POWER
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
POWER (сокр. от англ. Performance Optimization With Enhanced RISC) — микропроцессорная архитектура с ограниченным набором команд (RISC), разработанная и развиваемая компанией IBM. Название позже было расшифровано как Performance Optimization With Enhanced RISC (оптимизация производительности на базе расширенной архитектуры RISC). Этим словом также называется серия микропроцессоров, использующая указанный набор команд. Они применяются в качестве центрального процессора во многих микрокомпьютерах, встраиваемых системах, рабочих станциях, мейнфреймах и суперкомпьютерах.
Архитектура POWER прошла в своём развитии несколько поколений. Начиная с POWER3 микропроцессоры поддерживают полный набор команд 64-битной архитектуры PowerPC и не поддерживают старые команды, которые были удалены из архитектуры одновременно с появлением стандарта PowerPC. Также прекращена поддержка расширенных инструкций POWER2, например lfq и stfq.
Для обсуждения любых продуктов, основанных на архитектуре, предназначено сообщество Power.org (куда входят, в частности, и разработки PowerPC и Cell). Именно туда рекомендуется обращаться разработчикам и производителям, использующим платформу.
На сайте компании IBM доступны руководства, подробно описывающее различия в наборах команд архитектур POWER, POWER2 и PowerPC, POWER5 (PowerPC Architecture Book, Version 2.02)
Содержание |
[править] История
[править] Проект 801
В 1974 году IBM начала работу над созданием большой переключающей системы, способной соединять по меньшей мере 300 телефонных звонков в секунду. Расчёты предполагали, что потребуется выполнять по 20 000 инструкций для каждого из соединений, причём без задержек для остальных звонков. Таким образом, требовалась производительность не менее 12 MIPS, что было чрезвычайно щедро по тем временам. Выручало лишь то обстоятельство, что внутреннее устройство микропроцессора могло быть значительно упрощено, так как ему приходилось бы производить только операции ввода-вывода, ветвления, сложения в регистрах, выгрузки содержимого регистров в память и в другие регистры, и совсем не приходилось бы выполнять сложные вычисления.
Эта простая организация команд, в которой каждая команда выполняет лишь отдельный шаг в большом алгоритме и должна выполняться за чётко фиксированный отрезок времени, позднее получила название RISC.
К 1975 году проект телефонного коммутатора был свёрнут, а до работающего прототипа дело так и не дошло. Тем не менее, за проектными работами вырисовывалась многообещающая архитектура процессора общего назначения, так что они были продолжены в Исследовательском центре Томаса Ватсона (Thomas J. Watson Research Center) в здании под номером 801. Так проект получил своё новое название.
[править] Исследовательский проект «Гепард», 1982 год
Способность выполнять несколько команд одновременно, задействуя множественные структурные блоки, исследовалась в рамках проекта «801» на протяжении двух лет, похожие работы проводились для машин System/360 Model 91 (построена на основе CISC-архитектуры) и CDC 6600. Целью было определить, может ли процессор с уменьшенным набором простых команд выполнять несколько инструкций за тактовый цикл, и какие изменения должны быть для этого внесены в аппаратуру.
Для улучшения производительности разрабатываемый процессор содержал раздельные блоки ветвления, логики и арифметики с плавающей точкой. По сравнению с проектом «801», архитектура была значительно расширена для параллельной обработки команд. Для производства изначально планировалось использовать эмиттерно-связанную логику (ЭСЛ) на биполярных транзисторах, но в 1984 году технология КМОП обеспечивала лучшую плотность элементов и скорость переключения.
[править] Проект «Америка»
В 1985 г. Исследовательский центр Томаса Ватсона начал разработку процессора RISC второго поколения, проект был назван «Америка». В 1986 г. отделение IBM в г. Остин приступило к работе над серией RS/6000, которая была наследницей этого проекта.
В 1990 году выпущены первые компьютеры под маркой IBM с процессором архитектуры POWER: «RISC System/6000» (также «RS/6000»). Эта серия была поделена на два класса: рабочие станции и серверы, опирающиеся соответственно на архитектуры POWERstation и POWERserver. Центральный процессор, названный RIOS (позже RIOS I или POWER1) состоял из 11 отдельных микросхем: кэш инструкций, блок арифметико-логических операций, блок вычислений с плавающей точкой, 4 микросхемы кэша данных, устройство управления памятью, 2 блока ввода/вывода, тактовый генератор.
Для маломощных станций RS/6000 был разработан однокорпусный вариант RIOS с названием RSC (RISC Single Chip — RISC на одной микросхеме); впервые он увидел свет в 1992 г.
