POWER on IBM :n kehittämä ja kehittämä mikroprosessoriarkkitehtuuri , jossa on rajoitettu käskysarja ( RISC ) . Nimi tulkittiin myöhemmin nimellä Performance Optimization With Enhanced RISC (suorituskyvyn optimointi, joka perustuu laajennettuun RISC-arkkitehtuuriin). Tämä sana viittaa myös sarjaan mikroprosessoreita, jotka käyttävät määritettyä käskysarjaa. Niitä käytetään keskusyksikköinä monissa mikrotietokoneissa, sulautetuissa järjestelmissä , työasemissa , keskuskoneissa ja supertietokoneissa .
POWER-arkkitehtuuri on käynyt läpi useita sukupolvia sen kehityksessä. POWER3 :sta alkaen mikroprosessorit tukevat 64-bittisen PowerPC -arkkitehtuurin koko käskysarjaa eivätkä tue vanhempia ohjeita, jotka poistettiin arkkitehtuurista samaan aikaan PowerPC-standardin kanssa. Tuki on myös lopetettu POWER2 :n laajennetuille ohjeille , kuten lfq ja stfq.
Keskustelemaan kaikista arkkitehtuuriin perustuvista tuotteista on tarkoitettu Power.org -yhteisö (johon kuuluu erityisesti PowerPC :n ja Cellin kehittäminen ). Siellä suosittelemme ottamaan yhteyttä alustaa käyttäviin kehittäjiin ja valmistajiin.
IBM:n verkkosivuilla on käsikirjat, joissa kerrotaan erot ohjesarjojen välillä POWER-, POWER2- ja PowerPC-, POWER5-arkkitehtuurien välillä. [yksi]
Vuonna 1974 IBM aloitti työskentelyn suuren kytkentäjärjestelmän parissa, joka pystyy yhdistämään vähintään 300 puhelua sekunnissa. Laskelmissa oletettiin, että kullekin yhteydelle jouduttaisiin suorittamaan 20 000 käskyä ja lopuille puheluille viipymättä. Näin ollen vaadittiin vähintään 12 MIPS :n suorituskykyä , joka oli erittäin suuri noina päivinä. Ainoastaan se, että mikroprosessorin sisäistä rakennetta voitiin yksinkertaistaa merkittävästi, auttoi, sillä sen täytyisi tehdä vain syöttö-tulostus-operaatioita, haaroitusta, lisäämistä rekistereihin, rekisterien sisällön purkamista muistiin ja muihin rekistereihin, eikä se tarvitsisi täytyy tehdä monimutkaisia laskelmia ollenkaan.
Tätä yksinkertaista komentojen järjestelyä, jossa jokainen komento suorittaa vain yhden vaiheen suuressa algoritmissa ja joka on suoritettava selkeästi määrätyssä ajassa, kutsuttiin myöhemmin RISC :ksi .
Vuoteen 1975 mennessä puhelinvaihdeprojektia rajoitettiin, eikä asia koskaan päässyt toimivaan prototyyppiin . Suunnittelutyön takana häämöi kuitenkin lupaava yleiskäyttöinen prosessoriarkkitehtuuri , joten sitä jatkettiin Thomas Watson Research Centerissä numero 801. Siitä projekti sai uuden nimensä.
Kykyä suorittaa useita komentoja samanaikaisesti useilla rakennuspalikoilla tutkittiin 801-projektissa kahden vuoden ajan, vastaavaa työtä tehtiin IBM System / 360 Model 91 -koneille (rakennettu CISC - arkkitehtuurin pohjalta) ja CDC 6600 :lle . Tavoitteena oli selvittää, pystyykö prosessori, jolla on rajoitettu määrä yksinkertaisia käskyjä, suorittaa useita käskyjä kellojaksoa kohden ja mitä muutoksia laitteistoon on tehtävä tämän saavuttamiseksi.
Suorituskyvyn parantamiseksi kehitetty prosessori sisälsi erilliset haaroitus-, logiikka- ja liukulukuaritmetiikkalohkot. Verrattuna "801"-projektiin, arkkitehtuuria on huomattavasti laajennettu komentojen rinnakkaiskäsittelyyn. Tuotannossa alun perin suunniteltiin käyttää emitterikytkettyä logiikkaa (ECL) bipolaarisissa transistoreissa, mutta vuonna 1984 CMOS -tekniikka tarjosi paremman elementtitiheyden ja kytkentänopeuden.
