高端服务器CPU详细图解
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高端服务器CPU详细图解
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高端服務(wù)器CPU詳細(xì)圖解--HP、IBM、SUN篇<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" /> 目前，在中高檔服務(wù)器/工作站中采用RISC架構(gòu)的服務(wù)器CPU除了IBM和SUN兩家外，還有HP 的PA-RISC服務(wù)器處理器和康柏（現(xiàn)在也屬于HP）的Alpha處理器以及MIPS公司的MIPS處理器。本文就來先來討論HP服務(wù)器CPU產(chǎn)品。 HP 的PA-RISC服務(wù)器CPU 總部位于美國加州Palo Alto的HP公司創(chuàng)建于1939年。當(dāng)時，在一間狹窄的車庫里，兩位年輕的發(fā)明家比爾·休利特和戴維·帕卡德，懷著對未來技術(shù)發(fā)展的美好憧憬和發(fā)明創(chuàng)造的激情，開始了硅谷的創(chuàng)業(yè)之路。在經(jīng)過了65年的發(fā)展過程后，HP公司現(xiàn)已成為全球領(lǐng)先的面向大中小型企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和個人用戶的技術(shù)解決方案提供商。Compaq 計算機(jī)公司是 1982 年在美國德州休斯頓的一家餅店里成立的，2002 年與 Compaq 計算機(jī)公司的合并鑄造了一個新HP擁有 14 萬員工、可以在 178 個國家用 40 多種貨幣及十幾種語言進(jìn)行商業(yè)活動的強(qiáng)大且具有生命力的團(tuán)隊。
PA-RISC架構(gòu)是HP早期學(xué)習(xí)與設(shè)計，從FOCUS CPU發(fā)展而來的世界上最早的32位微處理器。FOCUS CPU是在1984年之前本身建立指令組合而堆疊的一枚極大的薄片(450.000 FETs)；有關(guān)FOCUS 架構(gòu)可參考HP 9000資料中說明。寄存器結(jié)構(gòu)的PA-RISC處理器指定是為了代替在HP 3000服務(wù)器使用早期的16位堆棧結(jié)構(gòu)處理器和在HP Unix 工作站和服務(wù)器使用的Motorola 680x0 CPU。
最早的HP RISC PA-7000 CPU是32位的，具有14.2 x 14.2 mm2 ， 580000 FETs， 1.0 micron，2-layer CMOS，off-chip caches 可以達(dá)到 256KB/256KB I/D；采用5.0 V 核心電壓66 MHz 頻率。
PA-7100 是一個發(fā)行超過指令的 superscalar 處理器。它是第一個集成在ALU 和 FPU板單一鋼模上，而且具有較低的制造價格；PA-7100 和它的指令隱藏所之間的頻道已經(jīng)達(dá)到兩倍，使這一個處理器能夠當(dāng)做在上面描述指令水平；多樣的連續(xù)指令被處理器接受并且同時地派遣到獨(dú)立的完整事物和漂浮的點單元。
也有一個 PA-RISC處理器稱做 7150，它基本上是相同于 7100，但是由于對核心和隱藏所次要系統(tǒng)的允許時鐘頻率達(dá)到 125 MHz。 <?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /> PA-7100 LC 整合FPU 和 MIOC(memory and I/O controller) 一枚VLSI 芯片 cache上的處理器， 處理器和 FPU 支援 PA-RISC 1.1 版本 3 ISA 。PA-7200 從最初的 PA-7100 基礎(chǔ)上設(shè)計而來，核心部分采用0.55個微米處理器，有較大的cache；它不僅適用于高速目的應(yīng)用而且還可以采用高帶寬接口的大型網(wǎng)絡(luò)專門應(yīng)用。 PA-7300 LC 是 PA-7100 LC 的直接后裔并且同樣地設(shè)計來作為廉價的系統(tǒng)。 它是一個 PA-RISC 1.1 3rd 32 位處理器，與我們后面介紹的64 位PA-8000架構(gòu)相反。這是最后一個 PA- RISC 1.1 版處理器，以后所有的工作站和處理器都轉(zhuǎn)變?yōu)?/span> PA2.0 處理器。具體的性能參數(shù)在下面的表中有所說明。 上面介紹的PA-7000系列RISC 服務(wù)器CPU都是32位。1986年，HP發(fā)布了代號為PA-8000的第一款64位芯片，主頻為180MHz。這款芯片在原來芯片系列的基礎(chǔ)上增加了寄存器的個數(shù)，并實現(xiàn)了5個指令的無序處理，處理機(jī)被設(shè)計來作高消費(fèi)階層的系統(tǒng)和支援新的 64個位元的 PA-RISC 2.0 架構(gòu)。芯片在一個 0.5 微米，3.3 V 互補(bǔ)型金屬氧化半導(dǎo)體程序中被制造，造成 17.68 x19.mm和380萬個電晶體的鋼模；CPU可以達(dá)到768 MB/s系統(tǒng)總線，執(zhí)行處理器指令和數(shù)據(jù)，而且是為多重處理提供。
PA-8200芯片設(shè)計時就考慮過已經(jīng)存在PA-8000的架構(gòu)，吸取它的優(yōu)勢兼容應(yīng)用程序，并且很快就上市銷售；采用較快速的新4 Mb SRAM和增加處理器時鐘，PA-8200 績效重要地可能被提高，在等候指令和數(shù)據(jù)執(zhí)行的時間被減少；這主要一般是芯片增加了 BHT，TLB 和 caches，是 “高利益，低危險”一大進(jìn)步。PA－8200具有向上的應(yīng)用程序二進(jìn)兼容性，可最大限度保護(hù)用戶 投資。
當(dāng)一個極大的 L1 高速緩沖存儲器已經(jīng)在處理器一鋼模上被直接地整合的時候，PA-8500 是 PA-8000 和 PA-8200 處理器的直接優(yōu)化；很大程度上打破了HP傳統(tǒng)芯片的研發(fā)方式（主要是在芯片中增加1.5Mb L1緩存）。其他的優(yōu)點包括較大的 TLB 和 BHT 身為 PA-RISC 2.0 版系列產(chǎn)品的一個成員，PA-8500 是有內(nèi)定的 64個位元的整數(shù)算術(shù)的一個真實的 64 位元芯片。它支持 64個位元的虛地址空間， 雖然芯片輸出 40 實際的位址位元。這符合直接可尋址的存儲器的一個兆位元 (240個字節(jié)) 。芯片也支援 32個位元的定址，提供向后的 PA-7100 和 PA-7200 處理機(jī)的兼容。
PA-8600 基本上只是有要使它適宜在一種新的制造業(yè)程序之上的較小修改的 PA-8500， 為了要達(dá)成較高的時鐘速度。對最初的設(shè)計被應(yīng)用的唯一真正的變化之一是指令的一個類似的 LRU 替換策略存貯。 而且總線的介面顯然地被稍微地修改以及被重做的總線處理的命令。
PA-8700芯片采用0.18微米的制造工藝，其主頻已經(jīng)達(dá)到了800MHz以上。PA-8700也基本上是對PA-8500核心做了微小的的修改，就如同以前所有的 PA-8x00 處理器一樣，邏輯地非常接近1997年最初的 PA-8000 核心；當(dāng)推出基本的 PA-RISC 2.0 版核心的時候， 以至于所有后來 HP 的的新處理器，都是以這一個設(shè)計為基礎(chǔ)而且增加了一些功能和一些針對的微小修正它。
當(dāng)出現(xiàn)新的CMOS處理器的時候，PA-8700 則重要地提高了通用芯片 L1 caches 和 TLB推進(jìn)時鐘頻率。PA-8700 處理器是被 IBM 制造生產(chǎn)出來的，與 PA-8500 和 PA-8600 一樣，就如同它們是被Intel生產(chǎn)出來的，因為 HP很早就放棄它的CPU生產(chǎn)工廠。
新一代的PA-RISC 8800工作頻率800MHz或是1GHz，系統(tǒng)帶寬6.5GB/s，可以支持最大24GB DDR內(nèi)存。處理器內(nèi)部則具有1.5MB的L1緩存，以及驚人的32MB L2緩存。這款處理器需要惠普的ZXT芯片組支持，ZXT芯片組比起之前的產(chǎn)品不僅降低了內(nèi)存延遲，同時也提高了內(nèi)存容量以及帶寬。新款處理器PA-RISC 8800已經(jīng)應(yīng)用到HP的高端的服務(wù)器產(chǎn)品中。
對于新一代HP 9000服務(wù)器用戶來說，未來既可以升級到HP Integrity動能服務(wù)器，也可以在下一代PA-RISC處理器PA-8900（雙核心）投入使用時升級到基于PA-8900處理器的HP 9000服務(wù)器上，而且都可以全面采用“箱內(nèi)升級”的方式。原本預(yù)定中的 PA-8900 處理器應(yīng)該就是HP PA-RISC 的絕響。 作者點評：根據(jù)惠普RISC處理器的發(fā)展藍(lán)圖，HP PA-8800和PA-8900將分別與IA-64構(gòu)架的Itanium 2（McKinley）和Itanium 3（Deerfield）同期上市。在它們之后，惠普的PA-RISC處理器家族將從市場上撤退，來給IA-64構(gòu)架的新處理器讓路。
