技术变革的见证 Power处理器17年进化史（下）

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　　四、POWER4时代

　　2001年后IBM的创新技术达到飞速发展。POWER 4“千兆处理器”(Gigaprocessor)采
用了IBM公司的铜和绝缘硅等先进技术，是64位CMP处理器。

　　POWER 4上有1.74亿个晶体管，有2个1.1/1.3 GHz 5管线超标量微处理器内核，是三
级高速缓存结构，最大可支持256GB内存，10 Gbyte/秒内存带宽，45 Gbyte/秒的处理器
带宽。POWER 4是CMP芯片，意思是在一片硅片上包括有个处理器。POWER 4代表第一个为
高端UNIX服务器设计的单一芯片上的对称多处理器，它的每一块芯片上配备两个带二级
(L2)缓存的1.1GHz或1.3GHz处理器。 P690采用类似于IBM z 系列上使用的先进芯片模块
(MCM)封装，将4个高性能计算处理器或8个商业POWER 4处理器和128MB的外部三级(L3)缓
存，通过全新分布式开关互联技术共享，安装在一个比手掌还小的封装内。

　　在POWER 4中有几项创新技术是最引人注目的：一是铜导线、SOI、双核、四芯片封
装代表的CPU设计技术，二是片内二级缓存、片外三级缓存、CPU内置SMP支持、板间CC-
NUMA互联组成的多级内存结构。POWER 4有很多先进的特性：专为SMP处理进行了优化，
将处理器技术与进程技术、封装和微架构相结合，设计了从处理器到内存和I/O桥接芯片
的整个系统，提高了整体性能;同时使用新的晶体管级工具改进了芯片设计，并将复杂的
控制逻辑转换为常规的数据流结构，解决了主频提升时保持系统平衡的问题，并可以处
理多种不同的负载，在一个单一的系统设计中同时满足高性能计算(要求高带宽)环境和
商业黄鲸(要求数据共享和SMP扩展)的需要;使用一种能够消除停机并在错误无法消除时
能够提供冗余的方法，在可能的情况下，尽力在硬件机器中断(检查中断)转换为软件的
同步机器中断，使软件尽可能地避开故障;在硬件上保持了32位和64位的双向兼容。

　　IBM于2002年11月推出POWER4+ 处理器 (在正式宣布推出之前，该款处理器曾被称为
POWER4-II)，POWER4+ 处理器芯片的面积是267平方毫米，拥有1.84亿个晶体管，内置1
.5兆二级缓存和32兆三级缓存，运行速度为1.2-1.45GHz， 1.2 GHz芯片的耗电量是70W
，POWER4+芯片是目前POWER4系列芯片的0.13毫米版本，POWER4系列芯片采用的是0.18毫
米技术制作的， POWER4+芯片的尺寸比POWER4芯片小35%。

      2003年5月份，pSeries 655和pSeries 670/690服务器升级，开始配置更快的POW
ER4+处理器。2003年11月11日，IBM推出配置1.6 GHz PowerPC 970 (PPC 970)的BladeC
enter JS20刀片服务器，64位PowerPC 970其实就是POWER4的一个单核版本，能以2GHz的
主频一次处理200条指令。该处理器也用在苹果桌面电脑，Apple Xserver服务器，影像
应用和快速发展的网络应用中。

　　因此POWER4发布于 2001 年，一直使用到 2004年，每个芯片中集成了 1 亿 7400  
万个晶体管。 采用 0.18 微米的铜和 SoI(绝缘硅)技术，POWER4 是目前市场上单个芯
片功能最强大的芯片。POWER4 继承了 POWER3 芯片的所有优点(包括与 PowerPC 指令集
的兼容性)，但是采用的却是全新的设计。

      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(也称为“片上 CMP”或“片上服务器”)。每个处理器都可
以并行执行 200 条指令。POWER4 芯片取代了 Star 系列的处理器，是 IBM Regatta 服
务器强大的动力之源，也是 PowerPC 970 处理器(也称为 Apple G5)的祖先。POWER4+(
也称为 POWER4-II)功能与之类似，但是主频更高，功耗更低。

　　五、POWER5时代

　　2004年4月IBM推出的POWER5处理器，POWER5芯片具有27,600万个晶体管，芯片面积
为389平方毫米，包括2313个信号 I/O和3057个电源I/O。 POWER5的设计是IBM系统设计
师、芯片架构设计师、软件工程师和技术人员紧密协作的成果。POWER5 (代号Squadron
) 和POWER6处理器计划有一种“快速通道”的能力，任务的完成比现在用软件处理的速
度快很多。加速的新特征能提高许多通信任务的完成速度，这些通信任务常包括互联网
读写数据需要的TCP/IP处理，消息传递界面(Message Passing Interface，MPI)，用于
将成群的计算机连接成为一个整体的超级计算机。

      芯片将加速虚拟内存子系统，这个子系统是操作系统常用的特征，用来管理如何
利用更大但相对慢的硬盘驱动器来扩展速度相对快的常规内存并有效运行。 POWER5处理
器以130纳米技术制造，提供并发多线程技术，可使一个芯片能像二个一样运行。分区技
术能将一台服务器划分成多个更小的服务器，这一能力在新产品上得到了进一步改善。
IBM POWER产品线的首席技术官Ravi Arimilli曾在一次采访中表示，POWER5处理器可以
达到大型主机处理器95%~97%的水平。