Vuonna 1985 Thomas Watson Research Center aloitti toisen sukupolven RISC-prosessorin kehittämisen, projekti sai nimen "America". Vuonna 1986 IBM:n Austinin toimisto aloitti työt RS/6000-sarjan parissa, joka oli tämän projektin seuraaja.
Vuonna 1990 julkaistiin ensimmäiset POWER-arkkitehtuuriprosessorilla varustetut IBM-brändin tietokoneet : "RISC System/6000" (myös " RS/6000 "). Tämä sarja on jaettu kahteen luokkaan: työasemat ja palvelimet , jotka perustuvat POWERstation- ja POWERserver-arkkitehtuureihin. Keskusyksikkö, nimeltään RIOS (myöhemmin RIOS I tai POWER1 ), koostui 11 erillisestä sirusta : käskyvälimuisti, aritmeettis-looginen operaatioyksikkö, liukulukuyksikkö, 4 datavälimuistisirua, muistinhallinta, 2 I/O-yksikköä, kellogeneraattori.
Pienitehoisille RS/6000 -asemille kehitettiin RIOS:n yhden kotelon versio nimellä RSC ( RISC Single Chip - RISC yhdellä sirulla); hän näki valon ensimmäisen kerran vuonna 1992.
5 vuotta kehityksen aloittamisen jälkeen IBM ilmoitti aloittavansa RISC 6000 -järjestelmien toimitusten . Se oli ensimmäinen AIX - käyttöjärjestelmän tukema kehitys uudessa POWER-arkkitehtuurissa. Arkkitehtuurin ensimmäinen toteutus sisälsi yhden paketin ratkaisun (yhdellä sirulla) sulautetuille sovelluksille ja monipakettiratkaisun nimeltä POWER/RIOS.
Amazon - projekti aloitettiin vuonna 1990 tavoitteena luoda arkkitehtuuri , joka pystyy tukemaan sekä AIX että OS/400 : tä . OS/400 -kehitysryhmä oli kiireinen luomassa RISC-käskysarjaa korvaamaan AS/400 -järjestelmissä käytetyn CISC-käskyjoukon . Heidän työnsä johti IMPI-pohjaiseen käskysarjaan, joka laajennettiin 64-bittiseksi ja jota täydennettiin useilla RISC-käskyillä AS/400:lle niin tyypillisen kaupallisen laskennan nopeuttamiseksi. Yrityksen johto yritti ajaa PowerPC-arkkitehtuuria, mutta vastustettiin, koska PowerPC ei ollut verrattavissa AS/400:n mittakaavaan. Lopulta keksittiin kompromissiratkaisu PowerPC-käskysarjan laajennuksen muodossa, nimeltään Amazon.
Samaan aikaan RS/6000-järjestelmätiimi jätti huomioimatta PowerPC-prosessorit, koska he tarvitsivat POWER2- standardin edistyneitä ominaisuuksia . Nämä ominaisuudet lisättiin myös Amazoniin, ja siitä lähtien PowerPC-käskysarja on pystynyt toimimaan RS/6000- ja AS/400-arkkitehtuureissa.
Ensimmäinen projekti tällaisen prosessorin kehittämiseksi oli Belatrix (Orionin tähdistössä olevan tähden nimi, jota kutsutaan myös Amazoniksi). Tämä projekti asetti itselleen liian korkeat tavoitteet ja lopetettiin ennen sen valmistumista. Austin-tiimi (jossa RS/6000 kehitettiin) ryhtyi kehittämään 64-bittistä PowerPC -arkkitehtuuriprosessoria POWER2 - laajennuksilla eli POWER3 :lla ja Rochesterin tiimi (AS/400:n kirjoittajat) puolestaan saman prosessorin. korkea laskentateho, mutta c AS/400-laajennukset. Kolmas tiimi, Endicott, kutsuttiin kehittämään vähän virtaa kuluttavaa prosessoria, joka on samanlainen kuin Rochesterin.
