Семейство PowerPC 600 было первым семейством процессоров PowerPC . Они были разработаны на предприятии в Сомерсете в Остине, штат Техас , совместно финансируемым и укомплектованным инженерами IBM и Motorola в рамках альянса AIM . Компания Somerset была открыта в 1992 году, и ее целью было создание первого процессора PowerPC, а затем продолжение разработки процессоров PowerPC общего назначения для персональных компьютеров . Первым воплощением стал PowerPC 601 в 1993 году, а вскоре последовало второе поколение с PowerPC 603, PowerPC 604 и 64-битным PowerPC 620.
PowerPC 601 был первым поколением микропроцессоров, поддерживавшим базовый 32-битный набор команд PowerPC . Серьезные усилия по проектированию начались в середине 1991 года, а первые прототипы микросхем были доступны в октябре 1992 года. Первые процессоры 601 были представлены на рабочей станции IBM RS / 6000 в октябре 1993 года (наряду с ее более мощным многочиповым родственником линейки процессоров IBM POWER2 ). и первые Apple Power Macintosh - 14 марта 1994 года. Модель 601 была первой усовершенствованной однокристальной реализацией архитектуры POWER/PowerPC, разработанной в условиях аварийного графика с целью вывести PowerPC на рынок и укрепить альянс AIM. Чтобы добиться чрезвычайно агрессивного графика, включающего при этом существенно новые функции (такие как существенное повышение производительности, новые инструкции и, что важно, первую реализацию симметричной многопроцессорной обработки (SMP) POWER/PowerPC), в конструкции использовался ряд ключевых технологий и стратегий управления проектами. Команда 601 использовала большую часть базовой структуры и частей однокристального процессора IBM RISC (RSC), [1] , но также включила поддержку подавляющего большинства новых инструкций PowerPC, не входящих в набор команд POWER . Хотя почти каждая часть конструкции RSC была изменена, а многие конструктивные блоки были существенно изменены или полностью переработаны с учетом совершенно другой унифицированной структуры шины ввода-вывода и поддержки когерентности SMP/памяти . Новые изменения в PowerPC, использующие базовую структуру RSC, были очень полезны для снижения неопределенности при планировании площади микросхемы и временном анализе/настройке. Стоит отметить, что 601 не только реализовал существенные новые ключевые функции, такие как SMP, но также выступал в качестве моста между POWER и будущими процессорами PowerPC, помогая IBM и разработчикам программного обеспечения в переходе на PowerPC. От начала проектирования до вывода на рынок первого прототипа 601 прошло всего 12 месяцев, чтобы как можно быстрее вывести PowerPC на рынок.
Чтобы помочь в быстром включении архитектуры шины 88110 в модель 601 на благо альянса и ее клиентов, руководство Motorola предоставило не только спецификации архитектуры шины 88110, но и несколько проектировщиков, разбирающихся в шинах 88110, которые помогли с реализация и проверка логики шины 60x. Поскольку команда разработчиков системы Apple была знакома со структурой шины ввода-вывода модели 88110 компании Motorola, а реализация шины ввода-вывода была четко определена и документирована, команда разработчиков 601 внедрила технологию шины, чтобы сократить время выхода на рынок. После внедрения в 601 шина была переименована в шину 60x . [2] Эти дизайнеры Motorola (и небольшое количество Apple) присоединились к более чем 120 дизайнерам IBM в создании 601.
Использование шины 88110 в качестве основы для шины 60x помогло во многих отношениях улучшить расписание. Это помогло команде Apple Power Macintosh сократить объем перепроектирования поддерживающих их ASIC , а также сократить количество времени, необходимое разработчикам и архитекторам процессоров для предложения, документирования, согласования и закрытия нового интерфейса шины (успешно избегая «шинного интерфейса»). Wars», ожидаемых руководством 601, если автобус 88110 или предыдущие автобусы RSC не были приняты на вооружение). Стоит отметить, что принятие шины 88110 в интересах усилий Apple и альянса произошло за счет усилий первой группы разработчиков системы IBM RS/6000, вспомогательные ASIC которых уже были реализованы вокруг совершенно другой структуры шины RSC.
Эта шина 60x позже стала довольно долгоживущим базовым интерфейсом для многих вариантов процессоров 601, 603, 604, G3 , G4 и Motorola/Freescale PowerQUICC .