　　2005年，IBM发布POWER5+处理器。具有更快的主频，更高集成度，采用0.09微米技
术，面积比POWER5小37%，减少功耗，提高内存控制器，支持Quad Core Module [QCM]，
第一个4核心处理器封装技术，通过SMT技术，每个处理器模块能够实现8个处理线程，每
个QCM处理器模块集成了76MB高速缓存，IBM成熟的多内核技术和多芯片封装技术的进一
步扩展。

　　因此POWER5与 POWER3 和 POWER4 芯片类似，POWER5 是 POWER 和 PowerPC 体系结
构的一种综合体。这种芯片具有很多特性，例如通信加速、芯片多处理器、同步多线程
等等， POWER 5微处理器是一款新一代的64位微处理器，它除了在性能方面得到明显提
高外，在可扩展性、灵活性和可靠性方面也有所加强。基于Power 4及Power 4+的设计，
POWER 5增加了并发多线程能力(SMT)，可以将一个处理器转变为两个处理器，从而允许
一个芯片同时运行两个应用，由此大大降低了完成一项任务所需要的时间。一个POWER5
系统最终将支持多达64个处理器，这样从软件运行角度来看，就好像是128个处理器在工
作。

　　六、POWER6以后时代

　　按照IBM Power处理器的发展蓝图计划，2006年和2007年将推出Power6和Power6+，
2008年推出Power7，之后是Power7+。 POWER6的系统架构完全经过了重新设计，比前几
代产品先进得多。用于大系统的POWER5使用两条单向环(uni-directional ring)实现MC
M内通信，而MCM间通信通过二维网状结构来进行。POWER6则使用了两层架构和新的一致
性协议进行配对。每个 POWER6 MCM组成了一个“单元”，全连接网络中最多可以排列8
个单元。

      新的系统架构拥有比较低、比较稳定的时延。虽然低时延对提高性能而言必不可
少，但稳定时延大大方便了操作系统(特别是Linux)进行管理。就 POWER6系统而言，有
三级时延：MPU本地、MCM本地和远程。相比之下，在大尺寸的 POWER5+系统中，远程读
取可能需要经历1到4个MCM间中继段(hop)、0到2个MCM内中继段。基于单元的架构的另一
个优点是，每一个节点可以从网上断开，而不影响其他节点，这提高了系统的可用性和
可服务性。

      POWER6似乎保留了前一代产品的所有功能部件，不过也添加了对二进制编码的十
进制数(BCD)和Altivec扩展指令集的硬件支持。POWER6使用了检验点系统来保持正确性
、从容地校正及容许故障。这就需要恢复部件、错误记录器和重启动机制。在管理方面
，IBM也在改进 POWER6里面的虚拟化功能。

　　Power6处理器采用65nm制程，晶体管数目约为750M，原先预定2006年推出，近期时
程表延期至2007年。Power6核心采用4 issue的超深管线设计，具备OOOE能力，但规模仅
有PowerPC 604e的等级。Power6核心采用4issue的超深管线设计，具备OOOE能力，但规
模仅有PowerPC604e的等级。采用SMT架构，每个核心支持2条同步多执行绪。采用SMT架
构，每个核心支持2条同步多执行绪。

      内存频宽是Power5的两倍，约为32GB/s。记忆体频宽是Power5的两倍，约为32GB
/s。为了支持mainframe，提供10进位浮点数格式。为了支持mainframe，提供10进位浮
点数格式。支持VMX、虚拟机器架构指令，以及ViVA-2向量指令集延伸规格。支持VMX、
虚拟机器架构指令，以及ViVA-2向量指令集延伸规格。

　　根据IBM公布的计划，2007年新一代双核心Power6处理器，工作频率将在4-5GHz之间
，但是测试样品可以跑到5.8GHz，同时核心温度不超过85摄氏度。针对刀锋服务器，Po
wer6处理器工作频率更接近于4GHz，而非5GHz。

      Power6处理器采用多项节电技术，其中“nap”技术，可以让Power6处理器在空闲
状态下的功耗降低30-35%，Power6处理器有64- bit版本，采用低端Power6处理器的服务
器产品，将在今年年中问世。同时，IBM计划在Power6处理器上实施QCM技术，即将2个双
核心 Power6芯片封装到一起，构成4核心的Power6处理器。

　　因此基于POWER6的IBM系统计划在2007年年中向大众市场推出，这有点晚于其原定计
划以及公司对外公开的声明。POWER6最初将与英特尔的Montvale以及Sun和富士通联合开
发的APL处理器(可能基于SPARC64-VI)形成对立之势。在x86方面，对应产品将是英特尔
的 Tigerton和AMD的Rev. H，两者都是四核心处理器。

　　IBM声称性能可以提高两倍，这与大大提高的时钟速率和系统原始带宽增加相一致。
假定IBM计划执行得力，它会在明年获得非常强的竞争地位。 IBM当前在性能方面的领导
地位会在2008年面临重大挑战，届时Sun采用大规模多线程技术的Rock处理器和英特尔备
受期待的Tukwila处理品将双双问世。IBM的路线图目前包括POWER6+，这大概是采用45纳
米的衍生产品。从IBM以往的做法来看，POWER6+会在2008年下半年首次亮相，大概正好
可以使竞争对手的希望落空。

　　七、总结

　　总而言之，从1990至今IBM Power发展已经经历近17个年头，IBM 在半导体领域创新
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。为了发挥处理器硬件的最大功能，采用Power的服务器和Po
werPC处理器的操作系统也给予极大的支持，只有软硬结合才能展示IBM Power创新发展
的无尽魅力。正是由于IBM不断创新的结果，给IBM Power的广泛应用带来巨大的财富和
商机。

cronzhang

怎么都这么长... 慢慢看,,,