Vuonna 1995 julkaistiin seuraavat AS/400-arkkitehtuuriprosessorit: A25/30 Muskie, tehokas monikehys ja A10 Cobra, yksikehys.
Rochester-versio viivästyi vuoteen 1997. Se rakennettiin sekä RS/6000-koneisiin nimellä IBM RS64 että AS/400-koneisiin sekä myöhempiin muihin tämän sarjan prosessoreihin.
Kesti vähintään 5 vuotta ennen kuin korvaava POWER2 luotiin RIOS/POWER1-prosessorille . Siihen lisättiin toinen aritmeettis-loogisten operaatioiden lohko ja toinen liukulukulaskujen lohko. Lisäksi komentosarjaa on laajennettu:
Vuonna 1996 kehitettiin yksisiruinen POWER2, P2SC ( POWER2 Super Chip - POWER2 superchip) -versio.
Vuonna 1991 IBM tunnusti POWER-prosessorin potentiaalin hyödykkeeksi muille tietokonevalmistajille. Ehdotus tehtiin Applelle ja sisälsi keskinäisen yhteistyön yhden paketin prosessoriperheen kehittämiseksi. Apple toi pian Motorolan joukkoon suurimpana pöytätietokoneiden mikroprosessoriasiakkaana, mikä mahdollistaa Motorolan kokemuksen suurten määrien tuotannossa ja loi Applelle ylimääräisen prosessorilähteen. Tätä kolmenvälistä yhteistyötä kutsuttiin AIM-allianssiksi - nimien Apple, IBM, Motorola (myös englanniksi sana tavoite ) ensimmäisten kirjainten jälkeen .
Yhteistyön ensimmäinen tulos oli PowerPC -arkkitehtuurin kehittäminen (2 vuotta aloittamisen jälkeen) , POWERin muunneltu versio. Yksittäisten tarkkuuslukujen liukulukulaskutoimitukset, yleiskerto- ja rekisterijako lisättiin, joitain muita poistettiin - erityisesti erityinen muunnelma kerto- ja jakolaskurekisterillä MQ . Lisäksi arkkitehtuurista luotiin 64-bittinen versio.
Uuden sukupolven ensimmäinen siru oli PowerPC 601 , joka perustuu RSC:hen. Lisätietoja tästä prosessoriperheestä on PowerPC -artikkelissa .
POWER3 - prosessori esiteltiin vuonna 1998. Se tuki koko 64-bittistä POWER-käskysarjaa, mukaan lukien kaikki tuolloin saatavilla olevat laajennetut ohjeet, ja se sisälsi kaksi liukulukuyksikköä, kolme kiinteän pisteen yksikköä ja kaksi lataus/purkuyksikköä.
Kaikki myöhemmät POWER-prosessorien sukupolvet tukivat täyttä ohjesarjaa, joten vaihtoehtoja, jotka tukisivat vain tiukasti POWER:ta tai POWER2:ta, ei ollut jäljellä.
POWER4- mikroprosessori , ensimmäinen GIGA -sarjan osa , julkistettiin vuonna 1999 ja julkaistiin vuonna 2001. Se oli 64-bittinen prosessori, joka tuki koko käskysarjaa. Se tuki myös AS/400-laajennuksia, mikä teki sen saataville RS/6000- ja AS/400-järjestelmissä POWER3 : n ja RS64:n korvaamiseksi. Ohjesarjaa täydennettiin useilla uusilla ohjeilla (esim . mfcr ), joissa on operandikenttä, mikä mahdollisti uuden PowerPC 2.00 -standardin korjaamisen .
POWER5-sukupolvi esiteltiin vuonna 2004. Prosessorista tuli kaksiytiminen, joka tukee samanaikaista monisäikeistystä (kahden komentoketjun samanaikainen suorittaminen), toimien siten neljänä loogisena prosessorina. Valmistettu 130 nm:n SOI -prosessitekniikalla . Käyttämällä Virtual Vector Architecture -tekniikkaa (lyhennetty ViVA, Russian Virtual Vector Architecture , englanti ) voidaan yhdistää useita POWER5 -prosessoreita yhdeksi vektoriprosessoriksi . Lisäksi ohjesarjaa on laajennettu sisältämään useita ohjeita.