Чип был разработан для широкого спектра приложений и имел поддержку внешнего кэша L2 и симметричной многопроцессорной обработки . Он имел четыре функциональных блока, включая блок с плавающей запятой , целочисленный блок , блок ветвления и блок секвенсора. В состав процессора также входил блок управления памятью . Целочисленный конвейер имел длину четыре этапа, конвейер ответвления — два этапа, конвейер памяти — пять этапов, а конвейер с плавающей запятой — шесть этапов.
Впервые выпущенный в системах IBM осенью 1993 года, он продавался IBM как PPC601 и Motorola как MPC601. Он работал на скоростях от 50 до 80 МГц. Он был изготовлен с использованием КМОП- процесса 0,6 мкм с четырьмя уровнями алюминиевых межсоединений . Кристалл имел площадь 121 мм 2 и содержал 2,8 миллиона транзисторов. 601 имеет унифицированный кэш L1 объемом 32 КБ , емкость которого в то время считалась большой для встроенного кэша. Отчасти благодаря большому кэшу он считался высокопроизводительным процессором в своем сегменте, превосходя по производительности конкурирующий Intel Pentium . PowerPC 601 использовался в первых компьютерах Power Macintosh от Apple , а также в различных рабочих станциях RS/6000 и серверах SMP от IBM и Groupe Bull .
IBM была единственным производителем микропроцессоров 601 и 601+ на своих производственных мощностях в Берлингтоне, Вермонт и Ист-Фишкилл, Нью-Йорк . В модели 601 использовался процесс IBM CMOS-4s, а в модели 601+ использовался процесс IBM CMOS-5x. Чрезвычайно небольшое количество этих процессоров 601 и 601+ было переименовано в логотипы Motorola и номера деталей и распространялось через Motorola. Эти факты несколько неясны, поскольку существуют различные изображения «Motorola MPC601», в частности один конкретный пример умелого маркетинга Motorola, когда 601 был назван одним из «Продуктов года» журнала Time Magazine 1994 года с маркировкой Motorola .
Обновленная версия PowerPC 601v или PowerPC 601+ , работающая на частоте от 90 до 120 МГц, была представлена в 1994 году. Она была изготовлена по новой технологии КМОП 0,5 мкм с четырьмя уровнями межсоединений, в результате чего площадь кристалла составила 74 мм 2 . Дизайн 601+ был переназначен с CMOS-4 на CMOS-5x командой только IBM. Чтобы избежать задержек выхода на рынок из-за изменений в инструментах проектирования и унификации основных правил, модели 601 и 601+ были разработаны с использованием инструментов IBM EDA на системах IBM и изготовлены на предприятиях только IBM. [3] [4] [5] [6]
PowerPC 603 был первым процессором, реализующим полную 32-битную архитектуру PowerPC , как указано. Представленный в 1994 году, это была передовая конструкция для своего времени: один из первых микропроцессоров, предлагающий двойной выпуск (до трех со складыванием ветвей) и внеочередное исполнение в сочетании с низким энергопотреблением 2,2 Вт и небольшим кристаллом. площадью 85 мм 2 . [7] [8] [9] [10] Он был разработан как недорогой процессор с низким энергопотреблением для портативных приложений. Одной из основных функций были функции энергосбережения (режим сна, сон и сон), которые могли значительно снизить энергопотребление, потребляя всего 2 мВт в спящем режиме. 603 имеет четырехступенчатый конвейер и пять исполнительных блоков: целочисленный блок, блок с плавающей запятой, блок прогнозирования ветвей , блок загрузки/сохранения и блок системного реестра. Он имеет отдельные кэши L1 объемом 8 КБ для инструкций и данных, а также 32/64-битную шину памяти 60x, достигающую частоты до 120 МГц при напряжении 3,8 В. [10] Ядро 603 не имело аппаратной поддержки SMP .
PowerPC 603 имел 1,6 миллиона транзисторов и был изготовлен IBM и Motorola по КМОП-процессу 0,5 мкм с четырьмя уровнями межсоединения. Размер кристалла составлял 85 мм 2 , потребляемая мощность 2,2 Вт при частоте 80 МГц. [10] [11] Архитектура 603 является прямым предком архитектуры PowerPC 750 , продаваемой Apple как PowerPC «G3».