自從2002年惠普收購康柏，惠普成為了Alpha芯片的新主人?；萜諏⒁鎸@個棘手的問題，即在擴(kuò)展基于新的64位構(gòu)架（IA64）系統(tǒng)生產(chǎn)線的同時，是否還要生產(chǎn)正在走下坡路的另外兩個系列的產(chǎn)品（PA-RISC和Alpha）。目前惠普公司正在逐步地淘汰Alpha處理器，并將現(xiàn)有的Alpha系統(tǒng)用戶轉(zhuǎn)移到安騰平臺上。HP已經(jīng)不打算再做CPU了，轉(zhuǎn)而與Intel合作，原因就在于PA-RISC和Alpha的規(guī)模難以上去，研發(fā)和制造成本太高。
大家知道，自從20世紀(jì)70年代RISC （Reduced Instruction Set Computing，精簡指令集計算）技術(shù)推出以來，高性能微處理器設(shè)計的中心從半導(dǎo)體廠商轉(zhuǎn)向了系統(tǒng)廠商。由于其優(yōu)化的指令系統(tǒng)帶來的運(yùn)算速度的提高等優(yōu)勢，使得RISC技術(shù)在80年代后期，逐漸在高端服務(wù)器和工作站領(lǐng)域中取代了CISC （Complex Instruction Set Computing，復(fù)雜指令集計算）成為主流的微處理器設(shè)計架構(gòu)之一（見下表）。 ?? 隨著RISC架構(gòu)的提出，各個具備一定技術(shù)實力的廠家開始在這個架構(gòu)的基礎(chǔ)上研發(fā)出自己的處理器，經(jīng)過近二十年的發(fā)展，生產(chǎn)芯片的廠家經(jīng)歷了各種分分合合，到目前為止，我們見到的主流RISC芯片主要有PowerPC、SPARC、PA-RISC、MIPS等，這些芯片分別由重要的服務(wù)器廠商用來作為其高端服務(wù)器產(chǎn)品和工作站的核心。幾乎無一例外地，各種大型計算機(jī)和超級服務(wù)器都采用RISC架構(gòu)的處理器，RISC處理器已經(jīng)逐漸成為高性能計算機(jī)的代名詞，這也就是我們平時所指的Unix服務(wù)器陣營。 本文主要介紹服務(wù)器CPU之一 ——IBM的Power系列CPU。
IBM，即國際商業(yè)機(jī)器公司，1914年創(chuàng)建于美國，是世界上最大的信息工業(yè)跨國公司，目前擁有全球雇員20多萬人，業(yè)務(wù)遍及150多個國家和地區(qū)。
IBM擁有綜合先進(jìn)技術(shù)與結(jié)構(gòu)的全系列產(chǎn)品，包括新一代基于CMOS的并行企業(yè)服務(wù)器、首次采用64位RISC技術(shù)的AS/400高級系列、基于高性能PowerPC604微處理器的新RS/6000系列以及廣泛的軟件和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等。在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理、密集型事務(wù)處理、龐大數(shù)據(jù)庫、強(qiáng)大的可伸縮服務(wù)器、系統(tǒng)集成等方面，IBM具有強(qiáng)大的優(yōu)勢。
PowerPC 中的 PC 代表 performance computing。PowerPC 源自于 POWER 體系結(jié)構(gòu)，在 1993 年首次引入。與IBM 801 類似，PowerPC 從一開始設(shè)計就是要在各種計算機(jī)上運(yùn)行：從靠電池驅(qū)動的手持設(shè)備到超級計算機(jī)和大型機(jī)。
20世紀(jì)90年代，IBM、Apple和Motorola共同開發(fā)了PowerPC，這款RISC架構(gòu)的芯片的主要特點是可伸縮性好、方便靈活。第一代PowerPC代號為601，采用了0.6微米的生產(chǎn)工藝，晶體管的集成度接近300萬個。1998年，銅芯片問世，開創(chuàng)了一個新的歷史紀(jì)元。2000年，IBM開始大批推出采用銅芯片的產(chǎn)品，如RS/6000的X80系列服務(wù)器產(chǎn)品等。銅技術(shù)的誕生使CPU的生產(chǎn)工藝達(dá)到了0.2微米的水平，單芯片集成度達(dá)到2億，大大提高了服務(wù)器產(chǎn)品的運(yùn)算性能。 PowerPC 600 系列
PowerPC 601 是第一代 PowerPC 系列中的第一個芯片。它是 POWER 和 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)之間的橋梁，其與 POWER1 的兼容性比以后的 PowerPC 都要好（甚至比 POWER 同一系列的芯片還要好），同時它還兼容 Motorola 88110 總線。PowerPC 601 的首次面世是在 1994 年最早的 PowerMac 6100 中，其主頻為 66 Mhz。這條產(chǎn)品線中的下一個芯片是 603，它是一個低端的核心，通常在汽車中可以找到。它與 PowerPC 603 同時發(fā)布，當(dāng)時 PowerPC 604 是業(yè)界最高端的芯片。603 和 604 都有一個“e”版本（603e 和 604e），該版本中對性能進(jìn)行了改善。最后，第一個 64 位的 PowerPC 芯片，也是很高端的 PowerPC 620 于 1995 年發(fā)布。
PowerPC 700 系列
首次面世是在 1998 年，PowerPC 740 和 PowerPC 750 與 604e 非常類似 ，有些人會說他們是同一個 600/700 系列的成員。PowerPC 750 是世界上第一個基于銅的微處理器，當(dāng)它用于 Apple 計算機(jī)時，通常稱為 G3。它很快就被 G4（或稱為 Motorola 7400）所取代了。32 位的 PowerPC 750FX 在 2002 年發(fā)布時其速度就達(dá)到了 1GHz，這在業(yè)界引起一片嘩然。IBM 隨之在 2003 年又發(fā)布了 750GX，它帶有 1MB 的 L2 緩存，速度是 1GHz，功耗大約是 7 瓦。
PowerPC 900 系列
64 位的 PowerPC 970，這是 POWER4 的一個單核心版本，可以同時處理 200 條指令，其速度可以超過 2GHz，而功耗不過幾十瓦。低功耗的優(yōu)勢使其一方面成為筆記本和其他便攜式系統(tǒng)的寵兒，另一方面又成為大型服務(wù)器和存儲設(shè)備的首選品。它 64 位的處理能力和單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）單元可以加速計算密集型的應(yīng)用，例如多媒體和圖形。這種芯片用于 Apple 的桌面系統(tǒng)、Xserve 服務(wù)器、圖像系統(tǒng)以及日益增長的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。Apple Xerve G5 是第一個裝備 PowerPC 970FX 的機(jī)器，這是第一個采用應(yīng)變硅和絕緣硅技術(shù)制造的芯片，可以只需更低的功耗就實現(xiàn)更高的速度。
PowerPC 400 系列
這是 PowerPC 處理器中的嵌入式系列產(chǎn)品。PowerPC 的靈活性體系結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)很多的專用系統(tǒng)，但是從來沒有其他地方會像 400 系列一樣靈活。從機(jī)頂盒到 IBM 的“藍(lán)色基因”超級計算機(jī)，到處都可以看到它的身影。在這個系列的一端是 PowerPC 405EP，每個嵌入式處理器只需要 1 瓦的功耗就可以實現(xiàn) 200 MHz 的主頻；而另一端是基于銅技術(shù)的 800 MHz 的 PowerPC 440 系列，它可以提供業(yè)界最高端的嵌入式處理器。每個子系列都可以專用，例如，PowerPC 440GX 的雙千兆以太網(wǎng)和 TCP/IP 負(fù)載加速可以減少報文密集型應(yīng)用對 CPU 的占用率 50% 以上。大量的產(chǎn)品都是在對 PowerPC 400 系列的核心進(jìn)行高度修改而構(gòu)建的，其中“藍(lán)色基因”超級計算機(jī)就在每個芯片中采用了兩個 PowerPC 440 處理器和兩個 FP（浮點）核心。