[править] POWER
Спустя 5 лет после начала разработки IBM объявила о начале поставок систем RISC 6000. Это была первая разработка, поддерживаемая операционной системой AIX в новой архитектуре, получившей название POWER. Первая реализация архитектуры содержала однокорпусное решение (на одной микросхеме) для встраиваемых приложений и многокорпусное решение под названием POWER/RIOS.
[править] Amazon
Проект Amazon был начат в 1990 г. с целью создания архитектуры, способной поддерживать и AIX и OS/400. Команда разработчиков OS/400 была занята созданием RISC-набора команд для замены CISC-набора, использовавшегося в системах AS/400. Результатом их работы стал набор команд, основанный на IMPI, расширенный до 64 бит и дополненный несколькими RISC-инструкциями для ускорения коммерческих вычислений, столь характерных для AS/400. Руководство компании пыталось настаивать на использовании архитектуры PowerPC, но получило отказ, так как PowerPC был несравним с масштабом AS/400. В конце концов было выработано компромиссное решение в виде расширения набора команд PowerPC, названное Amazon.
В то же время команда системы RS/6000 игнорировала процессоры PowerPC, так как нуждалась в расширенных возможностях стандарта POWER2. Эти возможности также были добавлены в Amazon, и с этих пор набор команд PowerPC стал способен работать в архитектурах RS/6000 и AS/400.
Первым проектом разработки подобного процессора стал Belatrix (название звезды в созвездии Ориона, также называемой Amazon). Этот проект поставил перед собой слишком завышенные цели и был прекращен до своего окончания. Остинская команда (где были разработаны RS/6000) занялась разработкой 64-битного процессора архитектуры PowerPC с расширениями POWER2, то есть POWER3, а рочестерская команда (авторы AS/400), со своей стороны, такого же процессора с высокой вычислительной мощностью, но c расширениями AS/400. Третья команда, в Эндикотте, была задействована для разработки маломощного процессора, аналогичного рочестерскому.
Итак, в 1995 г. были выпущены следующие процессоры архитектуры AS/400: A25/30 Muskie — многокорпусный мощный и A10 Cobra — однокорпусный.
Рочестерская версия задержалась до 1997 г. Её встраивали как в машины RS/6000 под именем RS64, так и в машины AS/400, как позднее и другие процессоры этой серии.
[править] POWER2
Прошло не менее 5 лет, прежде чем процессору RIOS/POWER1 была создана замена, POWER2. В него добавили второй блок арифметико-логических операций и второй блок вычислений с плавающей точкой. Кроме того, был расширен набор команд:
- инструкции записи длиной в 4 машинных слова: перемещали два соседних значения двойной точности в два смежных регистра вычислений с плавающей точкой;
- вычисление квадратного корня на аппаратном уровне;
- конвертация числа с плавающей точкой в целочисленное значение.
В 1996 г. был разработан однокристальный вариант POWER2, P2SC (POWER2 Super Chip — супермикросхема POWER2).
[править] PowerPC
Основная статья — PowerPC.
В 1991 г. в IBM осознали потенциал процессоров POWER в качестве товара для других производителей компьютерной техники. Предложение было сделано компании Apple, оно включало обоюдное сотрудничество для разработки семейства однокорпусных процессоров. Apple в скором времени подключила к работе компанию Motorola, будучи её крупнейшим клиентом в области микропроцессоров класса настольных систем, что позволило использовать опыт Motorola в производстве больших тиражей и создало дублирующий источник процессоров для Apple. Это трёхстороннее сотрудничество получило название альянса AIM — по первым буквам названий Apple, IBM, Motorola (также слово цель по-англ.).
Первым результатом сотрудничества стала разработка (спустя 2 года после начала) архитектуры PowerPC — модифицированной версией POWER. Были добавлены вычисления с плавающей точкой над числами одинарной точности, универсальное умножение и деление регистра на регистр, удалены некоторые другие — в частности, специальный вариант умножения и деления на регистр MQ. Кроме того, была создана 64-битная версия архитектуры.
Первым чипом нового поколения стал PowerPC 601, основанный на RSC. Более подробная информация об этом семействе процессоров содержится в статье PowerPC.
[править] POWER3
Процессор POWER3 был представлен в 1998 г. Он поддерживал весь набор 64-битных инструкций POWER, включая все расширенные команды, имевшиеся на тот момент, и содержал два блока вычислений с плавающей точкой, три блока с фиксированной точкой и два блока загрузки/выгрузки. Все последующие поколения процессоров POWER поддерживали полный набор инструкций, так что не осталось вариантов, поддерживающих только строго POWER или POWER2.
[править] POWER4
Ещё через 5 лет IBM объявила об успешном окончании работы над POWER4, первым процессором серии GIGA. Это был также 64-битный процессор, поддерживающий полный набор инструкций. Кроме того, он поддерживал расширения AS/400, благодаря чему использовался в системах RS/6000 и AS/400 взамен более старых POWER3 и RS64. В это же время набор команд был пополнен несколькими новыми командами (напр., mfcr), имеющими поле операнда, что дало основание зафиксировать новый стандарт PowerPC 2.00.