Модель 603 предназначалась для использования на портативных компьютерах Apple Macintosh , но не могла запускать программное обеспечение эмуляции 68K с производительностью, которую Apple считала адекватной, из-за меньшего кэша процессора. В результате Apple решила использовать 603 только в своей недорогой линейке настольных компьютеров Performa. [12] [13] Это привело к задержке выпуска Apple PowerBook 5300 и PowerBook Duo 2300 , поскольку Apple решила дождаться версии процессора. Использование Apple 603 в линейке Performa 5200 привело к тому, что процессор получил плохую репутацию. Помимо проблем с производительностью эмуляции 68K, машины Performa поставлялись с множеством конструктивных недостатков, некоторые из которых были серьезными, связанными с другими аспектами конструкции компьютеров, включая производительность и стабильность сети, проблемы с шиной (ширина, скорость, конкуренция, и сложность), ошибки ПЗУ и производительность жесткого диска. [14] [15] Ни одна из проблем линейки 5200, за исключением производительности эмуляции 68K, по своей сути не была связана с 603. Скорее, процессор был модернизирован для использования с материнскими платами 68K и другими устаревшими деталями. [16] Сайт Low End Mac оценивает Performa 5200 как худший Mac всех времен. [17] Модель 603 нашла широкое применение в различных встраиваемых устройствах. [ нужна цитата ]
Проблемы производительности 603 были решены в PowerPC 603e . Кэш L1 был увеличен и увеличен до 16 КБ четырехстороннего наборно-ассоциативного кэша данных и инструкций. Тактовая частота процессоров также была увеличена вдвое, достигнув 200 МГц. Сокращение производственного процесса до 350 нм позволило добиться скорости до 300 МГц. Эту часть иногда называют PowerPC 603ev . 603e и 603ev имеют по 2,6 миллиона транзисторов каждый и имеют площадь 98 мм 2 и 78 мм 2 соответственно. 603ev потребляет максимум 6 Вт на частоте 300 МГц. [18] [19]
PowerPC 603e был первым массовым процессором для настольных ПК, достигающим частоты 300 МГц, который использовался в Power Macintosh 6500 . 603e также использовался в картах-ускорителях Phase5 для линейки компьютеров Amiga с процессорами с частотой от 160 до 240 МГц. PowerPC 603e до сих пор продается IBM и Freescale, а также другими компаниями, такими как Atmel и Honeywell , которые производят радиационно-стойкий вариант RHPPC . PowerPC 603e также был сердцем BeBox от Be Inc. BeBox примечателен тем, что представляет собой многопроцессорную систему, для которой 603 не была предназначена. IBM также использовала процессоры PowerPC 603e в серии IBM ThinkPad 800 . В некоторых сериях цифровых осциллографов ЛеКрой использовал PowerPC 603e в качестве основного процессора. [20] [21] Процессоры 603e также питают все 66 спутников парка спутниковых телефонов Iridium . Каждый из спутников содержит семь процессоров Motorola/Freescale PowerPC 603e, работающих на частоте примерно 200 МГц каждый. Специальный процессор 603e также используется в Mark 54 Lightweight Torpedo .
Ядро PowerPC 603e, переименованное компанией Freescale в G2 , является основой для многих встроенных процессоров PowerQUICC II и, как таковое, продолжает развиваться. Процессоры SoC PowerQUICC II от Freescale имеют обозначение MPC82xx и выпускаются в различных конфигурациях с частотой до 450 МГц. Название G2 также используется как ретроним для процессоров 603e и 604, чтобы соответствовать G3, G4 и G5.
Компания Freescale усовершенствовала ядро 603e, назвав его e300 , во встраиваемых процессорах PowerQUICC II Pro . Были добавлены кэши L1 большего размера (32/32 КБ) и другие меры по повышению производительности. Процессоры SoC PowerQUICC II Pro от Freescale имеют обозначение MPC83xx и выпускаются в различных конфигурациях, обеспечивая скорость до 667 МГц. e300 также является ядром процессора SoC MPC5200B , который используется в небольшом компьютере EFIKA .
PowerPC 604 был представлен в декабре 1994 года вместе с 603 и был разработан как высокопроизводительный чип для рабочих станций и серверов начального уровня и, как таковой, имел аппаратную поддержку симметричной многопроцессорной обработки . 604 широко использовался в высокопроизводительных системах Apple, а также в клонах Macintosh , недорогих серверах и рабочих станциях IBM RS/6000 , ускорительных платах Amiga и в качестве встроенного процессора для телекоммуникационных приложений.
