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Power5与Power6技术对比

2007年08月04日 网络存储 暂无评论 阅读 2,014 次

转载自:cnpmc

一、从IBM处理器起源和应用来看Power技术优势

大家知道,IBM目前共拥有四条处理器产品线:POWER体系结构,PowerPC 系列的处理器,Star 系列以及 IBM 大型机上所采用的芯片。其中PowerPC 源自于 POWER 体系结构,在 1993 年首次引入。PowerPC 是 Apple、IBM 和摩托罗拉联盟的产物,它基于 POWER 体系结构,但是与 POWER 又有很多的不同。

例如,PowerPC 是开放的,它既支持高端的内存模型,也支持低端的内存模型,而 POWER 芯片是高端的。最初的 PowerPC 设计也着重于浮点性能和多处理能力的研究。当然,它也包含了大部分 POWER 指令。很多应用程序都能在 PowerPC 上正常工作,这可能需要重新编译以进行一些转换。嵌入式的PowerPC处理器也在那个时代开始得到广泛应用,不仅出现在激光打印机和汽车中,也出现在登 陆火星的火星车上。

RS64 芯片首次于 1998 年面世,在 IBM 内部称之为 Star 系列,这是因为大部分代码字节中都包含了单词“star”或类似的单词(其中一个比较出名的例外是最初的 RS64,其代号是“Apache”)。Star 系列芯片源自于对 PowerPC 体系结构的修改,同时还从 POWER 产品线中继承了很多特点。从一开始起,这些芯片就只针对于一种应用进行优化:商业应用。这种专用化使其在 UNIX 服务器领域几乎在 10 年的时间中都牢居霸主地位。

RS64 系列将诸如分支预测、浮点处理以及硬件预取之类的问题留给其兄弟 POWER3 芯片来解决,自己则专注于整数运算性能和大型复杂的片上、片外缓存的处理。RS64 系列从面世以来就一直是 64 位的,2000 年在 RS64 IV 中引入了多线程的设计。

RS64 可以在一台机器内扩展到多达 24 个处理器,功耗则只需要每个处理器15 瓦即可,这一点与其兄弟 POWER 芯片有很大的区别。这些特性使 RS64 芯片非常适合一些系统,例如联机事务处理(OLTP)、商业智能、企业资源计划(ERP)以及其他一些大型的、功能强大的、具有多用户和多任务而缓存命中 率很低的系统,其中包括 Web 服务。RS64 芯片只装备在 IBM 的 eServer iSeries(RS 系列)和 pSeries(AS 系列)服务器中。

因此在Power处理器的体系结构基础上产生了PowerPC 系列和Star 系列的处理器,显示出Power处理器的强大优势,说明Power应用无所不在。

二、双核和64位处理器应用的先锋

IBM Power处理器从1990年诞生为Power1,接着有Power2、Power3、Power4、Power5和即将发布的Power6产品。 Power4、Power5等处理器基本上都是双核。POWER4处理器芯片包含两个微处理器核心、芯片和系统渗透功能,POWER4芯片是业界第一个双 内核处理器,虽然现在几乎所有处理器厂家都开始推出各自的双内核产品,但POWER4芯片有一个重大的不同。

IBM并不是由于单处理器 性能提高遇到瓶颈而被动地设计和生产双内核处理器,而是在处理器设计的阶段就将系统设计纳入设计目标,双内核设计只是IBM公司实现高性能服务器系统的一 个手段。每个POWER4处理器内核的性能和服务器系统的整体性能都随着处理器时钟的提高而同步地得到提高,数年来一直保持了在业界的性能领先地位。这一 成绩充分证明了IBM在POWER4芯片上System On Chip设计策略的成功。

POWER4的每个处理器都有 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,每个处理器都可以并行执行 200 条指令。64位处理器相比原来的32处理器的处理速度快,集成了内存控制器,执行效率高,POWER4+(也称为 POWER4-II)功能与之类似,但是主频更高,功耗更低,而且在硬件上保持了32位和64位的双向兼容,使软件尽可能地避开故障。

