Микропроцессоры IBM POWER

У IBM есть серия высокопроизводительных микропроцессоров под названием POWER, за которой следует номер, обозначающий поколение, например, POWER1 , POWER2 , POWER3 и так далее, вплоть до последней версии POWER10 . Эти процессоры использовались IBM в их RS / 6000 , AS / 400 , pSeries , ISeries , System р , системы я и Power Systems линия серверов и суперкомпьютеров . Они также использовались в устройствах хранения данных.IBM и других производителей серверов, таких как Bull и Hitachi .

Название «POWER» было первоначально представлено как аббревиатура от «Performance Optimization With Enhanced RISC».

Семейство процессоров POWER n было разработано в конце 1980-х годов и все еще находится в активной разработке почти 30 лет спустя. Вначале они использовали архитектуру набора инструкций POWER (ISA), но в последующих поколениях она превратилась в PowerPC, а затем в Power ISA , поэтому современные процессоры POWER не используют POWER ISA, они используют Power ISA. В августе 2019 года IBM объявила об открытии исходного кода Power ISA. ^[1] В рамках переезда также было объявлено, что администрирование OpenPOWER Foundation теперь будет осуществляться Linux Foundation .

История [ править ]

Ранние разработки [ править ]

Исследовательский проект 801 [ править ]

В 1974 году IBM начала проект по созданию компьютера с телефонной коммутацией, который в то время требовал огромных вычислительных мощностей. Поскольку приложение было сравнительно простым, этой машине нужно было бы только выполнять ввод-вывод , переходы , добавлять регистр-регистр , перемещать данные между регистрами и памятью и не было бы необходимости в специальных инструкциях для выполнения сложных арифметических операций. Эта простая философия проектирования, согласно которой каждый шаг сложной операции явно определяется одной машинной инструкцией, и все инструкции должны выполняться за одно и то же постоянное время, позже стала известна как RISC.. Когда проект телефонного коммутатора был отменен, IBM сохранила проект процессора общего назначения и назвала его 801 в честь здания № 801 в Исследовательском центре Томаса Дж. Уотсона .

Проект Cheetah [ править ]

К 1982 году IBM продолжала исследовать суперскалярные ограничения конструкции 801, используя несколько исполнительных блоков для повышения производительности, чтобы определить, может ли RISC-машина поддерживать несколько инструкций за цикл. В конструкцию 801 было внесено множество изменений, позволяющих использовать несколько исполнительных модулей, а процессор Cheetah имел отдельные исполнительные модули с предсказанием переходов , с фиксированной и плавающей запятой . К 1984 году была выбрана КМОП, поскольку она позволила повысить уровень интеграции схемы при улучшении характеристик транзисторной логики.

Американский проект [ править ]

В 1985 году в исследовательском центре IBM Thomas J. Watson Research Center началось исследование архитектуры RISC второго поколения, в результате чего была разработана «архитектура AMERICA»; В 1986 году IBM Austin приступила к разработке компьютеров серии RS / 6000 на основе этой архитектуры. Это должно было стать первым процессором POWER, использующим первую POWER ISA.

СИЛА [ править ]

В феврале 1990 года первые компьютеры IBM, на которых была установлена ​​POWER ISA, назывались «RISC System / 6000» или RS / 6000. Эти компьютеры RS / 6000 были разделены на два класса, рабочие станции и серверы, и поэтому были представлены как POWERstation и POWERserver. ЦП RS / 6000 имел 2 конфигурации, называемые «RIOS-1» и «RIOS.9» (или, чаще, ЦП POWER1 ). Конфигурация RIOS-1 имела всего 10 дискретных микросхем - микросхему кэша инструкций, микросхему с фиксированной запятой, микросхему с плавающей запятой, 4 кэша данных L1.микросхемы, микросхема управления памятью, микросхемы ввода / вывода и микросхема часов. В более дешевой конфигурации RIOS.9 было 8 дискретных микросхем - микросхема кэша инструкций, микросхема с фиксированной запятой, микросхема с плавающей запятой, 2 микросхемы кеша данных, микросхема управления памятью, микросхема ввода / вывода и микросхема часов.