POWER 是 Power Optimization With Enhanced RISC 的縮寫，是 IBM 的很多服務(wù)器、工作站和超級計算機(jī)的主要處理器。POWER 芯片起源于 801 CPU，是第二代 RISC 處理器。POWER 芯片在 1990 年被 RS 或 RISC System/6000 UNIX 工作站 （現(xiàn)在稱為 eServer 和 pSeries）采用，POWER 的產(chǎn)品有 POWER1、POWER2、POWER3、POWER4，現(xiàn)在最高端的是 POWER5。POWER5 處理器是目前單個芯片中性能最好的芯片。 801 的設(shè)計非常簡單。但是由于所有的指令都必須在一個時鐘周期內(nèi)完成，因此其浮點運(yùn)算和超量計算（并行處理）能力很差。POWER 體系結(jié)構(gòu)就著重于解決這個問題。POWER 芯片采用了 100 多條指令，是非常優(yōu)秀的一個 RISC 體系結(jié)構(gòu)。下面對每種 POWER 芯片簡單進(jìn)行一下介紹：
Power 1
發(fā)布于 1990 年，每個芯片中集成了 800,000 個晶體管。與當(dāng)時其他的 RISC 處理器不同，POWER1 進(jìn)行了功能劃分，這為這種功能強(qiáng)大的芯片賦予了超量計算的能力。它還有單獨(dú)的浮點寄存器，可以適應(yīng)從低端到高端的 UNIX 工作站。最初的 POWER1 芯片實際上是在一個主板上的幾個芯片；后來很快就變成一個 RSC（RISC 單一芯片），其中集成了 100 多萬個晶體管。POWER1 微處理器的 RSC 實現(xiàn)被火星探險任務(wù)用作中央處理器，它也是后來 PowerPC 產(chǎn)品線的先驅(qū)。
Power 2
發(fā)布于 1993 年，一直使用到 1998 年：每個芯片中集成了 1500 萬個晶體管。POWER2 芯片中新加了第二個浮點處理單元（FPU）和更多緩存。PSSC 超級芯片是 POWER2 這種 8 芯片體系結(jié)構(gòu)的一種單片實現(xiàn)，使用這種芯片配置的一個 32 節(jié)點的 IBM 深藍(lán)超級計算機(jī)在 1997 年擊敗了國際象棋冠軍 Garry Kasparov。
Power 3
發(fā)布于 1998 年，每個芯片中集成了 1500 萬個晶體管。第一個 64 位對稱多處理器（SMP），POWER3 完全兼容原來的 POWER 指令集，也可以與 PowerPC 指令集很好地兼容。POWER3 設(shè)計用來從事從太空探測到天氣預(yù)報方面的科技計算應(yīng)用。它特有一個數(shù)據(jù)預(yù)取引擎，無阻塞的交叉數(shù)據(jù)緩存，雙浮點執(zhí)行單元，以及其他一些很好的設(shè)計。POWER3-II 使用銅作為連接介質(zhì)重新實現(xiàn)了 POWER3，這樣以相同的價格可以獲得兩倍的性能。
Power 4
發(fā)布于 2001 年，每個芯片中集成了 1 億 7400 萬個晶體管。采用 0.18 微米的銅和 SoI（絕緣硅）技術(shù)，POWER4 是目前市場上單個芯片功能最強(qiáng)大的芯片。POWER4 繼承了 POWER3 芯片的所有優(yōu)點（包括與 PowerPC 指令集的兼容性），但是采用的卻是全新的設(shè)計。每個處理器都有 2 個 64 位的 1GHz+ 的PowerPC 核心，這是第一個單板上具有多核心設(shè)計的服務(wù)器處理器（也稱為“片上 CMP”或“片上服務(wù)器”）。每個處理器都可以并行執(zhí)行 200 條指令。POWER4+（也稱為 POWER4-II）功能與之類似，但是主頻更高，功耗更低?，F(xiàn)在，1GHz的Power4處理器已經(jīng)推出，該產(chǎn)品率先采用0.11微米工藝，晶體管集成度達(dá)到1.7億。
Power 5
于2004 年4月發(fā)布。與 POWER3 和 POWER4 芯片類似，POWER5 是 POWER 和 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)的一種綜合體。這種芯片具有很多特性，例如通信加速、芯片多處理器、同步多線程等等，新研發(fā)的POWER 5微處理器是一款新一代的64位微處理器，它除了在性能方面得到明顯提高外，在可擴(kuò)展性、靈活性和可靠性方面也有所加強(qiáng)?；?/span>Power 4及Power 4+的設(shè)計，POWER 5增加了并發(fā)多線程能力（SMT），可以將一個處理器轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€處理器，從而允許一個芯片同時運(yùn)行兩個應(yīng)用，由此大大降低了完成一項任務(wù)所需要的時間。一個POWER5系統(tǒng)最終將支持多達(dá)64個處理器，這樣從軟件運(yùn)行角度來看，就好像是128個處理器在工作。 POWER5芯片具有27,600萬個晶體管，比最初的POWER4芯片（具有17,400萬個晶體管）多10,000萬個。 芯片面積為389平方毫米，包括2313個信號I/O和3057個電源I/O。 POWER5的設(shè)計是IBM系統(tǒng)設(shè)計師、芯片架構(gòu)設(shè)計師、軟件工程師和技術(shù)人員緊密協(xié)作的成果。它所采用的基礎(chǔ)技術(shù)有效保證了IBM eServer服務(wù)器在占用更小的空間（通過邏輯分區(qū)實現(xiàn)）的條件下為客戶提供更高的性能。 Power處理器及高端RISC服務(wù)器如下： Power4和Power5特性的對比如下： POWER5和Itanium及Opteron規(guī)格對比如下： 說明：Power系列處理器的未來路線圖----現(xiàn)在占市場主流的是Power4，今年推出Power5，2005年是速度更快的Power5+；2006年和2007年將推出Power6和Power6+；2008年推出Power7，之后是Power7+。系統(tǒng)方面也隨之升級，從AIX 的4.3版本到5.1、5.2，一直到今天的5.3版本。
下面是 IBM 在半導(dǎo)體領(lǐng)域所取得的最新突破：
銅介質(zhì)
半導(dǎo)體業(yè)界一直有夢想能使用銅作為介質(zhì)，這樣可以獲得比鋁好 40% 以上的電流傳輸效率。但是直到最近制造流程才實現(xiàn)了這個目標(biāo)。讓我們從 Edison 的筆記本中翻出一頁：IBM 的研究人員使用鎢來生產(chǎn)基于銅的芯片，其速度比鋁快 25倍到 30倍?？萍冀绮捎昧诉@種技術(shù)，通常稱之為 CMOS XS （其中 X 是一個數(shù)字）。
low-k 絕緣體
這種技術(shù)使用 SiLK 來防止銅線“串?dāng)_”，SiLK 是來自 Dow Chemical 的一種商業(yè)材料。
硅鍺合金（SiGe）
在二極管芯片制造中用來代替功耗更高的砷化鎵，SiGe 可以顯著地改善操作頻率、電流、噪音和電源容量。
絕緣硅（SoI）
在硅表面之間放上很薄的一層絕緣體，可以防止晶體管的“電子效應(yīng)”，這樣可以實現(xiàn)更高的性能和更低的功耗。
應(yīng)變硅
這種技術(shù)對硅進(jìn)行拉伸，從而加速電子在芯片內(nèi)的流動，不用進(jìn)行小型化就可以提高性能和降低功耗。如果與絕緣硅技術(shù)一起使用，應(yīng)變硅技術(shù)可以更大程度地提高性能并降低功耗。
作者點評：在最近 10 年中，IBM 在半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了一個又一個的突破：銅技術(shù)，絕緣硅，硅鍺合金，應(yīng)變硅和 low-k 絕緣體，這些新技術(shù)給它的服務(wù)器CPU發(fā)展奠定了扎實的基礎(chǔ)。IBM的Power結(jié)構(gòu)體系為廣泛的處理器提供了技術(shù)基礎(chǔ)，包括IBM的高端服務(wù)器芯片，以及到為計算機(jī)，服務(wù)器，手持設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品設(shè)計的PowerPC處理器。
Power4處理器主要用于高端Unix服務(wù)器，Power5處理器用途更加廣泛，可用于刀片式服務(wù)器。分區(qū)的功能也得到了改善，Power4處理器允許將分區(qū)設(shè)置為單個處理器的大小，Power5處理器允許進(jìn)行數(shù)百個分區(qū)。目前POWER5由于很好地解決了自身的發(fā)熱問題，使得應(yīng)用范圍可以延伸到從低端到高端的所有系列服務(wù)器當(dāng)中，中小企業(yè)無疑將成為最大的受益者。
隨著POWER5的發(fā)布，該產(chǎn)品將直接面對Itanium和Opteron的市場競爭，IBM則認(rèn)為：“POWER5絕對比Itanium-2更有效率。至于Opteron，經(jīng)過power5在緩存和核心結(jié)構(gòu)的成功改良，沒人能夠阻擋POWER5的進(jìn)攻”。 SUN篇 Sun公司成立于1982年，總部設(shè)在美國加州硅谷。Sun公司于1986年上市，在NASDAQ 的標(biāo)識為SUNW。