604 — это суперскалярный процессор, способный одновременно выполнять четыре инструкции. Модель 604 имеет шестиступенчатый конвейер и шесть исполнительных блоков, которые могут работать параллельно, выполняя до шести инструкций за каждый цикл. Два простых и один комплексный целочисленный блок , один блок с плавающей запятой , один блок обработки ветвей, управляющий внеочередным выполнением, и один блок загрузки/сохранения. Он имеет отдельные кэши данных и инструкций L1 объемом 16 КБ. Внешний интерфейс представляет собой 32- или 64-битную шину 60x, работающую на тактовой частоте до 50 МГц.
PowerPC 604 содержит 3,6 миллиона транзисторов и был изготовлен IBM и Motorola по КМОП-процессу 0,5 мкм с четырьмя уровнями межсоединения. Размер кристалла составлял 12,4 х 15,8 мм (196 мм 2 ) и потреблял 14–17 Вт на частоте 133 МГц. Он работал на скоростях от 100 до 180 МГц. [22] [23] [24]
PowerPC 604e был представлен в июле 1996 года и включал в себя блок регистров условий и отдельные кэши данных и инструкций L1 размером 32 КБ, а также другие изменения в подсистеме памяти и блоке прогнозирования ветвей, что привело к увеличению производительности на 25% по сравнению с его предшественником. Он имел 5,1 миллиона транзисторов и был изготовлен IBM и Motorola по КМОП-процессу 0,35 мкм с пятью уровнями межсоединений. Кристалл имел площадь 148 мм 2 или 96 мм 2 , производился компаниями Motorola и IBM соответственно и потреблял 16–18 Вт при частоте 233 МГц. Он работал на частотах от 166 до 233 МГц и поддерживал шину памяти до 66 МГц. [25] [26]
PowerPC 604ev , 604r или «Mach 5» был представлен в августе 1997 года и по сути представлял собой 604e, изготовленный IBM и Motorola по более новому процессу, обеспечивающий более высокие скорости при меньшем энергопотреблении. Кристалл размером 47 мм 2 был изготовлен по КМОП-технологии 0,25 мкм с пятью уровнями межсоединений и потреблял 6 Вт на частоте 250 МГц. Он работал на частотах от 250 до 400 МГц и поддерживал шину памяти до 100 МГц.
В то время как Apple отказалась от 604ev в 1998 году в пользу PowerPC 750 , IBM продолжала использовать его в моделях начального уровня своих компьютеров RS/6000 в течение нескольких лет.
PowerPC 620 был первой реализацией всей 64-битной архитектуры PowerPC. Это был PowerPC второго поколения, наряду с 603 и 604, но ориентированный на рынок высокопроизводительных рабочих станций и серверов. На бумаге он был мощным, и первоначально предполагалось, что он будет запущен вместе со своими собратьями, но запуск был отложен до 1997 года. Когда он все же появился, характеристики были сравнительно низкими, и значительно более дешевый 604e превзошел его. [27] Поэтому модель 620 никогда не производилась в больших количествах и нашла очень мало применения. Единственным пользователем PowerPC 620 была Groupe Bull на своих машинах Escala UNIX , но они не поставляли больших объемов. IBM, намеревавшаяся использовать его на рабочих станциях и серверах, решила вместо этого дождаться еще более мощных 64-битных процессоров RS64 и POWER3 .
Модель 620 была произведена компанией Motorola по технологии 0,5 мкм. Он имел 6,9 миллиона транзисторов, а площадь кристалла составляла 311 мм 2 . Он работал на тактовой частоте от 120 до 150 МГц и потреблял 30 Вт на частоте 133 МГц. Более поздняя модель была построена с использованием техпроцесса 0,35 мкм, что позволило ей достигать частоты 200 МГц. [ нужны дальнейшие объяснения ]
620 был похож на 604. Он имеет пятиступенчатый конвейер, ту же поддержку симметричной многопроцессорной обработки и такое же количество исполнительных блоков; блок загрузки/хранения, блок ветвления, FPU и три целочисленных блока. Благодаря более крупному кэшу инструкций и данных размером 32 КБ, поддержке кэша L2 емкостью 128 МБ , а также более мощным модулям ветвления и загрузки/сохранения с большим количеством буферов, 620 был очень мощным. Таблица истории ветвей также была больше и могла отправлять больше инструкций, так что процессор мог обрабатывать выполнение вне очереди более эффективно, чем 604. Модуль с плавающей запятой также был улучшен по сравнению с 604. Благодаря более быстрому циклу выборки и поддержке несколько ключевых аппаратных инструкций (например, sqrt) сделали его в сочетании с более быстрыми и широкими шинами данных более эффективным, чем FPU в 604. [ требуется дальнейшее объяснение ]
Системная шина представляла собой более широкую и быструю 128-битную шину памяти, называемую шиной 6XX . Она была разработана как системная шина для многопроцессорных систем, к которой должны были подключаться процессоры, кэши, память и устройства ввода-вывода при помощи микросхемы управления системой. Он поддерживает как 32-, так и 64-битные процессоры PowerPC, адреса памяти размером более 32 бит и среды NUMA . Он также использовался в POWER3, RS64 и 601, а также в системах RS/6000 на базе 604 (с мостовым чипом). [28] Позже шина превратилась в шину GX в POWER4 , а затем в GX+ и GX++ в POWER5 и POWER6 соответственно. Шина GX также используется в мейнфреймах IBM z10 и z196 System z .
