Микропроцессоры IBM Power (первоначально POWER, предшествующие Power10) разрабатываются и продаются IBM для серверов и суперкомпьютеров . [1] Название «POWER» изначально представлялось как аббревиатура от «Оптимизация производительности с расширенным RISC». Линия микропроцессоров Power использовалась в линейках серверов и суперкомпьютеров IBM RS/6000 , AS/400 , pSeries , iSeries, System p, System i и Power Systems . Они также используются в устройствах хранения данных и рабочих станциях IBM и другими производителями серверов, такими как Bull и Hitachi .
Семейство Power было первоначально разработано в конце 1980-х годов и находится в стадии активной разработки. Вначале они реализовали архитектуру набора команд POWER (ISA), которая превратилась в PowerPC , а затем в Power ISA . В августе 2019 года IBM объявила, что откроет исходный код Power ISA. [2] В рамках этого шага было также объявлено, что администрированием OpenPOWER Foundation теперь будет заниматься Linux Foundation .
В 1974 году IBM начала проект по созданию телефонного коммутационного компьютера, который требовал по тем временам огромной вычислительной мощности. Поскольку приложение было сравнительно простым, этой машине нужно было только выполнять ввод-вывод , переходы , добавление регистр-регистр , перемещение данных между регистрами и памятью , и ей не требовались специальные инструкции для выполнения тяжелой арифметики. Эта простая философия проектирования, согласно которой каждый шаг сложной операции явно определяется одной машинной инструкцией, а 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 .
К 1982 году IBM продолжила исследовать суперскалярные ограничения конструкции 801, используя несколько исполнительных блоков для повышения производительности и определения, может ли RISC-машина поддерживать несколько инструкций за цикл. В конструкцию 801 было внесено множество изменений, позволяющих использовать несколько исполнительных блоков, а процессор Cheetah имеет отдельные блоки для предсказания ветвления , выполнения с фиксированной запятой и с плавающей запятой . К 1984 году была выбрана КМОП , поскольку она обеспечивает улучшенную интеграцию схем и производительность транзисторной логики.
В 1985 году в Исследовательском центре IBM Томаса Дж. Уотсона начались исследования RISC-архитектуры второго поколения, создавшие «архитектуру АМЕРИКА». В 1986 году IBM Austin начала разработку компьютеров серии RS/6000 на основе этой архитектуры. Это должны были стать первые процессоры POWER, использующие первый POWER ISA.
Первыми компьютерами IBM, оснащенными POWER ISA, являются серии RISC System/6000 или RS/6000. Они были выпущены в феврале 1990 года. Эти компьютеры RS/6000 были разделены на два класса: рабочие станции POWERstation и серверы POWERserver. Первый ЦП RS/6000 имеет две конфигурации, называемые «RIOS-1» и «RIOS.9» (или, чаще, ЦП POWER1). Конфигурация RIOS-1 имеет в общей сложности 10 дискретных микросхем: микросхему кэша инструкций, микросхему с фиксированной запятой, микросхему с плавающей запятой, 4 микросхемы кэша данных L1 , микросхему управления хранилищем, микросхемы ввода/вывода и тактовую микросхему. Более дешевая конфигурация RIOS.9 имеет 8 дискретных микросхем: микросхему кэша инструкций, микросхему с фиксированной запятой, микросхему с плавающей запятой, 2 микросхемы кэша данных, микросхему управления хранилищем, микросхему ввода/вывода и микросхему часов.
POWER1 — первый микропроцессор, в котором использовалось переименование регистров и выполнение вне очереди . Упрощенная и менее мощная версия 10-чипового RIOS-1 была создана в 1992 году для младших моделей RS/6000. Он использует только один чип и называется RISC Single Chip или RSC.
