技术变革的见证 Power处理器17年进化史（上）

Kafka

POWER 是 Power Optimization With Enhanced RISC 的缩写，即以加强的RISC实现
性能优化，自1990年IBM 推出首个POWER1芯片后至今已经17个年头，经历了五代产品的
更迭，本文就将详细为读者介绍IBM Power这17年的进化历史。

　　一、POWER1时代

　　发布于1990年的POWER1 每个芯片中集成了 800,000 个晶体管，与当时其他的 RIS
C 处理器不同，POWER1 进行了功能划分，这为该芯片赋予了超量计算的能力，它还有单
独的浮点寄存器，可以适应从低端到高端的UNIX 工作站使用。

　　1991年IBM、Apple(苹果公司)和Motorola(摩托罗拉)公司组成了AIM联盟，合作开发
基于Power微结构的 PowerPC微处理器系列产品。这意味着IBM POWER跨越了一个从小型
、中型到大型主机的范围，导致PowerPC家族的微处理器诞生，这是在一个单芯片上实现
基于RISC的硬件和软件。最终它们开发的PowerPC芯片获得成功，并制造出基于PowerPC
的多处理器计算机。

      PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。第一代PowerPC采用0.6微米的生产
工艺，晶体管的集成度达到单芯片300万个。1992年1 月，IBM公司推出7011-220 (33 M
Hz)入门级桌面工作站，基于POWER架构的单芯片配置，所以人们把该工作站称之为RISC
单芯片(RISC Single Chip，RSC)。当年还有人嬉称之为“比萨盒”。

　　因此最初的 POWER1 芯片实际上是在一个主板上的几个芯片，后来很快就变成一个
RSC (RISC 单一芯片)，其中集成了 100 多万个晶体管。POWER1 微处理器的 RSC 实现
被火星探险任务用作中央处理器，它也是PowerPC 产品线的先驱。

　　二、POWER2时代

　　1993年的SP、PowerPC601和POWER2。IBM Scalable POWERparallel Systems(IBM可
扩展POWER并行系统，简称SP，后通常被称为SP1)为串行和并行的应用提供了一个可扩展
的平台。

       SP1基于RISC SYSTEM/6000技术，其基本组件于1993年2月份正式推出，代码为9
076 SP1，该系统框架(frame)包含8-16个RISC SYSTEM/6000处理器节点(最大四个框架，
64个节点)。SP采用了MPP(大规模并行处理)的理念，每一个处理器节点都有其自己的资
源(处理器、内存、硬盘和操作系统)，是个无需共享资源的架构。

       RISC System/6000 Model 7011-250是第一个基于32位PowerPC 601处理器的工作
站，它工作在66MHz，是1993年9月发布的。PowerPC 601是第一个诞生在IBM、Motorola
和Apple合作的处理器，它是由IBM在RISC单芯片(RSC)的基础上设计开发的。

      601的超标量体系结构通过改进，有了更强好的性能表现;应用额外的客户化线路
设计，可减小芯片内核的尺寸，提高运行频率。摩托罗拉88110微处理器总线接口界面是
601总线接口界面开发的基础。601是POWER到整个PowerPC架构的桥梁，PowerPC的一些代
表产品包括603、604和 604e。

　　同样在是1993年9月，IBM发布了POWER2。最初的POWER2机器包括7013-58H (55 MHz
)、7013-590 (66 MHz)和7015-990 (71.5 MHz)，POWER2处理器与前作相比，有了诸多重
大改进，更适合科学和技术应用，这些改进包括：浮点计算单元(FPU)包括了2个64位执
行单元，每时钟周期内可执行2条浮点“乘-加”指令;增加了第二定点执行单元。此外，
POWER2中增加了几个全新的硬件指令，包括：4倍长字存储指令，硬件平方根指令和浮点
到整数转换指令。

　　1994年4月，可扩展POWER并行系统的第二代产品SP2 (Scalable POWERparallel Sy
stems 2)正式问世，它基于IBM的RISC SYSTEM/6000微处理器技术，运行AIX/6000操作系
统，SP2可从2个节点扩展到128个节点。由于使用了POWER2处理器和其他的一些新功能，
SP2处理性能达到了SP1的两倍。

