輔助電路，例如緩存、協處理器，大大增加了芯片的靈活性。

　　IBM四條服務器產品線中有兩條都與Power PC架構有關，另外蘋果公司的臺式機和服務器、任天堂的GameCube，IBM自己的藍色基因超級計算機都使用了PowerPC芯片。

　　今天，Power PC家族有三條產品線，分別是嵌入式的Power PC 400系列，Power PC 700和Power PC 900系列。從歷史上看，還有一款Power PC 600系列最值得關注，因為它具有非常好的性能。

　　1.Power PC 600系列

　　Power PC 601是Power PC 600系列中的第一款，它綜合了POWER和Power PC架構的特點，并且盡量保持與POWER 1和隨后的其他Power PC芯片的兼容性(即使是同一系列的芯片，也存在兼容性問題)，甚至與摩托羅拉的88110兼容。蘋果公司用Power PC 601在1994年制造了Power Mac 6100，66 MHz CPU主頻。此系列下一個芯片是603，低端、低功耗的處理器，大量使用在汽車上。與Power PC 603?同日登場的還有PowerPC 604?，是更強大的處理器，隨之的是“加強版”的603e和604e。在此之后，第一款64位Power PC——Power PC 620?在1995年被發布。

　　2.Power PC 700系列

　　在 1998年，出現了Power PC 740和Power PC 750，與604e非常相像，甚至一些人說600/700兩個系列根本就是一回事。Power PC 750是第一款銅導線處理器，蘋果公司用它生產了G3，但很快就被G4所取代，使用的是摩托羅拉7400。在2002年發布的32位的Power PC 750FX曾經震驚業界，因為它是第一款達到1GHz主頻的處理器，IBM在2003年緊跟著推出了750GX，集成了1MB片上二級緩存，也是1GHz 主頻，大約7瓦功耗。

　　3.Power PC 900系列

　　64位的Power PC 970，實際上是單處理器內核的POWER 4，可以同時執行200條指令，最高達到2 GHz以上的主頻，而僅僅消耗十數瓦的電力。低功耗使它被大量用于筆記本電腦和手持設備上，還有一些高密度的存儲、服務器(例如刀片中心)也在使用它。 64位處理能力，單指令多數據流設計使它更適合于多媒體、圖形處理。蘋果公司的臺式機、Xserve服務器，以及其他一些圖形、網絡設備，都在使用這款處 理器。例如蘋果Xserve G5就使用了Power PC 970FX，也是第一款同時使用了應變硅、硅絕緣兩項技術的芯片。

　　4.Power PC 400 系列

　　這 一款芯片主要用于嵌入式系統，但Power PC靈活的架構使它可以被用于從機頂盒這樣的小設備到藍色基因超級計算機。在產品線的一端，Power PC 405EP在200MHz主頻僅消耗1瓦的電力，而銅導線的Power PC 440在800 MHz主頻可以提供同類型嵌入式芯片中最高的性能。這款芯片也有許多旁支，例如利用Power PC 440GX的雙Gigabit Ethernet和TCP/IP加速功能可以降低網絡應用程序50%以上的負載。圍繞Power PC 400內核，有許多具體實現，用于建造藍色基因超級計算機的處理芯片就是包含了兩個Power PC 440處理器內核和兩個浮點處理內核。

　　Power PC 400系列被IBM轉讓給AMCC，發展成為PowerPC 405 Family、PowerPC 440 Family、PowerPC 460 Family 3大系列。

　　Freescale PowerPC系列

　　Freescale公司提供了數量眾多的含集成化外設的PowerPC處理器，目前在網絡設備市場取得了非常可觀的成功。目前Freescale公司已經調整其PowerPC產品策略，將其劃分成3個主要市場：網絡設備、汽車電子(MPC5xx系列)和工業控制。

　　Freescale PowerPC在通訊領域的成功，很可能要歸功于PowerQUICC，這也是IBM的PowerPC和Freescale 的PowerPC的最重要的區別。1993年，摩托羅拉半導體事業部(飛思卡爾半導體前身)在充分理解通信系統應用的基礎上，生產了第一顆包含QUICC(Quad Integrated Communications Controller)的芯片--MC68360。此時，QUICC實際上是一顆獨立的處理器。1994年，摩托羅拉半導體事業部的工程師開始把MC68360的QUICC和PowerPC內核結合，將集成了QUICC的PowerPC處理器稱為PowerQUICC，并將其中的QUICC處理模塊稱為CPM。

　　1995年，MPC860芯片面市，標志著一個通信處理器時代的開始。這顆芯片實現了作為控制中心的PowerPC處理器和作為數據處理中心的CPM的分離，采用了數據通路和控制通路分開的思想。

　　此后PowerQUICC系列芯片也一路升級，從PowerQUICC I到PowerQUICC II，再到PowerQUICC III和PowerQUICC II pro。目前，Freescale 將CPM升級為QE(QUICC Engine)。