POWER1 - первый микропроцессор, который использовал переименование регистров и выполнение вне очереди . Упрощенная и менее мощная версия 10-микросхемной RIOS-1, созданная в 1992 году, была разработана для младших моделей RS / 6000. Он использовал только один чип и назывался « RISC Single Chip » или RSC .

Процессоры POWER1 [ править ]

• RIOS-1  - оригинальная 10-чиповая версия
• RIOS.9  - менее мощная версия RIOS-1
• POWER1 +  - более быстрая версия RIOS-1, созданная по сокращенному производственному процессу
• POWER1 ++  - еще более быстрая версия RIOS-1
• RSC  - однокристальная реализация RIOS-1
• RAD6000  - радиационно-стойкая версия RSC была сделана доступной для использования в основном в космосе; это был очень популярный дизайн, который широко использовался во многих громких миссиях.

POWER2 [ править ]

IBM начала разработку процессора POWER2 как преемника POWER1. Благодаря добавлению второго модуля с фиксированной запятой, второго мощного модуля с плавающей запятой, а также других улучшений производительности и новых инструкций к конструкции, POWER2 ISA показала лидирующую производительность, когда она была анонсирована в ноябре 1993 года. POWER2 был многочиповой конструкцией, но IBM также разработала единый чип, названный POWER2 Super Chip или P2SC, который используется в высокопроизводительных серверах и суперкомпьютерах. На момент своего появления в 1996 году P2SC был крупнейшим процессором с самым большим количеством транзисторов в отрасли и лидером в операциях с плавающей запятой.

Процессоры POWER2 [ править ]

• POWER2  - от 6 до 8 микросхем были установлены на керамический многокристальный модуль
• POWER2 +  - более дешевая 6-чиповая версия POWER2 с поддержкой внешних кэшей L2.
• P2SC  - более быстрая и одночиповая версия POWER2
• P2SC +  - еще более быстрая версия или P2SC из-за сокращенного процесса изготовления

PowerPC [ править ]

В 1991 году компания Apple искала будущей альтернативы Motorola «S 68000 -На CISC платформы и Motorola экспериментировал с платформой RISC своей собственной, на 88000 . IBM присоединилась к обсуждению, и эти трое основали альянс AIM для создания PowerPC ISA, в значительной степени основанного на POWER ISA, но с дополнениями от Apple и Motorola. Это должна была быть полная 32/64 битная RISC-архитектура, которая должна была варьироваться от встроенных микроконтроллеров очень низкого уровня до суперкомпьютеров и серверных приложений самого высокого уровня .

После двух лет разработки получившийся PowerPC ISA был представлен в 1993 году. Модифицированная версия архитектуры RSC, PowerPC добавила инструкции с плавающей запятой одинарной точности и общие инструкции умножения и деления регистр-регистр, а также удалила некоторые функции POWER. Также добавлена ​​64-битная версия ISA и поддержка SMP .

Проект Amazon [ править ]

В 1990 году IBM хотела объединить серверную архитектуру начального и среднего уровня, RS / 6000 RISC ISA и AS / 400 CISC ISA в одну общую RISC ISA, которая могла бы содержать операционные системы IBM AIX и OS / 400 . Существующий POWER и будущие ISA PowerPC были сочтены неподходящими для команды AS / 400, поэтому было разработано расширение для 64-битного набора инструкций PowerPC под названием PowerPC AS for Advances Series или Amazon Series . Позже были добавлены дополнения от команды RS / 6000 и AIM Alliance PowerPC, и к 2001 году, с введением POWER4, все они были объединены в одну архитектуру набора команд: PowerPC v.2.0.

POWER3 [ править ]

POWER3 начал свою жизнь как PowerPC 630, преемник коммерчески неудачного PowerPC 620 . Он использовал комбинацию POWER2 ISA и 32/64-битного набора PowerPC ISA с поддержкой SMP и однокристальной реализации. Он широко использовался в компьютерах IBM RS / 6000, в то время как версия второго поколения, POWER3-II, была первым коммерчески доступным процессором от IBM, использующим медные межсоединения . POWER3 был последним процессором, который использовал набор команд POWER; все последующие модели использовали ту или иную версию набора команд PowerPC.

