Микропроцессоры IBM Power (первоначально POWER до Power10) разработаны и продаются IBM для серверов и суперкомпьютеров . [1] Название «POWER» изначально было представлено как аббревиатура от «Performance Optimization With Enhanced RISC». Линейка микропроцессоров Power использовалась в линейках серверов и суперкомпьютеров IBM RS/6000 , AS/400 , pSeries , iSeries, System p, System i и Power Systems . Они также использовались 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 до сих пор находится в стадии активной разработки. В начале они реализовали архитектуру набора инструкций POWER (ISA), которая эволюционировала 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 администрирование OpenPOWER Foundation теперь будет осуществляться Linux Foundation .
В 1974 году IBM начала проект по созданию компьютера телефонного коммутатора, который требовал, на тот момент, огромной вычислительной мощности. Поскольку приложение было сравнительно простым, этой машине нужно было только выполнять ввод-вывод , ветвления , добавлять регистр-регистр , перемещать данные между регистрами и памятью и не нуждаться в специальных инструкциях для выполнения сложной арифметики. Эта простая философия проектирования, при которой каждый шаг сложной операции явно указывается одной машинной инструкцией, и все инструкции должны быть выполнены за одно и то же постоянное время, позже стала известна как RISC . Когда проект телефонного коммутатора был отменен, IBM сохранила проект для процессора общего назначения и назвала его 801 в честь здания № 801 в исследовательском центре Томаса Дж. Уотсона .
К 1982 году IBM продолжила исследовать суперскалярные пределы конструкции 801, используя несколько исполнительных блоков для повышения производительности, чтобы определить, может ли машина RISC поддерживать несколько инструкций за цикл. В конструкцию 801 было внесено много изменений, чтобы обеспечить несколько исполнительных блоков, а процессор Cheetah имеет отдельные блоки для предсказания ветвлений , выполнения с фиксированной и плавающей точкой . К 1984 году была выбрана КМОП , поскольку она позволяет улучшить интеграцию схем и производительность транзисторной логики.
В 1985 году в исследовательском центре IBM Thomas J. Watson началось исследование архитектуры RISC второго поколения, результатом которого стала «архитектура AMERICA». В 1986 году IBM Austin начала разработку компьютеров серии RS/6000 на основе этой архитектуры. Это должны были быть первые процессоры POWER, использующие первую POWER ISA.
Первые компьютеры IBM, включавшие POWER ISA, — это 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 процессор RS/6000 имел 2 конфигурации, называемые «RIOS-1» и «RIOS.9» (или чаще CPU POWER1). Конфигурация RIOS-1 имеет в общей сложности 10 дискретных чипов: чип кэша инструкций, чип с фиксированной точкой, чип с плавающей точкой, 4 чипа кэша данных L1 , чип управления хранилищем, чипы ввода/вывода и чип часов. Более дешёвая конфигурация RIOS.9 имеет 8 дискретных чипов: чип кэша инструкций, чип с фиксированной точкой, чип с плавающей точкой, 2 чипа кэша данных, чип управления хранилищем, чип ввода/вывода и чип часов.
POWER1 — первый микропроцессор, использовавший переименование регистров и внеочередное выполнение . Упрощенная и менее мощная версия RIOS-1 с 10 чипами была создана в 1992 году для младших моделей RS/6000. Она использует только один чип и называется RISC Single Chip или RSC.
IBM начала работу над процессором POWER2 в качестве преемника POWER1. Добавив второй блок с фиксированной точкой, второй мощный блок с плавающей точкой и другие улучшения производительности и новые инструкции в конструкцию, POWER2 ISA имел лидирующие показатели производительности, когда был анонсирован в ноябре 1993 года. POWER2 был многочиповым дизайном, но IBM также сделала его одночиповым дизайном, названным POWER2 Super Chip или P2SC, который пошел в высокопроизводительные серверы и суперкомпьютеры. На момент своего появления в 1996 году P2SC был самым большим процессором с самым большим количеством транзисторов в отрасли и был лидером в операциях с плавающей точкой.
В 1991 году Apple искала будущую альтернативу платформе Motorola 68000 серии на базе CISC , а Motorola экспериментировала с собственной платформой RISC, 88000. IBM присоединилась к обсуждению, и трое основали альянс AIM для создания PowerPC ISA, в значительной степени основанной на POWER ISA, но с дополнениями от Apple и Motorola. Это должна была быть полная 32/64-битная архитектура RISC, и она должна была охватывать диапазон от очень простых встроенных микроконтроллеров до очень высокопроизводительных суперкомпьютеров и серверных приложений.
После двух лет разработки в 1993 году был представлен PowerPC ISA. Модифицированная версия архитектуры RSC, PowerPC добавила инструкции с плавающей точкой одинарной точности и общие инструкции умножения и деления регистр-регистр, а также удалила некоторые функции POWER. Также была добавлена 64-битная версия ISA и поддержка SMP .
В 1990 году IBM захотела объединить архитектуры серверов начального и среднего уровня, RS/6000 RISC ISA и AS/400 CISC ISA, в одну общую RISC ISA, которая могла бы обслуживать как операционные системы IBM AIX , так и OS/400 . Существующие POWER и будущие PowerPC ISA были признаны командой AS/400 неподходящими, поэтому было разработано расширение 64-битного набора инструкций PowerPC под названием PowerPC AS for Advances Series или Amazon Series . Позже были включены дополнения от команды RS/6000 и AIM Alliance PowerPC, и к 2001 году, с появлением POWER4, все они были объединены в одну архитектуру набора инструкций: 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 от IBM, использующим медные соединения . POWER3 является последним процессором, использующим набор инструкций POWER, и все последующие модели используют наборы инструкций PowerPC.