Sun公司是世界上最大的Unix系統(tǒng)供應(yīng)商，產(chǎn)品有UltraSPARC系列工作站、服務(wù)器和存儲器等計算機(jī)硬件系統(tǒng)，Solaris操作環(huán)境和Java系列開發(fā)工具和應(yīng)用軟件，以及企業(yè)服務(wù)等，并以其靈活性、高縮放性、可靠性和可用性等性能贏得各行業(yè)客戶的青睞。 下面還是讓我們來看一看SUN 服務(wù)器SPARC（UltraSPARC）處理器產(chǎn)品。
1987年，Sun和TI公司合作開發(fā)了RISC架構(gòu)的微處理器----SPARC，這是業(yè)界出現(xiàn)的第一款有可擴(kuò)展×××的微處理器。SPARC（Scalable Processor ARChitecture），即可擴(kuò)展性處理架構(gòu)，SPARC處理器為SUN的產(chǎn)品提供了強(qiáng)勁的動力。 SPARC 是基礎(chǔ)架構(gòu)的之中一個，SPARC 國際公司在1989成立，作為一個獨(dú)立非盈利性組織，監(jiān)督和引導(dǎo)SPARC 演變。SPARC 架構(gòu)是開放標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，在計算機(jī)行業(yè)以SPARC 商標(biāo)登記在全世界有160個國家。SPARC 架構(gòu)被證明是廣泛被接受的技術(shù)為系統(tǒng)在財政、學(xué)術(shù)、工業(yè)、 使命重要和一定互聯(lián)網(wǎng)市場上。
SPARC 是邏輯選擇為簡單地要求， 嵌入應(yīng)用因為SPARC 開發(fā)環(huán)境簡化了復(fù)雜設(shè)計的創(chuàng)作在短時間線。以超過二百萬位開發(fā)商和30000 種應(yīng)用， SPARC 社區(qū)等級在世界之中的最大當(dāng)SPARC 定義連續(xù)展示這個開放式體系結(jié)構(gòu)的例外通用性。
基于RISC 的 Scalable Processor ARChitecture處理器在功能從小數(shù)字照相機(jī)對大計算機(jī)主機(jī)類UNIX 服務(wù)器的功率設(shè)備，這微處理器架構(gòu)是由SPARC 國際（SI）來負(fù)責(zé)的。
Sun Microsystems出版版本7 的SPARC Architecture和提出第一個SPARC 處理器的世界。這個16MHz，32 位SPARC 86900“Sunrise” 處理器被實施了在一對20000 門Fujitsu gate-array 芯片，使用供給Sun 4/260 工作站動力。 1990 年SPARC 國際出版版本8 的SPARC Architecture， 以幾種關(guān)鍵改進(jìn)譬如硬件multiply/divide的 MMU 作用，支持對于128 位浮點運(yùn)算 出版版本9 規(guī)格，于1993 年被推出， 增加了支持對于64位地址和數(shù)據(jù)類型，包括處理器從Sun(UltraSPARC) 到Fujitsu(SPARC64) 。多年來， 主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的SPARC Architecture 供給各種各樣的系統(tǒng)動力包括服務(wù)器、工作站、膝上計算機(jī)、VME/PCI 委員會、存貯系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)開關(guān)、設(shè)置上面箱子和數(shù)字照相機(jī)。 基于RISC 的SPARC Architecture 的建立的架構(gòu)，提供足夠的“凈空高度” ，產(chǎn)生對集會未來的計算的要求巨型的處理器可測量性的視覺?，F(xiàn)在， 某一基于SPARC 的系統(tǒng)標(biāo)度每系統(tǒng)可以在100 個處理器之外。微處理器在下一個十年將面對許多挑戰(zhàn)，有效地處理被期望的工作量在區(qū)域譬如多媒體、安全和通信。SPARC 微處理器合并樸實和可測量性的獨(dú)特的組合， 很好地被安置接受這些挑戰(zhàn)；當(dāng)需要維護(hù)二進(jìn)制兼容性時，能很好地保護(hù)客戶的軟件投資。
對于要求高級圖形和多媒體能力的系統(tǒng)，Sun的UltraSPARC是第一種集成了2-D和3-D影像和圖形的處理器。 VIS是一組加速多媒體、影像處理和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的指令集，這使得UltraSPARC處理器與眾不同。 VIS RISC 指令集擴(kuò)展了SPARC-v9架構(gòu)。VIS是嵌入于UltraSPARC處理器中的單指令多數(shù)據(jù)(SIMD:Single Instruction Multiple Data) 代碼 。UPA連接UltraSPARC處理器、內(nèi)存、I/O子系統(tǒng)和圖形卡。為多任務(wù)、多處理器環(huán)境特別設(shè)計，UPA連接適用于大量數(shù)據(jù)的在系統(tǒng)中高速流動，增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的性能。
UltraSPARC IIe處理器現(xiàn)有400MHz和500MHz兩種頻率，與UltraSPARC處理器全系列產(chǎn)品實現(xiàn)完全的應(yīng)用軟件二進(jìn)制兼容。為了幫助用戶快速設(shè)計嵌入產(chǎn)品，Sun還提供設(shè)計套件和全套文本資料。設(shè)計套件不僅提供參考指南，可評估性能，還為軟件移植和定制應(yīng)用提供了平臺。
它是首個服務(wù)于嵌入應(yīng)用系統(tǒng)的高度集成的64位產(chǎn)品，適用于電信、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和ISP市場，為它們提供SPARC結(jié)構(gòu)所具備的可靠性、可用性和可擴(kuò)展性，可降低系統(tǒng)整體成本、縮短產(chǎn)品面市時間并增強(qiáng)系統(tǒng)整體性能。 SUN推出的UltraSPARC IIi處理器是為了解決64位計算和低端的工作站系統(tǒng)。此款處理器給人一個高度集成鮮明感覺，采用高效和低價系統(tǒng)設(shè)計；在許多英特網(wǎng)和企業(yè)服務(wù)器里使用的UltraSPARC IIi處理器也是基于64位版本9 的SPARC Architecture；它以低能耗，高可靠性和可擴(kuò)展性，廣泛用于運(yùn)用在數(shù)據(jù)中心、英特網(wǎng)、電信和企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。 Sun的UltraSPARC Ⅲ微處理器可提供更加靈活的擴(kuò)展方法。芯片可從兩路處理擴(kuò)展到數(shù)百路的處理操作，而無需重新設(shè)計大量的硬件及軟件。UltraSPARC Ⅲ處理器采用Sun的獨(dú)特設(shè)計方法，無需使用外部的存儲器控制器。獨(dú)立的控制器為系統(tǒng)總線增添了額外的負(fù)載，而UltraSPARC Ⅲ處理器與存儲器直接對話，從而減少了這一負(fù)載。因此，存儲器容量及性能可隨著處理器的增加自然擴(kuò)展。
UltraSPARC Ⅲ處理器就是針對新興網(wǎng)絡(luò)計算設(shè)計的，處理器具有更高的時鐘頻率，更少的延誤時間，可提供因特網(wǎng)要求的極高性能。UltraSPARC Ⅲ處理器還支持高度靈活的多處理環(huán)境，因此，選擇它作為新興因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的處理器，可快速擴(kuò)展，滿足不斷增長的計算要求。Ultra SPARC Ⅲ的工作頻率有900MHz、750MHz和600MHz三種。與以前的UltraSPARC Ⅱ相比，UltraSPARC Ⅲ運(yùn)行程序的速度要快一倍。 UltraSparc IIIi為每個處理器配備1MB的2級緩存，SPARC IIIi這個代號中的“i”所隱含的意思是“集成（Integration）”。也就是說，這個處理器具有極高的集成性，其中包括了存儲及I/O控制器、大量的芯片內(nèi)緩存以及有效降低系統(tǒng)復(fù)雜度的系統(tǒng)總線。對于某些特定的應(yīng)用，SPARC IIIi在降低成本方面效果十分顯著。Sun公司的中低端服務(wù)器采用專用處理器SPARC IIIi，它是針對1～4個處理器的環(huán)境而專門設(shè)計的，同時確保了最高標(biāo)準(zhǔn)的RAS能力。因此，Sun UltraSPARC IIIi處理器仍然是低端Unix服務(wù)器的上好之選。