Myöhempi POWER5+:n julkaisu laajensi ohjesarjaa entisestään, uuden sarjan nimi oli ISA 2.02 .
Julkaistu 21. toukokuuta 2007 [2] . Hän toi VMX -ohjeet (rinnakkaistietojen käsittely) POWER-standardiin , päivitti ViVA versioon 2, mikä otti suuren askeleen eteenpäin siirtymisestä POWER3 :sta POWER4 :ään . Kaksiytiminen muotoilu, kellotaajuus jopa 4,7 GHz 65 nm SOI :lla . Se sisältää kehitetyn vuorovaikutusjärjestelmän muiden vastaavien prosessorien kanssa. Virrankulutus on sama kuin POWER5 , mutta suorituskyky on kaksinkertainen.
Julkaistu vuonna 2010 [3] . Valmistettu 45 nm:n SOI-valmistusprosessin mukaisesti, siinä on jopa 8 ydintä prosessoria kohden, taajuus on 3-4,25 GHz. Teoreettinen suorituskyky ydintä kohti on 33,12 G FLOPS ja jopa 264,96 G FLOPS prosessoria kohden.
POWER7-prosessori on kuuluisa siitä, että sitä käytettiin IBM Watson -supertietokoneessa , joka kilpaili ihmistä vastaan television tietokilpailussa Jeopardy! ja voitti. IBM Watson -supertietokonetta käytetään nykyään terveydenhuolto- ja rahoitussektorilla.
Elokuussa 2012 Hot Chips 24 esitteli päivitetyn version POWER7+:sta, joka on valmistettu 32 nm:n SOI-prosessitekniikalla. Jopa 8 ydintä per siru, jokainen ydin suorittaa jopa 4 säiettä. [neljä]
Esitelty vuonna 2013, valmistettu 22nm SOI:sta. 6 tai 12 ydintä per siru, kellotaajuus 2,5 - 5 GHz, jokainen ydin suorittaa jopa 8 säiettä samanaikaisesti.
Prosessorissa on jaettu L3-välimuisti, joka on 48 Mt (6-ytimiset mallit) tai 96 Mt (12-ytimiset mallit).
Prosessorissa on sisäänrakennetut tehokkaat muistiohjaimet ( DDR3 / DDR4 ) ja järjestelmän I/O-kanavat ( PCI Express 3.0 :aan [5] [6] perustuva CAPI-portti , mukaan lukien ASIC- , FPGA- , GPU -liitännät [7] [ 8] ).
Prosessorin virransyöttöä ohjaa integroitu mikro-ohjain, joka perustuu PowerPC 405:een, jossa on 512 kilotavua SRAM - muistia ja joka asettaa 1764 jännitteensäädintä [9] [10] .
Prosessorin skalaarivektorin liukulukuyksikkö tuottaa jopa 8 kaksinkertaisen tarkkuuden liukulukutulosta, jolloin huippusuorituskyky on 384 G FLOPS prosessoria kohden.
Monentyyppisissä työkuormissa POWER8-prosessori näyttää 2-3-kertaisen suorituskyvyn parantuneen edelliseen POWER7- prosessoriin verrattuna [4] [11] .
IBM aloitti seuraavan sukupolven POWER9-prosessorien suunnittelun rinnakkain POWER8:n kehityksen kanssa [12] . Odotettiin, että uudentyyppiset prosessorit tukevat ensimmäistä kertaa Power ISA 3.0 -standardin elementtejä, mukaan lukien VSX-3-ohjeet ja tuki nVidia NVLink -teknologialle [13] [14] .
Yhdysvaltain energiaministeriö, yhdessä Oak Ridge National Laboratoryn ja Livermore National Laboratoryn kanssa, ovat allekirjoittaneet sopimuksen IBM:n ja nVidian kanssa kahden Summit- ja Sierra -supertietokoneen rakentamisesta , jotka perustuvat POWER9- ja Volta -prosessoreihin [15] [16] [17] .
POWER9 on valmistettu 14 nm:n prosessilla ja sitä on saatavana kahdessa versiossa. POWER9-arkkitehtuuri on avoin OpenPOWER Foundationin jäsenten lisensointia ja muokkausta varten [18] .