Процессоры POWER3 [ править ]

• POWER3  - представленный в 1998 году, он сочетал в себе наборы команд POWER и PowerPC.
• POWER3-II  - более быстрый POWER3, изготовленный по медному процессу меньшего размера.

POWER4 [ править ]

POWER4 объединил 32/64-битный набор команд PowerPC и 64-битный набор команд PowerPC AS из проекта Amazon с новой спецификацией PowerPC v.2.0, объединив семейства компьютеров IBM RS / 6000 и AS / 400. Помимо объединения различных платформ, POWER4 также был разработан для достижения очень высоких частот и имеет большие встроенные кэш-память L2. Это был первый коммерчески доступный многоядерный процессор, выпускавшийся в версиях с одним кристаллом, а также в виде четырехчиповых многочиповых модулей. В 2002 году по заказу Apple IBM также выпустила версию POWER4 с меньшими затратами и функциями, получившую название PowerPC 970 .

Процессоры POWER4 [ править ]

• POWER4  - первый двухъядерный микропроцессор и первый процессор PowerPC с тактовой частотой выше 1 ГГц.
• POWER4 +  - более быстрый POWER4, изготовленный по сокращенному процессу.

POWER5 [ править ]

Процессоры POWER5 построены на базе популярного POWER4 и включают в себя одновременную многопоточность - технологию, впервые использованную в процессоре RS64-III на базе PowerPC AS , а также в контроллерах памяти на кристалле . Он был разработан для многопроцессорной обработки в массовом масштабе и был представлен в виде многочиповых модулей со встроенными крупными микросхемами кэш-памяти третьего уровня.

Процессоры POWER5 [ править ]

• POWER5  - культовая установка с четырьмя микросхемами POWER5 и четырьмя микросхемами кэш-памяти L3 на большом многокристальном модуле.
• POWER5 +  - более быстрый POWER5, изготовленный по сокращенному процессу, в основном для снижения энергопотребления.

Power ISA [ править ]

В 2004 году была основана совместная организация под названием Power.org с миссией унифицировать и координировать будущую разработку спецификаций PowerPC. К тому времени спецификация PowerPC была фрагментирована, так как Freescale (урожденная Motorola) и IBM пошли разными путями в своих соответствующих разработках. Freescale отдавала приоритет 32-битным встроенным приложениям, а также высокопроизводительным серверам и суперкомпьютерам IBM. Также был набор лицензиатов спецификации, таких как AMCC , Synopsys , Sony , Microsoft , PA Semi , CRAY и Xilinx.это требовало координации. Совместные усилия были направлены не только на оптимизацию разработки технологии, но и на оптимизацию маркетинга.

Новая архитектура набора команд получила название Power ISA и объединила PowerPC v.2.02 от POWER5 со спецификацией PowerPC Book E от Freescale, а также с некоторыми родственными технологиями, такими как Vector-Media Extensions, известными под торговой маркой AltiVec (также называемой VMX by IBM) и аппаратной виртуализации . Этот новый ISA назывался Power ISA v.2.03, и POWER6 был первым процессором высокого класса от IBM, который его использовал. Старые спецификации POWER и PowerPC не были приняты, и с этого момента эти наборы команд были окончательно признаны устаревшими . Сегодня не ведется активной разработки каких-либо типов процессоров, использующих эти старые наборы команд.

POWER6 [ править ]

POWER6 стал плодом амбиций проекта eCLipz , объединив наборы инструкций I (AS / 400), P (RS / 6000) и Z (мэйнфреймы) на одной общей платформе. I и P уже были объединены с POWER4, но усилия eCLipz не смогли включить z / Architecture на основе CISC, и процессор z10 стал братом eCLipz POWER6. z / Architecture и по сей день остается отдельным направлением проектирования, никак не связанным с набором инструкций Power ISA.

Благодаря eCLipz, POWER6 имеет необычный дизайн, поскольку он нацелен на очень высокие частоты и жертвует неупорядоченным выполнением, что было особенностью процессоров POWER и PowerPC с момента их появления. POWER6 также представил в Power ISA десятичный блок с плавающей запятой , который он разделяет с z / Architecture.