　　伴隨PowerQUICC的升級，Freescale PowerPC內核也在升級。

　　603內核系列：MPC850、MPC860、MPC875、MPC885等，目前是最低端的Freescale PowerPC處理器。這類PowerPC處理器沒有包含SDRAM接口，用戶必須使用MPC860提供的UPM(USER Programmable Machines)配置成SDRAM接口。603內核配合PowerQUICC I。

　　603E內核系列：MPC8250、MPC8260、MPC8272等。從PowerPC內核的角度看，603到603E的升級不大，主要是MMU上，此外包含了SDRAM控制器。603E內核配合PowerQUICC II。

　　E300內核系列：MPC8349、MPC8347、MPC8360等。E300系列與603E系列結構基本一致，在處理器內核上的修改不多。QE最先在MPC8360上實現，此外支持DDR SDRAM接口。E300內核配合PowerQUICC II pro。

　　E500內核系列： 包括MPC8540、MPC8560、MPC8548等。E500內核共有V1 、V2兩個版本。V1版本和V2版本的最大區別在于MMU。基于E500內核的PowerPC處理器是Freescale高端處理器的發展方向。E500 內核和603E有很大的不同，只有指令系統是兼容的，其他內核組件都不相同。E500內核支持DDR SDRAM，RapidIO和千兆以太網接口。E500內核配合PowerQUICC III。

　　E600內核系列：也稱為G4，包括MPC7410，MPC7447，MPC7448，MPC8641等。與IBM的Power 700系列的最大不同在于G4系列支持AltiVec結構。這類處理器也是Apple用于MAC機的芯片。

　　E700系列：支持64位的PowerPC結構，開發中(最新消息不明，懷疑被放棄).

　　飛思卡爾 QorIQ通信平臺是飛思卡爾的 PowerQUICC通信處理器的下一代演進產品，包含一個或者更多個核，一共有5個不同的產品平臺。按照功能和性能，分為 P1, P2, P3, P4 和P5,同老的PowerPC產品保持軟件兼容，例如PowerQUICC平臺。

　　QorIQ 商標和P1、P2、P4產品家族在2008年6月被公布，P3和P5平臺的細節尚未公開。所有的QorIQ處理器基于 e500 or e5500 核心。P10xx 和 P20xx 系列基于e500v2 核心，P340xx 和P40xx 系列基于 e500mc 核心，P50xx 則基于e5500 核心。

　　P1系列

　　P1系列被設計用于網關、以太網交換機、無線局域網接入點和通用控制目的。P1系列屬于入門級，運行在400到800MHz，用于替代PowerQUICC II Pro 和PowerQUICC III平臺。P1系列封裝成689個引腳，同P2系列兼容。

　　P1011 -包含一個800MHze500核心，256 kB L2 cache,4個SerDes lanes，3個吉比特以太網控制器，以及一個用于老實電話的時分復用引擎(TDM engine) 。

　　P1020 –包含2個800 MHz e500 核心，256 kB shared L2 cache, 4個SerDes lanes,3個吉比特以太網控制器，一個 TDM engine.

　　P2系列

　　P2系列設計用于網絡、電信、軍工的廣泛應用。能運行在-40 到 125 °C，特別適合苛刻條件下的應用。P2系列屬于中端產品，運行在800Mhz到1.2GHz，用于替代PowerQUICC II Pro 和PowerQUICC III平臺。

　　P2010 – 包含1個 1.2 GHz 核心

　　P2020 – 包含2個 1.2 GHz 核心, shared L2 cache

　　P3系列

　　P3 系列設計屬于中端產品，用于交換機和路由器。P3系列提供了一個多核平臺，支持4個e500mc核心，每個核心頻率能達到1.5 GHz。P3系列擁有1.3 GHz 64-bit DDR3內存控制器，18個SerDes lanes，以及用于數據包操作和調度、正則表達式、RAID、安全、加密和RapidIO的硬件加速器。

　　P3系列的多個核心能夠運行在對稱模式和非對稱模式，意味著多個核心可以一起或者非別引導運行操作系統。

　　P3041 - 4個1.5 GHz 核心，每個核心128 kB L2 cache ，1個1.3 GHz 64-bit DDR3 內存控制器，45納米技術和僅有12w的功率。

　　P4系列

　　P4系列屬于高端產品，用于核心網或者企業級交換機、路由器。提供極限多核平臺，支持8個e500mc核心 ，每一個核達到1.5 GHz。

　　P4080 –包含8個e500mc核心，每個核心有32/32kB instruction/data L1 caches以及1個a 128 kB L2 cache。包含2個1 MB L3 caches，每一個連接到64-bit DDR2/DDR3 內存控制器。

　　P5系列

　　P5系列基于高性能64-bit e5500 核心，頻率提高到2.5 GHz 。

　　P5010 - 一個e5500 2.2 GHz核心, 1 MB L3 cache, 1個DDR3 controller,45 nm 工藝，功率30W.

　　P5020 - 兩個e5500 2.2 GHz核心, 2個1 MB L3 caches, 2個DDR3 controllers, 45 nm 工藝，功率30W.