PA-RISC架構(gòu)是HP早期學(xué)習(xí)與設(shè)計，從FOCUS CPU發(fā)展而來的世界上最早的32位微處理器。FOCUS CPU是在1984年之前本身建立指令組合而堆疊的一枚極大的薄片(450.000 FETs)；有關(guān)FOCUS 架構(gòu)可參考HP 9000資料中說明。寄存器結(jié)構(gòu)的PA-RISC處理器指定是為了代替在HP 3000服務(wù)器使用早期的16位堆棧結(jié)構(gòu)處理器和在HP Unix 工作站和服務(wù)器使用的Motorola 680x0 CPU。
最早的HP RISC PA-7000 CPU是32位的，具有14.2 x 14.2 mm2 ， 580000 FETs， 1.0 micron，2-layer CMOS，off-chip caches 可以達(dá)到 256KB/256KB I/D；采用5.0 V 核心電壓66 MHz 頻率。
PA-7100 是一個發(fā)行超過指令的 superscalar 處理器。它是第一個集成在ALU 和 FPU板單一鋼模上，而且具有較低的制造價格；PA-7100 和它的指令隱藏所之間的頻道已經(jīng)達(dá)到兩倍，使這一個處理器能夠當(dāng)做在上面描述指令水平；多樣的連續(xù)指令被處理器接受并且同時地派遣到獨(dú)立的完整事物和漂浮的點單元。
也有一個 PA-RISC處理器稱做 7150，它基本上是相同于 7100，但是由于對核心和隱藏所次要系統(tǒng)的允許時鐘頻率達(dá)到 125 MHz。 <?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /> PA-7100 LC 整合FPU 和 MIOC(memory and I/O controller) 一枚VLSI 芯片 cache上的處理器， 處理器和 FPU 支援 PA-RISC 1.1 版本 3 ISA 。PA-7200 從最初的 PA-7100 基礎(chǔ)上設(shè)計而來，核心部分采用0.55個微米處理器，有較大的cache；它不僅適用于高速目的應(yīng)用而且還可以采用高帶寬接口的大型網(wǎng)絡(luò)專門應(yīng)用。 PA-7300 LC 是 PA-7100 LC 的直接后裔并且同樣地設(shè)計來作為廉價的系統(tǒng)。 它是一個 PA-RISC 1.1 3rd 32 位處理器，與我們后面介紹的64 位PA-8000架構(gòu)相反。這是最后一個 PA- RISC 1.1 版處理器，以后所有的工作站和處理器都轉(zhuǎn)變?yōu)?/span> PA2.0 處理器。具體的性能參數(shù)在下面的表中有所說明。 上面介紹的PA-7000系列RISC 服務(wù)器CPU都是32位。1986年，HP發(fā)布了代號為PA-8000的第一款64位芯片，主頻為180MHz。這款芯片在原來芯片系列的基礎(chǔ)上增加了寄存器的個數(shù)，并實現(xiàn)了5個指令的無序處理，處理機(jī)被設(shè)計來作高消費(fèi)階層的系統(tǒng)和支援新的 64個位元的 PA-RISC 2.0 架構(gòu)。芯片在一個 0.5 微米，3.3 V 互補(bǔ)型金屬氧化半導(dǎo)體程序中被制造，造成 17.68 x19.mm和380萬個電晶體的鋼模；CPU可以達(dá)到768 MB/s系統(tǒng)總線，執(zhí)行處理器指令和數(shù)據(jù)，而且是為多重處理提供。
PA-8200芯片設(shè)計時就考慮過已經(jīng)存在PA-8000的架構(gòu)，吸取它的優(yōu)勢兼容應(yīng)用程序，并且很快就上市銷售；采用較快速的新4 Mb SRAM和增加處理器時鐘，PA-8200 績效重要地可能被提高，在等候指令和數(shù)據(jù)執(zhí)行的時間被減少；這主要一般是芯片增加了 BHT，TLB 和 caches，是 “高利益，低危險”一大進(jìn)步。PA－8200具有向上的應(yīng)用程序二進(jìn)兼容性，可最大限度保護(hù)用戶 投資。
當(dāng)一個極大的 L1 高速緩沖存儲器已經(jīng)在處理器一鋼模上被直接地整合的時候，PA-8500 是 PA-8000 和 PA-8200 處理器的直接優(yōu)化；很大程度上打破了HP傳統(tǒng)芯片的研發(fā)方式（主要是在芯片中增加1.5Mb L1緩存）。其他的優(yōu)點包括較大的 TLB 和 BHT 身為 PA-RISC 2.0 版系列產(chǎn)品的一個成員，PA-8500 是有內(nèi)定的 64個位元的整數(shù)算術(shù)的一個真實的 64 位元芯片。它支持 64個位元的虛地址空間， 雖然芯片輸出 40 實際的位址位元。這符合直接可尋址的存儲器的一個兆位元 (240個字節(jié)) 。芯片也支援 32個位元的定址，提供向后的 PA-7100 和 PA-7200 處理機(jī)的兼容。
PA-8600 基本上只是有要使它適宜在一種新的制造業(yè)程序之上的較小修改的 PA-8500， 為了要達(dá)成較高的時鐘速度。對最初的設(shè)計被應(yīng)用的唯一真正的變化之一是指令的一個類似的 LRU 替換策略存貯。 而且總線的介面顯然地被稍微地修改以及被重做的總線處理的命令。
PA-8700芯片采用0.18微米的制造工藝，其主頻已經(jīng)達(dá)到了800MHz以上。PA-8700也基本上是對PA-8500核心做了微小的的修改，就如同以前所有的 PA-8x00 處理器一樣，邏輯地非常接近1997年最初的 PA-8000 核心；當(dāng)推出基本的 PA-RISC 2.0 版核心的時候， 以至于所有后來 HP 的的新處理器，都是以這一個設(shè)計為基礎(chǔ)而且增加了一些功能和一些針對的微小修正它。
當(dāng)出現(xiàn)新的CMOS處理器的時候，PA-8700 則重要地提高了通用芯片 L1 caches 和 TLB推進(jìn)時鐘頻率。PA-8700 處理器是被 IBM 制造生產(chǎn)出來的，與 PA-8500 和 PA-8600 一樣，就如同它們是被Intel生產(chǎn)出來的，因為 HP很早就放棄它的CPU生產(chǎn)工廠。
新一代的PA-RISC 8800工作頻率800MHz或是1GHz，系統(tǒng)帶寬6.5GB/s，可以支持最大24GB DDR內(nèi)存。處理器內(nèi)部則具有1.5MB的L1緩存，以及驚人的32MB L2緩存。這款處理器需要惠普的ZXT芯片組支持，ZXT芯片組比起之前的產(chǎn)品不僅降低了內(nèi)存延遲，同時也提高了內(nèi)存容量以及帶寬。新款處理器PA-RISC 8800已經(jīng)應(yīng)用到HP的高端的服務(wù)器產(chǎn)品中。
對于新一代HP 9000服務(wù)器用戶來說，未來既可以升級到HP Integrity動能服務(wù)器，也可以在下一代PA-RISC處理器PA-8900（雙核心）投入使用時升級到基于PA-8900處理器的HP 9000服務(wù)器上，而且都可以全面采用“箱內(nèi)升級”的方式。原本預(yù)定中的 PA-8900 處理器應(yīng)該就是HP PA-RISC 的絕響。 作者點評：根據(jù)惠普RISC處理器的發(fā)展藍(lán)圖，HP PA-8800和PA-8900將分別與IA-64構(gòu)架的Itanium 2（McKinley）和Itanium 3（Deerfield）同期上市。在它們之后，惠普的PA-RISC處理器家族將從市場上撤退，來給IA-64構(gòu)架的新處理器讓路。
自從2002年惠普收購康柏，惠普成為了Alpha芯片的新主人?；萜諏⒁鎸@個棘手的問題，即在擴(kuò)展基于新的64位構(gòu)架（IA64）系統(tǒng)生產(chǎn)線的同時，是否還要生產(chǎn)正在走下坡路的另外兩個系列的產(chǎn)品（PA-RISC和Alpha）。目前惠普公司正在逐步地淘汰Alpha處理器，并將現(xiàn)有的Alpha系統(tǒng)用戶轉(zhuǎn)移到安騰平臺上。HP已經(jīng)不打算再做CPU了，轉(zhuǎn)而與Intel合作，原因就在于PA-RISC和Alpha的規(guī)模難以上去，研發(fā)和制造成本太高。
大家知道，自從20世紀(jì)70年代RISC （Reduced Instruction Set Computing，精簡指令集計算）技術(shù)推出以來，高性能微處理器設(shè)計的中心從半導(dǎo)體廠商轉(zhuǎn)向了系統(tǒng)廠商。由于其優(yōu)化的指令系統(tǒng)帶來的運(yùn)算速度的提高等優(yōu)勢，使得RISC技術(shù)在80年代后期，逐漸在高端服務(wù)器和工作站領(lǐng)域中取代了CISC （Complex Instruction Set Computing，復(fù)雜指令集計算）成為主流的微處理器設(shè)計架構(gòu)之一（見下表）。 ?? 隨著RISC架構(gòu)的提出，各個具備一定技術(shù)實力的廠家開始在這個架構(gòu)的基礎(chǔ)上研發(fā)出自己的處理器，經(jīng)過近二十年的發(fā)展，生產(chǎn)芯片的廠家經(jīng)歷了各種分分合合，到目前為止，我們見到的主流RISC芯片主要有PowerPC、SPARC、PA-RISC、MIPS等，這些芯片分別由重要的服務(wù)器廠商用來作為其高端服務(wù)器產(chǎn)品和工作站的核心。幾乎無一例外地，各種大型計算機(jī)和超級服務(wù)器都采用RISC架構(gòu)的處理器，RISC處理器已經(jīng)逐漸成為高性能計算機(jī)的代名詞，這也就是我們平時所指的Unix服務(wù)器陣營。 本文主要介紹服務(wù)器CPU之一 ——IBM的Power系列CPU。