IBM начала разработку процессора POWER2 как преемника POWER1. Благодаря добавлению в конструкцию второго блока с фиксированной запятой, второго мощного блока с плавающей запятой, а также других улучшений производительности и новых инструкций, POWER2 ISA достиг лидерских показателей на момент своего анонса в ноябре 1993 года. POWER2 представлял собой многокристальную конструкцию, но IBM также разработала на его основе единый чип, названный POWER2 Super Chip или P2SC, который использовался в высокопроизводительных серверах и суперкомпьютерах. На момент своего появления в 1996 году P2SC был крупнейшим процессором с наибольшим количеством транзисторов в отрасли и лидером в операциях с плавающей запятой.
В 1991 году Apple искала будущую альтернативу платформе Motorola серии 68000 на базе CISC , и Motorola экспериментировала с собственной RISC-платформой 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 как от Apple, так и от Motorola. Это должна была быть полная 32/64-битная RISC-архитектура, охватывающая диапазон от встраиваемых микроконтроллеров очень низкого уровня до суперкомпьютерных и серверных приложений очень высокого класса .
После двух лет разработки в 1993 году была представлена получившаяся PowerPC ISA. В модифицированную версию архитектуры RSC PowerPC добавлены инструкции с плавающей запятой одинарной точности и общие инструкции умножения и деления между регистрами, а также удалены некоторые функции POWER. Также добавлена 64-битная версия ISA и поддержка SMP .
В 1990 году IBM хотела объединить архитектуры серверов нижнего и среднего уровня, RS/6000 RISC ISA и AS/400 CISC ISA, в одну общую RISC ISA, на которой могли бы размещаться как операционные системы IBM AIX , так и OS/400 . Существующие POWER и будущие PowerPC ISA были сочтены командой AS/400 неподходящими, поэтому было разработано расширение 64-битного набора команд PowerPC под названием PowerPC AS для Advances Series или Amazon Series . Позже были включены дополнения от команды RS/6000 и AIM Alliance PowerPC, а к 2001 году, с появлением POWER4, все они были объединены в одну архитектуру набора команд: PowerPC v.2.0.
POWER3 начинался как PowerPC 630, преемник коммерчески неудачного PowerPC 620 . Он использует комбинацию POWER2 ISA и 32/64-битного набора PowerPC ISA с поддержкой SMP и однокристальной реализации. Он широко использовался в компьютерах IBM RS/6000, а версия второго поколения, POWER3-II, является первым коммерчески доступным процессором IBM, использующим медные соединения . POWER3 — последний процессор, использующий набор инструкций POWER, а все последующие модели используют наборы инструкций PowerPC.
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 унификации различных платформ, POWER4 также был разработан для достижения очень высоких частот и имел большой встроенный кэш L2. Это первый коммерчески доступный многоядерный процессор , выпускавшийся в версиях с одним кристаллом, а также в виде четырехчиповых многокристальных модулей. В 2002 году по запросу Apple IBM также выпустила версию POWER4 с уменьшенной стоимостью и функциональными возможностями под названием PowerPC 970 .
Процессоры POWER5 основаны на популярном процессоре POWER4 и включают в себя одновременную многопоточность — технологию, впервые использованную в процессоре RS64-III на базе PowerPC AS и встроенных контроллерах памяти . Он был разработан для крупномасштабной многопроцессорной обработки и представлял собой многочиповые модули со встроенными большими чипами кэша L3.
В 2004 году была основана совместная организация под названием Power.org с целью унификации и координации будущего развития спецификаций PowerPC. К тому времени спецификация PowerPC была фрагментированной, поскольку Freescale (урожденная Motorola) и IBM пошли разными путями в ее разработке. Freescale отдавала приоритет 32-битным встроенным приложениям, а также высокопроизводительным серверам и суперкомпьютерам IBM. Также существовала группа лицензиатов спецификации, таких как AMCC , Synopsys , Sony , Microsoft , PA Semi , CRAY и Xilinx , которым требовалась координация. 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 из POWER5 со спецификацией PowerPC Book E от Freescale, а также с некоторыми родственными технологиями, такими как расширения Vector-Media, известные под торговой маркой AltiVec (также называемой VMX IBM) и аппаратная виртуализация . Эта новая ISA называлась Power ISA v.2.03, и POWER6 был первым высокопроизводительным процессором IBM, который ее использовал. Старые спецификации POWER и PowerPC не были приняты, и эти наборы инструкций отныне были окончательно признаны устаревшими. Сегодня не ведется активная разработка какого-либо типа процессора, использующего эти старые наборы команд.