[править] POWER5
Это поколение было представлено публике в 2004 г. Процессор стал двухъядерным, с поддержкой мультипоточности (одновременного выполнения двух цепочек команд), таким образом работая как 4 логических процессора. С помощью технологии «Virtual Vector Architecture» (ViVA) несколько процессоров POWER5 могут объединяться в единый векторный процессор. Кроме того, набор инструкций был расширен на несколько команд.
Последующий выпуск POWER5+ ещё расширил набор инструкций, новый набор получил название ISA 2.02.
[править] POWER6
Выпущен 21 мая 2007 г. Привнес в стандарт POWER инструкции VMX (параллельная обработка данных), обновил ViVA до версии 2, таким образом осуществив крупнейший шаг вперёд со времён перехода с POWER3 на POWER4. Двухъядерный дизайн, тактовые частоты до 4,7 ГГц при нормах выпуска 65 нм. Содержит чрезвычайно развитую систему взаимодействия с другими такими же процессорами. Потребление энергии на уровне POWER5, тогда как производительность вдвое выше.
[править] POWER7
Сейчас находится в стадии разработки, после выпуска станет первым образцом Peta-серии. Завершение работ намечено на 2010 г., предполагается выпуск суперкомпьютера серии Peta-Flop (производительность свыше петафлопа) для агентства DARPA (Агентство передовых оборонных исследовательских проектов США). Проект был одобрен ещё в начале 2000 гг., когда IBM получила 53 млн долл. на его развитие, в 2006 полученная сумма составляла 244 млн долл. В 2008 году IBM планирует запустить в эксплуатацию суперкомпьютер Roadrunner c пиковой производительностью в 1 петафлоп, строящийся по заказу Министерства энергетики США. [1] [2]
[править] Архитектура
Внутреннее устройство POWER заимствовано из проекта 801, который считается первым истинным RISC-процессором. Последний нашел применение в вычислительных блоках, производимых IBM, но не получил широкой известности, пока в середине 1980-х не был выпущен компьютер IBM PC/RT.
Одновременно с выпуском PC/RT IBM запустила проект «Америка», поставив цель создать самый производительный центральный процессор на рынке. На тот момент важнейшими казались две проблемы:
- 801 полагался исключительно на однотактовые команды, что исключало вычисления с плавающей точкой;
- хотя декодер команд был многошаговым, одновременное выполнение команд не поддерживалось.
Проект «Америка» сосредоточился на вычислениях с плавающей точкой и через некоторое время пополнился новыми алгоритмами 64-битового умножения и деления с двойной точностью за один такт, разработанными в начале 1980-х. Математический сопроцессор был отдельной частью от декодера и блока целочисленной арифметики, что позволяло одновременно выполнять вычисления и с плавающей точкой, и целочисленные. Все это было дополнено развитым декодером, который мог параллельно запрашивать одну инструкцию, расшифровывать другую и посылать ещё две в исполнительные блоки. Получился первый в истории практический суперскалярный процессор.
Он содержал тридцать два 32-разрядных целочисленных регистра и ещё тридцать два 64-разрядных регистра с плавающей точкой, каждый в своём разделе. Кроме того, имелось несколько регистров для внутренних нужд внутри блока ветвления, в частности, счетчик адреса.
Тогда как 801 был простым устройством, чрезмерное количество дополнений превратили его в сложный процессор, гораздо сложнее большинства конкурирующих RISC-изделий. Например, набор команд POWER (и PowerPC) включает более 100 опкодов переменной длины, многие из которых являются модификациями друг друга. Для сравнения: архитектура ARM располагает только 34 инструкциями.
В конструкцию заложено и одно необычное свойство: виртуальное адресное пространство. Все адреса во время работы конвертируются в 52-битное представление, таким образом получается, что каждая программа обладает плоским 32-битным пространством адресов, но при этом каждая может занимать эти блоки произвольно.
[править] Версии процессоров
Первый процессор POWER1 состоял из 3 блоков: ветвления, целочисленных операций и вычислений с плавающей точкой. Все они собирались на довольно большой материнской плате. Использовались в основном в рабочих станциях RS/6000. Вариация RSC представляла собой одночиповый вариант, который также, как и многочиповый, использовался в RS/6000.
POWER2 был последователем POWER1 с улучшениями, подсказанными в процессе его реальной эксплуатации. Его эксплуатация оказалась самой продолжительной: в течение 5 лет с начала в 1993 г. Появился второй блок вычислений с плавающей точкой, 256 КБ кэш-памяти, 128-разрядная математика с плавающей точкой.