Выпустив POWER6, в 2008 году IBM объединила прежние семейства серверов и рабочих станций System p и System i в одно семейство под названием Power Systems . На машинах Power Systems могут работать разные операционные системы, такие как AIX, Linux и IBM i .

Процессоры POWER6 [ править ]

• POWER6  - достигнута частота 5 ГГц; поставляется в модулях с одним чипом и в MCM с двумя чипами кэш-памяти L3.
• POWER6 +  - небольшое обновление, созданное по тому же процессу, что и POWER6.

POWER7 [ править ]

Симметричная многопроцессорная конструкция POWER7 представляет собой существенную эволюцию проекта POWER6, уделяя больше внимания энергоэффективности за счет использования нескольких ядер, одновременной многопоточности (SMT), выполнения вне очереди и больших кэш-памяти eDRAM L3 на кристалле. Восьмиядерный чип может выполнять 32 потока параллельно и имеет режим, в котором он может отключать ядра для достижения более высоких частот для оставшихся. Он использует новый высокопроизводительный модуль с плавающей запятой под названием VSX, который объединяет функциональность традиционного FPU с AltiVec. Даже когда POWER7 работает на более низких частотах, чем POWER6, каждое ядро ​​POWER7 работает быстрее, чем его аналог POWER6.

Процессоры POWER7 [ править ]

• POWER7  - поставляется в виде однокристальных модулей или в конфигурациях MCM с четырьмя микросхемами для суперкомпьютерных приложений.
• POWER7 +  - Уменьшен процесс производства, увеличен кэш L3 и частота.

POWER8 [ править ]

POWER8 - это 12-ядерный процессор с тактовой частотой 4 ГГц с 8 аппаратными потоками на ядро, всего 96 потоков параллельного выполнения. Он использует 96  МБ кэш-памяти L3 eDRAM на кристалле и 128 МБ кэш-памяти L4 вне кристалла, а также новую шину расширения под названием CAPI, которая работает поверх PCIe, заменяя старую шину GX . Шину CAPI можно использовать для подключения выделенных микросхем внешнего ускорителя, таких как графические процессоры , ASIC и FPGA . IBM заявляет, что он в два-три раза быстрее своего предшественника POWER7.

Впервые он был построен по 22-нанометровому процессу в 2014 году. ^{[2] [3] [4]} В декабре 2012 года IBM начала предоставлять исправления для версии ядра Linux 3.8 для поддержки новых функций POWER8, включая инструкции VSX-2. ^[5]

POWER9 [ править ]

IBM потратила довольно много времени на разработку процессора POWER9 по словам Уильяма Старка, системного архитектора для процессора POWER8. ^[6] POWER9 является первым , чтобы включить элементы питания ISA версии 3.0 , которая была выпущена в декабре 2015 года, в том числе инструкции VSX-3, а также включает в себя поддержку Nvidia «s NVLink шинной технологии. ^{[7] [8]}

Государственный департамент энергетики США совместно с Oak Ridge National Laboratory и Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора контракт IBM и Nvidia построить два суперкомпьютеров Sierra и встречи на высшем уровне , которые основаны на процессорах POWER9 в сочетании с Nvidia, Вольта графических процессоров. Sierra пошел онлайн в 2017 году и на высшем уровне в 2018. ^{[9] [10] [11]}

POWER9, который был запущен в 2017 году, производится с использованием 14-нм техпроцесса FinFET и поставляется в четырех версиях: две 24-ядерные версии SMT4, предназначенные для использования PowerNV для масштабирования и масштабирования приложений, и две 12-ядерные версии SMT8, предназначенные для использования PowerVM. для масштабирования и масштабирования приложений. Возможно, в будущем будет больше версий, поскольку архитектура POWER9 открыта для лицензирования и модификации членами OpenPOWER Foundation . ^[12]

POWER10 [ править ]

POWER10 - это ЦП, внедрение которого планируется в 2021 году. Основное внимание уделяется очень большому количеству ядер и высокопроизводительному вводу-выводу. Планируется, что он будет построен по технологии 7 нм. ^{[13] [14]}

Устройства [ править ]

См. Также [ править ]

• IBM OpenPower
• Фонд OpenPOWER

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• IBM объявляет об инвестициях в Linux для Power Systems в размере 1 миллиарда долларов ( LWN.net )