IBM，即國際商業(yè)機(jī)器公司，1914年創(chuàng)建于美國，是世界上最大的信息工業(yè)跨國公司，目前擁有全球雇員20多萬人，業(yè)務(wù)遍及150多個國家和地區(qū)。
IBM擁有綜合先進(jìn)技術(shù)與結(jié)構(gòu)的全系列產(chǎn)品，包括新一代基于CMOS的并行企業(yè)服務(wù)器、首次采用64位RISC技術(shù)的AS/400高級系列、基于高性能PowerPC604微處理器的新RS/6000系列以及廣泛的軟件和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等。在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理、密集型事務(wù)處理、龐大數(shù)據(jù)庫、強(qiáng)大的可伸縮服務(wù)器、系統(tǒng)集成等方面，IBM具有強(qiáng)大的優(yōu)勢。
PowerPC 中的 PC 代表 performance computing。PowerPC 源自于 POWER 體系結(jié)構(gòu)，在 1993 年首次引入。與IBM 801 類似，PowerPC 從一開始設(shè)計就是要在各種計算機(jī)上運(yùn)行：從靠電池驅(qū)動的手持設(shè)備到超級計算機(jī)和大型機(jī)。
20世紀(jì)90年代，IBM、Apple和Motorola共同開發(fā)了PowerPC，這款RISC架構(gòu)的芯片的主要特點是可伸縮性好、方便靈活。第一代PowerPC代號為601，采用了0.6微米的生產(chǎn)工藝，晶體管的集成度接近300萬個。1998年，銅芯片問世，開創(chuàng)了一個新的歷史紀(jì)元。2000年，IBM開始大批推出采用銅芯片的產(chǎn)品，如RS/6000的X80系列服務(wù)器產(chǎn)品等。銅技術(shù)的誕生使CPU的生產(chǎn)工藝達(dá)到了0.2微米的水平，單芯片集成度達(dá)到2億，大大提高了服務(wù)器產(chǎn)品的運(yùn)算性能。 PowerPC 600 系列
PowerPC 601 是第一代 PowerPC 系列中的第一個芯片。它是 POWER 和 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)之間的橋梁，其與 POWER1 的兼容性比以后的 PowerPC 都要好（甚至比 POWER 同一系列的芯片還要好），同時它還兼容 Motorola 88110 總線。PowerPC 601 的首次面世是在 1994 年最早的 PowerMac 6100 中，其主頻為 66 Mhz。這條產(chǎn)品線中的下一個芯片是 603，它是一個低端的核心，通常在汽車中可以找到。它與 PowerPC 603 同時發(fā)布，當(dāng)時 PowerPC 604 是業(yè)界最高端的芯片。603 和 604 都有一個“e”版本（603e 和 604e），該版本中對性能進(jìn)行了改善。最后，第一個 64 位的 PowerPC 芯片，也是很高端的 PowerPC 620 于 1995 年發(fā)布。
PowerPC 700 系列
首次面世是在 1998 年，PowerPC 740 和 PowerPC 750 與 604e 非常類似 ，有些人會說他們是同一個 600/700 系列的成員。PowerPC 750 是世界上第一個基于銅的微處理器，當(dāng)它用于 Apple 計算機(jī)時，通常稱為 G3。它很快就被 G4（或稱為 Motorola 7400）所取代了。32 位的 PowerPC 750FX 在 2002 年發(fā)布時其速度就達(dá)到了 1GHz，這在業(yè)界引起一片嘩然。IBM 隨之在 2003 年又發(fā)布了 750GX，它帶有 1MB 的 L2 緩存，速度是 1GHz，功耗大約是 7 瓦。
PowerPC 900 系列
64 位的 PowerPC 970，這是 POWER4 的一個單核心版本，可以同時處理 200 條指令，其速度可以超過 2GHz，而功耗不過幾十瓦。低功耗的優(yōu)勢使其一方面成為筆記本和其他便攜式系統(tǒng)的寵兒，另一方面又成為大型服務(wù)器和存儲設(shè)備的首選品。它 64 位的處理能力和單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）單元可以加速計算密集型的應(yīng)用，例如多媒體和圖形。這種芯片用于 Apple 的桌面系統(tǒng)、Xserve 服務(wù)器、圖像系統(tǒng)以及日益增長的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。Apple Xerve G5 是第一個裝備 PowerPC 970FX 的機(jī)器，這是第一個采用應(yīng)變硅和絕緣硅技術(shù)制造的芯片，可以只需更低的功耗就實現(xiàn)更高的速度。
PowerPC 400 系列
這是 PowerPC 處理器中的嵌入式系列產(chǎn)品。PowerPC 的靈活性體系結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)很多的專用系統(tǒng)，但是從來沒有其他地方會像 400 系列一樣靈活。從機(jī)頂盒到 IBM 的“藍(lán)色基因”超級計算機(jī)，到處都可以看到它的身影。在這個系列的一端是 PowerPC 405EP，每個嵌入式處理器只需要 1 瓦的功耗就可以實現(xiàn) 200 MHz 的主頻；而另一端是基于銅技術(shù)的 800 MHz 的 PowerPC 440 系列，它可以提供業(yè)界最高端的嵌入式處理器。每個子系列都可以專用，例如，PowerPC 440GX 的雙千兆以太網(wǎng)和 TCP/IP 負(fù)載加速可以減少報文密集型應(yīng)用對 CPU 的占用率 50% 以上。大量的產(chǎn)品都是在對 PowerPC 400 系列的核心進(jìn)行高度修改而構(gòu)建的，其中“藍(lán)色基因”超級計算機(jī)就在每個芯片中采用了兩個 PowerPC 440 處理器和兩個 FP（浮點）核心。
POWER 是 Power Optimization With Enhanced RISC 的縮寫，是 IBM 的很多服務(wù)器、工作站和超級計算機(jī)的主要處理器。POWER 芯片起源于 801 CPU，是第二代 RISC 處理器。POWER 芯片在 1990 年被 RS 或 RISC System/6000 UNIX 工作站 （現(xiàn)在稱為 eServer 和 pSeries）采用，POWER 的產(chǎn)品有 POWER1、POWER2、POWER3、POWER4，現(xiàn)在最高端的是 POWER5。POWER5 處理器是目前單個芯片中性能最好的芯片。 801 的設(shè)計非常簡單。但是由于所有的指令都必須在一個時鐘周期內(nèi)完成，因此其浮點運(yùn)算和超量計算（并行處理）能力很差。POWER 體系結(jié)構(gòu)就著重于解決這個問題。POWER 芯片采用了 100 多條指令，是非常優(yōu)秀的一個 RISC 體系結(jié)構(gòu)。下面對每種 POWER 芯片簡單進(jìn)行一下介紹：
Power 1
發(fā)布于 1990 年，每個芯片中集成了 800,000 個晶體管。與當(dāng)時其他的 RISC 處理器不同，POWER1 進(jìn)行了功能劃分，這為這種功能強(qiáng)大的芯片賦予了超量計算的能力。它還有單獨(dú)的浮點寄存器，可以適應(yīng)從低端到高端的 UNIX 工作站。最初的 POWER1 芯片實際上是在一個主板上的幾個芯片；后來很快就變成一個 RSC（RISC 單一芯片），其中集成了 100 多萬個晶體管。POWER1 微處理器的 RSC 實現(xiàn)被火星探險任務(wù)用作中央處理器，它也是后來 PowerPC 產(chǎn)品線的先驅(qū)。
Power 2
發(fā)布于 1993 年，一直使用到 1998 年：每個芯片中集成了 1500 萬個晶體管。POWER2 芯片中新加了第二個浮點處理單元（FPU）和更多緩存。PSSC 超級芯片是 POWER2 這種 8 芯片體系結(jié)構(gòu)的一種單片實現(xiàn)，使用這種芯片配置的一個 32 節(jié)點的 IBM 深藍(lán)超級計算機(jī)在 1997 年擊敗了國際象棋冠軍 Garry Kasparov。
Power 3