三、开放和支持Linux系统

Power.org将开放标准引入了Power 架构技术,这将会像Java 技术和Linux 对软件世界的影响那样,大大加速硬件世界的改变。开放标准的出现为客户带来了更多的市场选择,同时也降低了不同产品和技术整合的门槛。

Power 架构技术是当今业界拥有最广泛和最多样化市场的微处理器,它是所有三种下一代游戏机的数字心脏,也是世界上最高性能超级计算机的电子大脑。另外, Power 架构技术也是支持各种企业服务器、汽车系统(动力系统、高级安全系统和信息通信系统)、无线和有线基础架构以及企业路由和交换的领先平台。

IBM推出 Power ISA v2.03 之后,半导体厂商可在自己的产品中实现比以前更多类别的功能。从未来的发展看,软件和系统开发人员在为广泛的市场和应用开发基于 Power 架构技术的产品和平台时,可以获得一个更加一致和兼容的框架。

Power.org 联盟还发布第一个合作开发的开放平台架构,该架构被称为 Power 架构平台参考规范(Power Architecture Platform. Reference specification, PAPR)。 PAPR为针对特定应用快速开发基于 Linux操作系统的标准 Power 架构平台奠定了基础。这一技术规范及相关的参考为 Power.org 成员及 Power 架构开发团体优化商品化 Linux 版本和应用的开发提供了一个标准平台。

用于 POWER 微处理器体系结构的 Linux 是 Linux 发展中的一个令人兴奋的成就,并且指明了 Linux 以后的演化方向。现在,用于POWER 的Linux 也为一个具有64 位RISC 体系结构的平台带来了便利。Linux 可以与AIX 或OS/400 在同一个POWER 系统上同时运行,带来zSeries 用户才可以享受到的同样的双重功能。

对软件开发人员和系统 管理员来说,用于 POWER 的 Linux 意味着可以用类似的方法来在不同的平台上进行软件开发和系统管理,可能会使一个单一解决方案的应用领域扩展到全部计算平台。通过使用 Linux,现在有可能开发一个可以从 xSeries 扩展到 POWER 再到 zSeries 系统的解决方案。

四、IBM Power处理器充分发挥半导体技术的优势

在最近 10 年中,IBM 在半导体领域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。半导体业界一直有梦想能使用铜作为介质,这样可以获得比铝好 40% 以上的电流传输效率。

但是直到最近制造流程才实现了这个目标。IBM 的研究人员使用钨来生产基于铜的芯片,其速度比铝快 25 倍到 30 倍。采用了这种技术,通常称之为 CMOS XS (其中 X 是一个数字),应用到IBM Power 3-II处理器上。low-k 绝缘体这种技术使用 SiLK 来防止铜线“串扰”,

硅锗合金(SiGe)在二极管芯片制造中用来代替功耗更高的砷化镓,SiGe 可以显著地改善操作频率、电流、噪音和电源容量。 绝缘硅(SoI)在硅表面之间放上很薄的一层绝缘体,可以防止晶体管的“电子效应”,这样可以实现更高的性能和更低的功耗。这些先进技术在IBM Power4及以后的处理器已经广泛应用。

五、IBM Power处理器使用低功耗、高频和并发多线程

Power处理器使用的应变硅这种技术对硅进行拉伸,从而加速电子在芯片内的流动,不用进行小型化就可以提高性能和降低功耗。如果与绝缘硅技术一起使 用,应变硅技术可以更大程度地提高性能并降低功耗。POWER5芯片比POWER4芯片多集成了约一亿个晶体管,所以同样时钟频率时POWER5芯片具有 较大的功耗。

但IBM在POWER5种提供了最先进的功耗管理技术,打开动态功耗管理器时POWER5的功耗会下降到与POWER4相 当的程度。其先进性在于,其它功耗管理技术都是通过在处理器负荷不重时降低芯片频率/电压,从而降低处理器性能而实现的。Power5依然采用多核心高频 设计,设计却全面依赖自动化工具和逻辑设计。