      1995年IBM推出32位PowerPC 604 RISC System/6000微处理器(120 MHz)，并首先
应用在RISC SYSTEM/6000的7020-40P (66 MHz)机型上。1996年10月份，IBM在RISC SYS
TEM/6000 7013-595 (135 MHz)上采用全新32位POWER2 Super Chip超级芯片(就是现在所
说的P2SC)。

      P2SC是一款POWER2 8芯片架构的单芯片配置，其上有1500万个晶体管，并使用了
高密度的CMOS-6S技术。SP系统从此有了又宽又薄的全新节点机。1997年10月份， IBM首
款64位PowerPC RISC处理器RS64(代号Apache)正式面市。作为一款超标量架构处理器，
RS64为商业应用而优化。　　因此POWER2 发布于 1993 年，一直使用到 1998 年，每个
芯片中集成了 1500 万个晶体管。 POWER2 芯片中新加了第二个浮点处理单元(FPU)和更
多缓存。PSSC 超级芯片是 POWER2 这种 8 芯片体系结构的一种单片实现，使用这种芯
片配置的一个 32 节点的 IBM 深蓝超级计算机在 1997 年击败了国际象棋冠军 Garry  
Kasparov。


　　三、POWER3时代

　　1998年以后，随着半导体技术的取得突破性进展，使得IBM的Power创新升级步伐明
显加快，一般只要经过2-3年或者更短的时间就会有新的技术和产品出现，处理器也由原
先的32位升级到64位。1998年7月，IBM发布RS64-II，它具有专用32字节接口界面，提供
独享的4路集合关联的(set associative)8MB L2高速缓存。

      PowerPC RS64 II 64位RISC微处理器(代号NorthStar)成为了Star系列处理器家族
的第一位成员。同年10月份，IBM推出全新64位POWER3处理器，该处理器统一了POWER2架
构 (P2SC)和PowerPC架构，是针对技术应用而设计。与带有专用的整数执行单元和加载
/存储执行单元的P2SC相比，POWER3的整数性能有重大的改进。由每秒钟6.4GB的内存子
系统提供芯片特有的8个执行单元。

      POWER3的核心包含两个高带宽总线：一个到主内存的128位6XX结构总线和到L2缓
存的256位总线，POWER3芯片上有64KB数据高速缓存和 32KB指令高速缓存。IBM同时还推
出了第一台基于POWER3处理器的SMP工作站，型号位RS/6000 43P 7043-260 (200 MHz)。


      PowerPC RS64 III 64位RISC微处理器(代号Pulsar)第一次采用了铜导线技术，并
于1999年9月正式用于新产品RS/6000 7017-S80 (450 MHz)。因为采用了铜导线技术(CM
OS 7S)，才达到450MHz主频速度。RS64 III有8MB L2高速。配置上，可从6路SMP扩展到
24路SMP，系统内存也能扩展到96GB。

　　2000年64位的POWER3-II微处理器采用IBM高级的CMOS 7S工艺，把POWER3处理器的铝
连接改进为铜连接，新的RS/6000 Model 44P 7044-270(375MHz) 使用了基于铜芯片的P
OWER3-II处理器，对称多处理器系统(SMP)最多可配有4个处理器，在2000年10月IBM将R
S/6000改名为IBM eServer pSeries。

      在2000年秋季，IBM增强了RS64 III设计，开始使用铜芯片和SOI绝缘硅技术，使
时钟频率增加到600MHZ，就形成了RS64处理器的最新版本即RS64 IV(又被称为Sstar);在
相同型号上，L2缓存大小被增加到16MB，随着RS64的发展，这种处理器的设计可以提供
750MHz的时钟频率。 2000年10月，IBM推出的pSeries 680服务器，该64位SMP服务器采
用RS64 IV处理器，采用6-24路设计，最大支持96GB内存，系统中每个600MH处理器都有
16MB L2高速缓存。

　　因此POWER3 发布于 1998 年，一直使用到 2001年，每个芯片中集成了 1500 万个
晶体管。 创新实现了第一个 64 位对称多处理器 (SMP)，POWER3 完全兼容原来的 POW
ER 指令集，也可以与 PowerPC 指令集很好地兼容。POWER3 设计用来从事从太空探测到
天气预报方面的科技计算应用。它特有一个数据预取引擎，无阻塞的交叉数据缓存，双
浮点执行单元，以及其他一些很好的设计。 POWER3-II 使用铜作为连接介质重新实现了
POWER3，这样以相同的价格可以获得两倍的性能。

cronzhang

继续看........