發(fā)布于 1998 年，每個芯片中集成了 1500 萬個晶體管。第一個 64 位對稱多處理器（SMP），POWER3 完全兼容原來的 POWER 指令集，也可以與 PowerPC 指令集很好地兼容。POWER3 設(shè)計用來從事從太空探測到天氣預(yù)報方面的科技計算應(yīng)用。它特有一個數(shù)據(jù)預(yù)取引擎，無阻塞的交叉數(shù)據(jù)緩存，雙浮點執(zhí)行單元，以及其他一些很好的設(shè)計。POWER3-II 使用銅作為連接介質(zhì)重新實現(xiàn)了 POWER3，這樣以相同的價格可以獲得兩倍的性能。
Power 4
發(fā)布于 2001 年，每個芯片中集成了 1 億 7400 萬個晶體管。采用 0.18 微米的銅和 SoI（絕緣硅）技術(shù)，POWER4 是目前市場上單個芯片功能最強(qiáng)大的芯片。POWER4 繼承了 POWER3 芯片的所有優(yōu)點（包括與 PowerPC 指令集的兼容性），但是采用的卻是全新的設(shè)計。每個處理器都有 2 個 64 位的 1GHz+ 的PowerPC 核心，這是第一個單板上具有多核心設(shè)計的服務(wù)器處理器（也稱為“片上 CMP”或“片上服務(wù)器”）。每個處理器都可以并行執(zhí)行 200 條指令。POWER4+（也稱為 POWER4-II）功能與之類似，但是主頻更高，功耗更低?，F(xiàn)在，1GHz的Power4處理器已經(jīng)推出，該產(chǎn)品率先采用0.11微米工藝，晶體管集成度達(dá)到1.7億。
Power 5
于2004 年4月發(fā)布。與 POWER3 和 POWER4 芯片類似，POWER5 是 POWER 和 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)的一種綜合體。這種芯片具有很多特性，例如通信加速、芯片多處理器、同步多線程等等，新研發(fā)的POWER 5微處理器是一款新一代的64位微處理器，它除了在性能方面得到明顯提高外，在可擴(kuò)展性、靈活性和可靠性方面也有所加強(qiáng)?；?/span>Power 4及Power 4+的設(shè)計，POWER 5增加了并發(fā)多線程能力（SMT），可以將一個處理器轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€處理器，從而允許一個芯片同時運(yùn)行兩個應(yīng)用，由此大大降低了完成一項任務(wù)所需要的時間。一個POWER5系統(tǒng)最終將支持多達(dá)64個處理器，這樣從軟件運(yùn)行角度來看，就好像是128個處理器在工作。 POWER5芯片具有27,600萬個晶體管，比最初的POWER4芯片（具有17,400萬個晶體管）多10,000萬個。 芯片面積為389平方毫米，包括2313個信號I/O和3057個電源I/O。 POWER5的設(shè)計是IBM系統(tǒng)設(shè)計師、芯片架構(gòu)設(shè)計師、軟件工程師和技術(shù)人員緊密協(xié)作的成果。它所采用的基礎(chǔ)技術(shù)有效保證了IBM eServer服務(wù)器在占用更小的空間（通過邏輯分區(qū)實現(xiàn)）的條件下為客戶提供更高的性能。 Power處理器及高端RISC服務(wù)器如下： Power4和Power5特性的對比如下： POWER5和Itanium及Opteron規(guī)格對比如下： 說明：Power系列處理器的未來路線圖----現(xiàn)在占市場主流的是Power4，今年推出Power5，2005年是速度更快的Power5+；2006年和2007年將推出Power6和Power6+；2008年推出Power7，之后是Power7+。系統(tǒng)方面也隨之升級，從AIX 的4.3版本到5.1、5.2，一直到今天的5.3版本。
下面是 IBM 在半導(dǎo)體領(lǐng)域所取得的最新突破：
銅介質(zhì)
半導(dǎo)體業(yè)界一直有夢想能使用銅作為介質(zhì)，這樣可以獲得比鋁好 40% 以上的電流傳輸效率。但是直到最近制造流程才實現(xiàn)了這個目標(biāo)。讓我們從 Edison 的筆記本中翻出一頁：IBM 的研究人員使用鎢來生產(chǎn)基于銅的芯片，其速度比鋁快 25倍到 30倍?？萍冀绮捎昧诉@種技術(shù)，通常稱之為 CMOS XS （其中 X 是一個數(shù)字）。
low-k 絕緣體
這種技術(shù)使用 SiLK 來防止銅線“串?dāng)_”，SiLK 是來自 Dow Chemical 的一種商業(yè)材料。
硅鍺合金（SiGe）
在二極管芯片制造中用來代替功耗更高的砷化鎵，SiGe 可以顯著地改善操作頻率、電流、噪音和電源容量。
絕緣硅（SoI）
在硅表面之間放上很薄的一層絕緣體，可以防止晶體管的“電子效應(yīng)”，這樣可以實現(xiàn)更高的性能和更低的功耗。
應(yīng)變硅
這種技術(shù)對硅進(jìn)行拉伸，從而加速電子在芯片內(nèi)的流動，不用進(jìn)行小型化就可以提高性能和降低功耗。如果與絕緣硅技術(shù)一起使用，應(yīng)變硅技術(shù)可以更大程度地提高性能并降低功耗。
作者點評：在最近 10 年中，IBM 在半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了一個又一個的突破：銅技術(shù)，絕緣硅，硅鍺合金，應(yīng)變硅和 low-k 絕緣體，這些新技術(shù)給它的服務(wù)器CPU發(fā)展奠定了扎實的基礎(chǔ)。IBM的Power結(jié)構(gòu)體系為廣泛的處理器提供了技術(shù)基礎(chǔ)，包括IBM的高端服務(wù)器芯片，以及到為計算機(jī)，服務(wù)器，手持設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品設(shè)計的PowerPC處理器。
Power4處理器主要用于高端Unix服務(wù)器，Power5處理器用途更加廣泛，可用于刀片式服務(wù)器。分區(qū)的功能也得到了改善，Power4處理器允許將分區(qū)設(shè)置為單個處理器的大小，Power5處理器允許進(jìn)行數(shù)百個分區(qū)。目前POWER5由于很好地解決了自身的發(fā)熱問題，使得應(yīng)用范圍可以延伸到從低端到高端的所有系列服務(wù)器當(dāng)中，中小企業(yè)無疑將成為最大的受益者。
隨著POWER5的發(fā)布，該產(chǎn)品將直接面對Itanium和Opteron的市場競爭，IBM則認(rèn)為：“POWER5絕對比Itanium-2更有效率。至于Opteron，經(jīng)過power5在緩存和核心結(jié)構(gòu)的成功改良，沒人能夠阻擋POWER5的進(jìn)攻”。 SUN篇 Sun公司成立于1982年，總部設(shè)在美國加州硅谷。Sun公司于1986年上市，在NASDAQ 的標(biāo)識為SUNW。
Sun公司是世界上最大的Unix系統(tǒng)供應(yīng)商，產(chǎn)品有UltraSPARC系列工作站、服務(wù)器和存儲器等計算機(jī)硬件系統(tǒng)，Solaris操作環(huán)境和Java系列開發(fā)工具和應(yīng)用軟件，以及企業(yè)服務(wù)等，并以其靈活性、高縮放性、可靠性和可用性等性能贏得各行業(yè)客戶的青睞。 下面還是讓我們來看一看SUN 服務(wù)器SPARC（UltraSPARC）處理器產(chǎn)品。
1987年，Sun和TI公司合作開發(fā)了RISC架構(gòu)的微處理器----SPARC，這是業(yè)界出現(xiàn)的第一款有可擴(kuò)展×××的微處理器。SPARC（Scalable Processor ARChitecture），即可擴(kuò)展性處理架構(gòu)，SPARC處理器為SUN的產(chǎn)品提供了強(qiáng)勁的動力。 SPARC 是基礎(chǔ)架構(gòu)的之中一個，SPARC 國際公司在1989成立，作為一個獨(dú)立非盈利性組織，監(jiān)督和引導(dǎo)SPARC 演變。SPARC 架構(gòu)是開放標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，在計算機(jī)行業(yè)以SPARC 商標(biāo)登記在全世界有160個國家。SPARC 架構(gòu)被證明是廣泛被接受的技術(shù)為系統(tǒng)在財政、學(xué)術(shù)、工業(yè)、 使命重要和一定互聯(lián)網(wǎng)市場上。
SPARC 是邏輯選擇為簡單地要求， 嵌入應(yīng)用因為SPARC 開發(fā)環(huán)境簡化了復(fù)雜設(shè)計的創(chuàng)作在短時間線。以超過二百萬位開發(fā)商和30000 種應(yīng)用， SPARC 社區(qū)等級在世界之中的最大當(dāng)SPARC 定義連續(xù)展示這個開放式體系結(jié)構(gòu)的例外通用性。