POWER5在性能提升方面是在在处理器内核中加入了对并发多线程的支持,这是业界首个双内核双线程的芯片。每个POWER5处理器支持两个并发线程, 显著提高了处理器执行单元的使用率。在操作系统和应用看来,一个“双核心”、“双线程”的POWER5芯片可以提供四个逻辑处理器,并且对应用程序毫无特 殊要求。并发多线程技术的价值在于,它更充分地利用了POWER5内核中的8个执行单元,减少了闲置、提高了效率,用较少的代价提供了更高的性能。

六、“Power定律”和虚拟化发挥IBM Power处理器的最大优势

“Power是未来Unix世界的必然方向”这个所谓“定律”的含义时说,Power作为业界成熟稳健的技术架构,在十余年的发展历程中已历经5代重大 升级,现在新的p5系统在系统效用、性能表现、灵活性和IT管理成本上的重大突破,成就了IBM在Unix领域的技术分水岭,进一步拉大了IBM与竞争对 手间的差距。

Power等式:IBM对Power的最新解释是,Power是Performance(可靠)、 Optimization(优化)、Wisdom(智能)、Efficiency(高效)和Reliability(可靠)的缩写。POWER架构处理器 始终保持1-2年的领先性,现在的主流产品为POWER5,而回溯历史上的POWER3、POWER4,无不是如期交付;展望未来的POWER6、 POWER7,无不给用户信心保证。作为一家技术领先的公司,IBM对于Power架构研发有着持续巨大的投入,仅2004年4月以来,已有超过1400 余名研发人员加入了Power架构团队。Power架构所采用的铜芯片、绝缘硅、多内核和并发多线程技术领先使得IBM Power处理器发挥更大优势。

通过IBM AIX操作系统对POWER处理器实现虚拟化技术管理,采用这种虚拟化的技术可以提高资源的利用率,也就是说可以完全按照需求准确的分配资源;可以随时部 署新的操作系统的映像(逻辑分区),因为可以通过I/O的虚拟化和处理器的虚拟化实现这样一个目标;通过虚拟化可以提高响应能力,比如在10毫秒甚至更快 的速度内,就可以针对新的操作系统的映像规划资源。

这样就可以让用户及时的满足预期的需求或者是超过预期的一些峰值的需求。使用虚拟化带来的好处,用户可以从IT的投资当中获得收益的最大化。

作 为用户他们需要了解产品可以满足他们怎样的发展需求,作为技术人员他们需要对产品的特点及新技术有一个初步的了解,作为厂商他们需要让更多用户去了解并使 用他们的产品。作为媒体则是一个厂商与用户之间的桥梁。回顾Power架构的发展已经经历了风雨27载,而从第一颗Power处理器的诞生到现在也已经过 了18年。时下IBM的高端产品POWER6处理器即将要发布了,在发布前夕,我们就IBM已经发布的POWER5处理器和POWER6处理器进行一个简 单的技术对比。通过对比让我们来看看新一代的POWER6处理器有哪些技术变革,另外它给我们在应用方面带来了哪些改变。

  谈到产品对比往往就离不开技术层面上的,在Power5与Power6处理器技术对比之前,我们先来简单地回顾一下从1997年开始到现在IBM所采用的一些新技术。

 

1.铜芯片(Copper),1997年9月——出于很多技术原因,大多数人认为在芯片中取代铝线布线基本不可能。但IBM的工作小组克服了这些技术问题,很快地将铜线投入到生产中,其结果使芯片性能立刻得到提高。现在,IBM的开创性技术仍然是行业的标准。
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G%Y)N#U%z$CA18911  2.绝缘硅(SOI),1998年8月——绝缘硅(Silicon on Insulator)技术通过在现代芯片上绝缘隔离数以百万计的晶体管,从而实现了功耗的降低和性能的提高。在IBM开发出这项技术前,半导体行业对绝缘硅技术的研究已经进行了15年。
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3.应变硅(Strained Silicon),2001年6月——该项技术可以拉伸芯片内的材料,降低阻抗和加快电子流过晶体管的速度,从而提高性能和降低功耗。DOIT社区+UL&tooo&g,R q