POWER-sisäosat ovat peräisin 801-projektista, jota pidetään ensimmäisenä todellisena RISC-prosessorina. Jälkimmäistä käytettiin IBM:n valmistamissa laskentalohkoissa, mutta se tuli laajalti tunnetuksi vasta IBM PC/RT -tietokone julkaistiin 1980-luvun puolivälissä .
Samanaikaisesti PC/RT:n julkaisun kanssa IBM käynnisti Project America -projektin tavoitteenaan luoda markkinoiden tehokkain keskusyksikkö. Tuolloin kaksi ongelmaa tuntui tärkeimmältä:
Project America keskittyi liukulukulaskelmiin ja laajeni ajan myötä uusilla 1980-luvun alussa kehitetyillä algoritmeilla 64-bittiselle kaksinkertaiselle tarkkuudelle yhden syklin kerto- ja jakolaskuille. Matemaattinen apuprosessori oli erillinen osa dekooderista ja kokonaislukuaritmeettisesta yksiköstä, mikä mahdollisti sekä liukuluku- että kokonaislukulaskelmien suorittamisen samanaikaisesti. Kaikkea tätä täydensi kehitetty dekooderi, joka voi pyytää yhtä käskyä rinnakkain, purkaa toisen ja lähettää kaksi muuta suoritusyksiköille. Tuloksena oli ensimmäinen käytännöllinen superskalaariprosessori.
Se sisälsi kolmekymmentäkaksi 32-bittistä kokonaislukurekisteriä ja vielä kolmekymmentäkaksi 64-bittistä liukulukurekisteriä, kukin omassa osiossa. Lisäksi haaralohkon sisällä oli useita rekistereitä sisäisiin tarpeisiin, erityisesti osoitelaskuri.
Vaikka 801 oli yksinkertainen laite, overkill on tehnyt siitä monimutkaisen prosessorin, paljon monimutkaisemman kuin useimmat kilpailevat RISC-tuotteet. Esimerkiksi POWER (ja PowerPC) -käskysarja sisältää yli 100 muuttuvapituista opkoodia , joista monet ovat toistensa muunnelmia. Vertailun vuoksi ARM-arkkitehtuurissa on vain 34 käskyä.
Suunnittelussa on myös yksi epätavallinen ominaisuus: virtuaalinen osoiteavaruus . Kaikki osoitteet muunnetaan 52-bittisiksi esityksiksi toiminnan aikana, joten jokaisella ohjelmalla on tasainen 32-bittinen osoiteavaruus, mutta jokainen voi varata nämä lohkot mielivaltaisesti[ määritä ] .
Ensimmäinen POWER1 -prosessori koostui kolmesta lohkosta: haaroituksesta, kokonaislukuoperaatioista ja liukulukulaskutoimituksista. Ne kaikki koottiin melko suurelle emolevylle. Käytetään pääasiassa RS/6000 - työasemissa . RSC-variantti oli yksisiruinen variantti, jota, kuten monisiruista, käytettiin RS/6000:ssa.
POWER2 oli POWER1:n seuraaja, ja parannukset tulivat todellisesta käytöstä. Sen toiminta osoittautui pisimmäksi: 5 vuotta vuoden 1993 alusta. Siellä oli toinen liukulukuyksikkö, 256 kt :n välimuisti , 128-bittinen liukulukumatematiikka.
POWER3 seurasi vuonna 1998 täydellä 64-bittisellä organisaatiolla, mutta säilyttäen yhteensopivuuden täyden POWER-käskyjoukon kanssa. Tästä on tullut tärkeä erottava piirre kaikissa POWER-prosessoreissa kolmannesta versiosta lähtien. Myös kolmas aritmeettis-loogisten operaatioiden lohko ja toinen komentodekooderi lisättiin, yhteensä 8 toiminnallista lohkoa.
POWER4 yhdisti kaksi identtistä POWER3-prosessoria yhdelle sirulle, teki niistä nopeampia ja lisäsi nopeat tietoliikenneväylät jopa kolmeen viereiseen prosessoriin. Siten tämä sukupolvi voidaan yhdistää emolevyllä 8-prosessorin SMP - järjestelmiin. Tilanteessa, jossa tehtävä vaatii paljon kaistanleveyttä rinnakkaislaskennan sijaan, yksi pariydin voidaan kytkeä pois päältä, ja loput ytimet saavat täyden pääsyn nopeaan väylään ja L3-välimuistiin. Monet pitivät POWER4:ää tuolloin tuottavimpana saatavilla olevana prosessorina, jopa yhdistämättä sitä neljään osaan.