基于RISC 的 Scalable Processor ARChitecture處理器在功能從小數(shù)字照相機(jī)對大計算機(jī)主機(jī)類UNIX 服務(wù)器的功率設(shè)備，這微處理器架構(gòu)是由SPARC 國際（SI）來負(fù)責(zé)的。
Sun Microsystems出版版本7 的SPARC Architecture和提出第一個SPARC 處理器的世界。這個16MHz，32 位SPARC 86900“Sunrise” 處理器被實施了在一對20000 門Fujitsu gate-array 芯片，使用供給Sun 4/260 工作站動力。 1990 年SPARC 國際出版版本8 的SPARC Architecture， 以幾種關(guān)鍵改進(jìn)譬如硬件multiply/divide的 MMU 作用，支持對于128 位浮點運(yùn)算 出版版本9 規(guī)格，于1993 年被推出， 增加了支持對于64位地址和數(shù)據(jù)類型，包括處理器從Sun(UltraSPARC) 到Fujitsu(SPARC64) 。多年來， 主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的SPARC Architecture 供給各種各樣的系統(tǒng)動力包括服務(wù)器、工作站、膝上計算機(jī)、VME/PCI 委員會、存貯系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)開關(guān)、設(shè)置上面箱子和數(shù)字照相機(jī)。 基于RISC 的SPARC Architecture 的建立的架構(gòu)，提供足夠的“凈空高度” ，產(chǎn)生對集會未來的計算的要求巨型的處理器可測量性的視覺?，F(xiàn)在， 某一基于SPARC 的系統(tǒng)標(biāo)度每系統(tǒng)可以在100 個處理器之外。微處理器在下一個十年將面對許多挑戰(zhàn)，有效地處理被期望的工作量在區(qū)域譬如多媒體、安全和通信。SPARC 微處理器合并樸實和可測量性的獨(dú)特的組合， 很好地被安置接受這些挑戰(zhàn)；當(dāng)需要維護(hù)二進(jìn)制兼容性時，能很好地保護(hù)客戶的軟件投資。
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在SPARC處理器之后不久，隨后出現(xiàn)了64位高性能的UltraSPARC 處理器，為Sun公司的工作站和服務(wù)器提供了發(fā)展原動力。Sun的系統(tǒng)架構(gòu)提供了一種非常平衡的性能，系統(tǒng)部件（和內(nèi)存）組合起來加速了應(yīng)用序列的每個部分；高速I/O和網(wǎng)絡(luò)，與高速互連部件一起提高了數(shù)據(jù)獲取速度。 UltraSPARC CPU 提供了超級計算能力，并驅(qū)動數(shù)據(jù)流通過互連部件 （UPA，Gigaplane Bus和Fireplane Interconnect）維持高速處理。 上圖顯示了系統(tǒng)的各部分如何在一個平衡的架構(gòu)內(nèi)全速工作，保證應(yīng)用運(yùn)行得更好：它們不會在系統(tǒng)的某個部分遇到瓶頸。對于要求高級圖形和多媒體能力的系統(tǒng)，Sun的UltraSPARC是第一種集成了2-D和3-D影像和圖形的處理器。 VIS是一組加速多媒體、影像處理和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的指令集，這使得UltraSPARC處理器與眾不同。 VIS RISC 指令集擴(kuò)展了SPARC-v9架構(gòu)。VIS是嵌入于UltraSPARC處理器中的單指令多數(shù)據(jù)(SIMD:Single Instruction Multiple Data) 代碼 。UPA連接UltraSPARC處理器、內(nèi)存、I/O子系統(tǒng)和圖形卡。為多任務(wù)、多處理器環(huán)境特別設(shè)計，UPA連接適用于大量數(shù)據(jù)的在系統(tǒng)中高速流動，增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的性能。
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UltraSPARC IIe微處理器采用0.18μm 6層金屬連線工藝，370引腳、49.5mm CPGA封裝;內(nèi)部集成了256-KB二級高速緩存、32位標(biāo)準(zhǔn)66MHz PCI總線、高性能SDRAM控制器和內(nèi)存接口。該處理器的功耗性能是專為嵌入應(yīng)用而優(yōu)化的，對1.5伏的400MHz處理器來說，其功耗估計最多為8瓦，而1.7伏的500MHz處理器，功耗最多則為13瓦。此外，附加的內(nèi)置功率管理功能使休眠狀態(tài)時最多耗能3瓦，符合Energy Star的要求。UltraSPARC IIe處理器現(xiàn)有400MHz和500MHz兩種頻率，與UltraSPARC處理器全系列產(chǎn)品實現(xiàn)完全的應(yīng)用軟件二進(jìn)制兼容。為了幫助用戶快速設(shè)計嵌入產(chǎn)品，Sun還提供設(shè)計套件和全套文本資料。設(shè)計套件不僅提供參考指南，可評估性能，還為軟件移植和定制應(yīng)用提供了平臺。
它是首個服務(wù)于嵌入應(yīng)用系統(tǒng)的高度集成的64位產(chǎn)品，適用于電信、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和ISP市場，為它們提供SPARC結(jié)構(gòu)所具備的可靠性、可用性和可擴(kuò)展性，可降低系統(tǒng)整體成本、縮短產(chǎn)品面市時間并增強(qiáng)系統(tǒng)整體性能。 SUN推出的UltraSPARC IIi處理器是為了解決64位計算和低端的工作站系統(tǒng)。此款處理器給人一個高度集成鮮明感覺，采用高效和低價系統(tǒng)設(shè)計；在許多英特網(wǎng)和企業(yè)服務(wù)器里使用的UltraSPARC IIi處理器也是基于64位版本9 的SPARC Architecture；它以低能耗，高可靠性和可擴(kuò)展性，廣泛用于運(yùn)用在數(shù)據(jù)中心、英特網(wǎng)、電信和企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。 Sun的UltraSPARC Ⅲ微處理器可提供更加靈活的擴(kuò)展方法。芯片可從兩路處理擴(kuò)展到數(shù)百路的處理操作，而無需重新設(shè)計大量的硬件及軟件。UltraSPARC Ⅲ處理器采用Sun的獨(dú)特設(shè)計方法，無需使用外部的存儲器控制器。獨(dú)立的控制器為系統(tǒng)總線增添了額外的負(fù)載，而UltraSPARC Ⅲ處理器與存儲器直接對話，從而減少了這一負(fù)載。因此，存儲器容量及性能可隨著處理器的增加自然擴(kuò)展。
UltraSPARC Ⅲ處理器就是針對新興網(wǎng)絡(luò)計算設(shè)計的，處理器具有更高的時鐘頻率，更少的延誤時間，可提供因特網(wǎng)要求的極高性能。UltraSPARC Ⅲ處理器還支持高度靈活的多處理環(huán)境，因此，選擇它作為新興因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的處理器，可快速擴(kuò)展，滿足不斷增長的計算要求。Ultra SPARC Ⅲ的工作頻率有900MHz、750MHz和600MHz三種。與以前的UltraSPARC Ⅱ相比，UltraSPARC Ⅲ運(yùn)行程序的速度要快一倍。 UltraSparc IIIi為每個處理器配備1MB的2級緩存，SPARC IIIi這個代號中的“i”所隱含的意思是“集成（Integration）”。也就是說，這個處理器具有極高的集成性，其中包括了存儲及I/O控制器、大量的芯片內(nèi)緩存以及有效降低系統(tǒng)復(fù)雜度的系統(tǒng)總線。對于某些特定的應(yīng)用，SPARC IIIi在降低成本方面效果十分顯著。Sun公司的中低端服務(wù)器采用專用處理器SPARC IIIi，它是針對1～4個處理器的環(huán)境而專門設(shè)計的，同時確保了最高標(biāo)準(zhǔn)的RAS能力。因此，Sun UltraSPARC IIIi處理器仍然是低端Unix服務(wù)器的上好之選。
轉(zhuǎn)載于:https://blog.51cto.com/89860/82750
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的高端服务器CPU详细图解的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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