"v'J j;]!L!LP ~18911   4.双内核微处理器(Dual-Core Microprocessors),2001年10月——全球第一个双内核微处理器POWER4作为Regatta的一部分发布,Regatta是一款 System p服务器,是当时世界上功能最强大的服务器。自此两年多以后——对于技术行业这是一个漫长的时间,我们的第一个竞争对手才将双内核芯片投放市场。DOIT社区6K d4[)W6j0c:Uw
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5.浸没式光刻(Immersion Lithography ),2004年12月——IBM宣布在全球首次采用这项新的制造技术,即可以使芯片尺寸可以做得更小的技术,来生产商用微处理器。DOIT社区mqFS6aL:d$]W
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6.冷冻硅锗芯片(Frozen SiGe Chip),2006年6月——上世纪90年代,IBM首次采用硅锗(SiGe)取代了更加昂贵和不稳定的材料,制造出了尺寸更小、速度更快和成本更低的 芯片,这使IBM开始向经营无线产品,如移动电话和路由器的公司销售芯片。去年,IBM通过与NASA提供支持的Georgia科技公司合作,又突破了硅 锗技术的限制,向全球展示了第一款能够在500GHz频率以上工作的硅基芯片——通过将芯片冷冻到接近绝对零度来实现。DOIT社区 L!Bb(faH[

s#St$p3e#|%F/QO#R5I18911   7.高电介质(High-k),2007年1月——IBM宣布推出一种解决方案来解决业界最头痛的问题之一,即晶体管电流泄漏问题。通过采用新的材料, IBM将制造出具有“高电介质金属门(High-k metal gates)”的芯片,从而使产品的性能更好、尺寸更小、能源效率更高。
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){$Rj/Aw:u18911  8.嵌入式动态随机访问存储器(eDRAM),2007年2月——通过在微处理器芯片上采用创新的新型快速动态随机访问存储器(DRAM)取代静态存储器(SRAM),IBM能够实现三倍以上容量的嵌入式内存,并使性能得到极大提高。
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B*A{9{+X9Uf o18911   9.三维芯片堆叠(3-D Chip Stacking),2007年4月——IBM宣布采用“穿透硅通道(through-silicon vias)”技术制造三维芯片,穿透硅通道使半导体可以垂直叠放,而原来只能接近水平依次排放,这样就可以将关键线路路径的长度缩短最高达1000倍。DOIT社区%wemB0wa

`Az IP,e?18911  10.Airgap,2007年5月——使用“自组装”纳米技术,IBM在Power架构的微处理器内数英里长的线路之间创造出一种真空状态,这样就减少了不必要的电容,提高了性能和能源效率。
J)Yn1wnGj1E$m18911第2页:POWER5处理器技术特点:
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   在2004年5月IBM公司推出了最新研发的POWER 5处理器,它是一款新一代的64位微处理器,适用于64位计算系统,同时还向下兼容32位系统。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。POWER5芯片具有27,600万个晶体管,比最初的POWER4芯片(具有17,400万个晶体管)多10,000万个。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。

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。
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GBA$dt?;C[BI*Mk18911   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。对于功耗而言,POWER5在不影响性能的前提下使用动 态电源管理来显著降低最大功耗。功耗由两部分组成:交换功耗和泄漏功耗,这两项功耗在POWER5中均得到了认真的调整,从而保证了在新的芯片中功耗降为 最低。POWER5微处理器将采用130纳米结点CMOS工艺制造,同时采用绝缘硅器件和铜线布线技术。
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就芯片技术而言,Power 5将达到大型机的95%或97%。而且,Power 5几乎能够检测和恢复系统所有错误,其性能估计可达到前一代产品--Power 4的4倍。另外,Power 5还提供了IBM的Fast Path新技术,即在出现问题时,一个微处理器可快速接管问题微处理器所运行的软件任务和其控制的网络、硬盘等硬件设备。

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