POWER5 julkaistiin vuonna 2004. 1,9 GHz:n versio saavutti kaikkien kaupallisesti saatavilla olevien prosessorien korkeimmat yhden prosessorin SPECfp -pisteet . Niiden pohjalta rakennetaan eServers-sarjan malleja i5 ja p5 palvelimia. POWER4:ään verrattuna tehtyjä parannuksia ovat: suurempi L2-välimuisti, on -chip- muistiohjain , monisäikeistys (käyttöjärjestelmä näkee useita prosessoreita yhden sijasta), parannettu virranhallintamekanismi, erityinen yhden ytimen tila, hypervisor ja eFuse (laitteiston eliminointi). virheet) .
IBM:n päämikroprosessoriinsinööri Ravi Arimili sanoi: "POWER5-suunnittelu on keskitason ratkaisu, joka voidaan skaalata korkean suorituskyvyn laskemiseen ja korttipalvelimiin." Tälle prosessorille rakennetut IBM-palvelimet tukevat virtualisointiominaisuuksia : loogista osiointia ja mikroosiointia. Jopa 10 loogista osiota voidaan luoda kullekin CPU:lle, suuret 64-bittiset käyttöjärjestelmät tukevat jopa 256 itsenäistä käyttöjärjestelmää. Muisti, prosessorin teho ja I/O-kanavat voidaan jakaa dynaamisesti uudelleen osioiden välillä.
Vuonna 2007 POWER6 julkistettiin virallisesti .
8. helmikuuta 2010 IBM esitteli POWER7 -prosessoriin perustuvat laskentajärjestelmät .
PowerPC -arkkitehtuurin ensimmäinen prosessori , nimeltään PowerPC 601, oli RSC-prosessorin seuraaja, jotkin perusohjeet suoritettiin emuloinnilla väylärajapinnan yli, kuten Motorola 88000 . Tämän ratkaisun ansiosta IBM saattoi käyttää 601:tä erilaisissa tietokonemalleissa ja mukauttaa emolevyn rakennetta annettuihin vaatimuksiin. Myöhemmin PowerPC- ja POWER-arkkitehtuurit kuitenkin erosivat, vaikka ne ovat edelleen yhteensopivia konekäskyjen tasolla.
RS64-prosessori valmistettiin, se perustui PowerPC- (ja siten POWER)-arkkitehtuuriin ja sitä käytettiin RS/6000- ja AS/400-järjestelmissä. Optimoitu kaupallisiin laskelmiin, eikä sillä ole paljon tehoa liukulukulaskelmissa, jotka ovat tyypillisiä POWER:lle. POWER4 korvattiin vähitellen.
Gekko - prosessori luotiin Nintendo GameCubelle , PowerPC 750CXe:n muunnetulle versiolle. Myös seuraavan sukupolven konsolien Wii prosessori kehitettiin IBM:n seinien sisällä.
Tunnetun Cell -prosessorin suunnittelu perustuu yksinkertaisen monisäikeisen ytimen käyttöön, joka toimii suurella kellotaajuudella ja liittyy kahdeksaan erilliseen vektoriapuprosessoriin. Sitä käytetään Sony PlayStation 3 -pelikonsolissa ja joissain tehtävissä se on suorituskyvyltään moninkertainen sen ajan pöytätietokoneiden prosessoreihin verrattuna, mikä herätti huomattavaa kiinnostusta tähän kehitykseen.
Lopuksi Xbox 360 -pelikonsoli perustuu myös IBM Xenon -prosessoriin , joka koostuu kolmesta ytimestä, jotka toimivat 3,2 GHz:n taajuudella.
| RISC - teknologioihin perustuvat prosessoriarkkitehtuurit | |
|---|---|
| POWER- arkkitehtuuri | |
|---|---|
| historiallinen | |
| Nykyinen | |
| liittyvät aiheet |
|