POWER3 последовал в 1998 г., с полновесной 64-битной организацией, но сохраняя совместимость с полным набором команд POWER. Это стало важной отличительной особенностью всех процессоров POWER начиная с третьей версии. Также добавились третий блок арифметико-логических операций и второй декодер команд, итого 8 функциональных блоков.
POWER4 объединила два одинаковых процессора POWER3 на одной микросхеме, сделала их быстрее и дополнила шинами быстродействующей связи с соседними процессорами (количеством до 3). Таким образом, это поколение может быть объединено на материнской плате в 8-процессорные SMP-системы. В ситуации, когда задача требует большой пропускной способности, а не параллельных вычислений, по одному ядру из пары может быть выключено, и у оставшихся ядер окажется в полном распоряжении быстродействующая шина и кэш 3-го уровня. Многие считают POWER4 самым производительным процессором из имеющихся, даже без объединения в четверки.
POWER5 был выпущен в 2004 г. Версия на 1,9 ГГц показала самые высокие результаты в тесте SPECfp для однопроцессорных систем среди всех коммерчески доступных процессоров. На их основе строятся серверы серии eServers моделей i5 и p5. Улучшения по сравнению с POWER4 составили: больший по размеру кэш 2-го уровня, контроллер памяти непосредственно на кристалле, мультипоточность (ОС видит несколько процессоров вместо одного), усовершенствованный управление электропитанием, особый одноядерный режим, гипервизор (hypervisor) и eFuse (аппаратное устранение ошибок). Главный инженер IBM по микропроцессорам Рави Аримили сказал: «Конструкция POWER5 представляет собой решение среднего уровня, его можно расширять вверх до области высокопроизводительных вычислений и вниз, до уровня серверов-лезвий.» Серверы IBM, построенные на этом процессоре, поддерживают функции виртуализации: логическое разбиение и микро-разбиение. Для каждого ЦПУ может быть создано до 10 логических разделов, большие 64-битные ОС поддерживают до 256 независимых операционных систем. Память, вычислительная мощь процессоров и каналы ввода-вывода могут динамически перераспределяться между разделами.
В 2007 г. было официально объявлено о POWER6.
Ведётся также разработка POWER7.
[править] Другие процессоры, разработанные на архитектуре POWER
Первый процессор архитектуры PowerPC, под названием PowerPC 601, был наследником процессора RSC, некоторые базовые инструкции выполнялись с помощью эмуляции через интерфейс шины, аналогично конструкции Motorola 88000. Такое решение позволило IBM использовать 601 в различных моделях компьютеров, приспосабливая структуру материнской платы к заданным требованиям. Позже архитектуры PowerPC и POWER все же разделились, хотя и по сей день сохраняют совместимость на уровне машинных команд.
Выпускался процессор RS64, он был основан на архитектуре PowerPC (а значит, и POWER) и использовался в системах RS/6000 и AS/400. Оптимизирован для коммерческих расчётов и не обладает большой мощностью при вычислениях с плавающей точкой, характерных для POWER. Постепенно был вытеснен POWER4.
Процессор Gekko был создан для игровой приставки Nintendo GameCube, представлял собой модифицированную версию PowerPC 750CXe. Процессор для приставок следующего поколения, Wii, был также разработан в стенах IBM.
Дизайн широко известного процессора Cell основан на использовании простого многопоточного ядра, работающего на высокой тактовой частоте и связанного с восемью отдельными векторными сопроцессорами. Используется в игровой приставке Sony PlayStation 3 и в некоторых задачах многократно превосходит по производительности настольные процессоры, что вызвало значительный интерес к этой разработке.
Наконец, игровая приставка XBox 360, самое новое поколение приставок Microsoft, также опирается на процессор IBM Xenon, состоящий из трёх ядер, работающих на частоте 3,2 ГГц.
[править] Ссылки
[править] На англ. яз.:
- IBM Journal of R&D, Volume 34, Issue 1 (1990) - IBM Journal of Research and Development issue on the original RS/6000
- John Cocke and Victoria Markstein (1990). "The evolution of RISC technology at IBM". IBM Journal of Research and Development 34 (1): 4-11. ISSN 0018-8646. Проверено 2006-07-21.
- Шаблон:Cite paper - gives more information about POWER1, POWER2, and POWER3
- Inside the AS/400: Featuring the AS/400e Series, 2nd Edition. — 29th Street Press, 1997. — С. pp.13-48. — ISBN ISBN 1-882419-66-9
- PowerPC Architecture, an IBM article giving POWER and PowerPC history
- PowerPC 601 Microprocessor, an IBM white paper on the 601
[править] На русском яз.:
- Архитектура и терминология процессоров POWER, описание процессоров IBM POWER