POWER4 объединил 32/64-битный набор инструкций PowerPC и 64-битный набор инструкций PowerPC AS из проекта Amazon в новую спецификацию 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 имел большой кэш L2 на кристалле. Это первый коммерчески доступный многоядерный процессор , который выпускался как в однокристальных версиях, так и в многокристальных модулях с четырьмя чипами. В 2002 году IBM также выпустила по заказу Apple версию POWER4 с уменьшенной стоимостью и функциональностью под названием PowerPC 970 .
Процессоры POWER5 были созданы на основе популярного POWER4 и включали в себя одновременную многопоточность в дизайне, технологию, впервые примененную в процессоре RS64-III на базе PowerPC AS, и контроллеры памяти на кристалле . Он был разработан для многопроцессорной обработки в больших масштабах и поставлялся в многочиповых модулях с большими встроенными чипами кэша L3.
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 раздроблена, поскольку Freescale (урожденная Motorola) и IBM пошли разными путями в ее разработке. Freescale отдала приоритет 32-битным встроенным приложениям и высокопроизводительным серверам и суперкомпьютерам IBM. Также существовал набор 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 инструкций была названа Power ISA и объединила PowerPC v.2.02 из POWER5 со спецификацией PowerPC Book E от Freescale, а также некоторыми связанными технологиями, такими как Vector-Media Extensions, известными под торговой маркой AltiVec (также называемыми VMX от IBM) и аппаратной виртуализацией . Эта новая ISA была названа «Power ISA v.2.03», и POWER6 был первым высокопроизводительным процессором от IBM, который ее использовал. Более старые спецификации POWER и PowerPC не прошли отбор, и эти наборы инструкций были с тех пор окончательно устарели . Сегодня не ведется активная разработка какого-либо типа процессора, который использовал бы эти старые наборы инструкций.
POWER6 стал плодом амбициозного проекта eCLipz , объединив наборы инструкций I (AS/400), P (RS/6000) и Z (мэйнфрейм) на одной общей платформе. I и P уже были объединены с POWER4, но усилия eCLipz не смогли включить основанную на CISC z/Architecture , и процессор z10 стал братом POWER6 eCLipz. 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 она нацелена на очень высокие частоты и пожертвовала внеочередным выполнением, что было особенностью процессоров POWER и PowerPC с момента их появления. POWER6 также представил десятичный блок с плавающей точкой в Power ISA, что он разделяет с z/Architecture.
С POWER6 в 2008 году IBM объединила бывшие семейства серверов и рабочих станций System p и System i в одно семейство под названием Power Systems . Машины Power Systems могут работать под управлением различных операционных систем, таких как AIX, Linux и IBM i .
Симметричная многопроцессорная конструкция POWER7 стала существенным развитием конструкции POWER6, больше фокусируясь на энергоэффективности за счет нескольких ядер, одновременной многопоточности (SMT), внеочередного выполнения и больших кэшей eDRAM L3 на кристалле. Восьмиядерный чип мог выполнять 32 потока параллельно и имел режим, в котором он мог отключать ядра, чтобы достичь более высоких частот для оставшихся. Он использует новый высокопроизводительный блок с плавающей точкой под названием VSX, который объединяет функциональность традиционного FPU с AltiVec. Даже при том, что POWER7 работает на более низких частотах, чем POWER6, каждое ядро POWER7 работает быстрее, чем его аналог POWER6.
POWER8 — это 4 ГГц, 12-ядерный процессор с 8 аппаратными потоками на ядро, что в общей сложности составляет 96 потоков параллельного выполнения. Он использует 96 МБ кэша eDRAM L3 на чипе и 128 МБ кэша L4 вне чипа, а также новую шину расширения, называемую CAPI, которая работает поверх PCIe, заменяя старую шину GX . Шину CAPI можно использовать для подключения выделенных микросхем ускорителей вне чипа, таких как графические процессоры , специализированные микросхемы и ПЛИС . IBM заявляет, что он в два-три раза быстрее своего предшественника POWER7.
Впервые он был построен на 22-нанометровом техпроцессе в 2014 году. [4] [5] [6] В декабре 2012 года IBM начала предоставлять исправления для версии 3.8 ядра Linux 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 Национальной лабораторией Оук-Ридж и Национальной лабораторией Лоуренса в Ливерморе заключили контракт с IBM и Nvidia на создание двух суперкомпьютеров, Sierra и Summit, на базе процессоров POWER9 в сочетании с графическими процессорами Volta от Nvidia . Sierra был запущен в эксплуатацию в 2017 году, а Summit — в 2018 году. [11] [12] [13]
POWER9, выпущенный в 2017 году, производится с использованием 14 нм процесса FinFET и поставляется в четырех версиях: две версии SMT4 с 24 ядрами, предназначенные для использования PowerNV для масштабируемых и масштабируемых приложений, и две версии SMT8 с 12 ядрами, предназначенные для использования PowerVM для масштабируемых и масштабируемых приложений. Возможно, в будущем появятся и другие версии, поскольку архитектура POWER9 открыта для лицензирования и модификации членами OpenPOWER Foundation . [14]
Power10 — процессор, представленный в сентябре 2021 года. Он построен на 7-нм технологии. [15] [16]