POWER6 стал плодом амбициозного проекта eCLipz , объединившего наборы инструкций I (AS/400), P (RS/6000) и Z (мейнфрейм) в рамках одной общей платформы. I и P уже были объединены с POWER4, но проект eCLipz не смог включить z/Architecture на базе CISC , и процессор z10 стал родственным братом eCLipz POWER6. По состоянию на 2021 год [update]IBM продолжает разрабатывать отдельную линейку процессоров, реализующих z/Architecture, последней из которых является IBM Telum . [3]
Благодаря eCLipz POWER6 представляет собой необычную конструкцию, поскольку он нацелен на очень высокие частоты и отказывается от внеочередного исполнения, что было особенностью процессоров POWER и PowerPC с момента их создания. POWER6 также представил в Power ISA десятичную единицу с плавающей запятой , которую он разделяет с z/Architecture.
С выпуском POWER6 в 2008 году IBM объединила бывшие семейства серверов и рабочих станций System p и System i в одно семейство под названием Power Systems . На машинах Power Systems могут работать различные операционные системы, такие как AIX, Linux и IBM i .
Конструкция симметричного многопроцессора POWER7 представляет собой существенную эволюцию конструкции POWER6, в ней больше внимания уделяется энергоэффективности за счет нескольких ядер, одновременной многопоточности (SMT), внеочередного выполнения и большого объема встроенной кэш-памяти eDRAM L3. Восьмиядерный чип может выполнять 32 потока параллельно и имеет режим, в котором он может отключать ядра для достижения более высоких частот для тех, которые остались. Он использует новый высокопроизводительный модуль с плавающей запятой под названием VSX, который объединяет функциональность традиционного FPU с AltiVec. Несмотря на то, что POWER7 работает на более низких частотах, чем POWER6, каждое ядро POWER7 работает быстрее, чем его аналог POWER6.
POWER8 — это 12-ядерный процессор с тактовой частотой 4 ГГц и 8 аппаратными потоками на ядро, что в общей сложности обеспечивает 96 потоков параллельного выполнения. Он использует 96 МБ встроенной кэш-памяти eDRAM L3 и 128 МБ внешней кэш-памяти L4, а также новую шину расширения CAPI, которая работает поверх PCIe, заменяя старую шину GX . Шину CAPI можно использовать для подключения выделенных внешних микросхем-ускорителей, 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-нм техпроцессу в 2014 году. [4] [5] [6] В декабре 2012 года IBM начала отправлять исправления для версии ядра Linux 3.8 для поддержки новых функций POWER8, включая инструкции VSX-2. [7]
По словам Уильяма Старка, системного архитектора процессора POWER8, IBM потратила много времени на разработку процессора POWER9. [8] POWER9 — первый процессор, в котором реализованы элементы Power ISA версии 3.0, выпущенной в декабре 2015 года, включая инструкции VSX-3, а также реализована поддержка технологии шины NVLink от Nvidia . [9] [10]
Министерство энергетики США совместно с Окриджской национальной лабораторией и Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса заключило контракт с IBM и Nvidia на создание двух суперкомпьютеров, Sierra и Summit, на базе процессоров POWER9 в сочетании с графическими процессорами Nvidia Volta . Сьерра вышла в онлайн в 2017 году, а Саммит в 2018 году. [ 11] [12] [13]
POWER9, выпущенный 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 масштабируемых и масштабируемых приложений. Возможно, в будущем появятся новые версии, поскольку архитектура POWER9 открыта для лицензирования и модификации членами OpenPOWER Foundation . [14]
Power10 — процессор, представленный в сентябре 2021 года. Он построен по технологии 7 нм. [15] [16]