PowerPC 602 представлял собой урезанную версию PowerPC 603, специально созданную для игровых консолей компаниями Motorola и IBM и представленную в феврале 1995 года. [29] Он имеет меньший кэш L1 (4 КБ инструкций и 4 КБ данных), а также одинарную точность блок с плавающей запятой [29] и блок прогнозирования ветвей с уменьшенным масштабом. Он предлагался на частотах от 50 до 80 МГц и потреблял 1,2 Вт на частоте 66 МГц. Он состоял из 1 миллиона транзисторов и имел площадь 50 мм 2 , изготовленный по КМОП-процессу 0,5 мкм с четырьмя уровнями межсоединений. [30]
3DO разработала игровую консоль M2 , в которой использовались два PowerPC 602, [29] [31] , но она так и не поступила на рынок.
21 октября 1996 года компания-производитель полупроводников Quantum Effect Devices (QED) без фабрики анонсировала на Microprocessor Forum процессор, совместимый с PowerPC 603, под названием « PowerPC 603q » . Несмотря на свое название, он не имел ничего общего ни с одним другим 603. Это была реализация 32-битной архитектуры PowerPC с нуля, ориентированная на рынок высокопроизводительных встраиваемых систем, разработанная в течение двух лет. Таким образом, он был маленьким, простым, энергоэффективным, но мощным; соответствует более дорогому 603e, потребляя при этом меньше энергии. Он имел упорядоченный пятиэтапный конвейер с одним целочисленным блоком, модулем с плавающей запятой двойной точности (FPU) и отдельными кэшами инструкций размером 16 КБ и кэшем данных 8 КБ. Хотя целочисленный блок имел совершенно новую конструкцию, FPU был заимствован из R4600 для экономии времени. Он имел площадь 69 мм 2 и использовался при изготовлении с толщиной 0,5 мкм и потреблял всего 1,2 Вт при частоте 120 МГц. [32] [33]
Модель 603q была разработана для Motorola, но они расторгли контракт до того, как 603q был запущен в серийное производство. В результате выпуск 603q был отменен, поскольку QED не могла продолжать продавать процессор, поскольку у них не было собственной лицензии PowerPC.
Похоже, что «PowerPC 613» — это имя, которое Motorola дала PowerPC третьего поколения. [34] [35] [36] Предположительно, он был переименован в « PowerPC 750 » в ответ на процессор x704 от Exponential Technology , который был разработан, чтобы значительно превзойти 604. Однако вряд ли есть какие-либо источники, подтверждающие что-либо из этого, и это может быть чистым предположением или ссылкой на совершенно другой процессор.
Подобно PowerPC 613, «PowerPC 614» могло быть именем, данным Motorola PowerPC третьего поколения, [34] [36] , а затем переименованным по той же причине, что и 613. Было высказано предположение, что эта часть была переименована в « PowerPC» . 7400 », а Motorola даже перевела его на PowerPC четвертого поколения, хотя архитектурные различия между «G3» и «G4» были небольшими. Однако вряд ли есть какие-либо источники, подтверждающие что-либо из этого, и это может быть чистым предположением или ссылкой на совершенно другой процессор.
« PowerPC 615 » — процессор PowerPC, анонсированный IBM в 1994 году, но так и не дошедший до массового производства . Его основная особенность заключалась в том, чтобы включить в кристалл ядро x86 , что позволило процессору самостоятельно обрабатывать инструкции как PowerPC, так и x86. [37] Операционная система, работающая на PowerPC 615, может выполнять либо 32-битные, либо 64-битные инструкции PowerPC, 32-битные инструкции x86 или их комбинацию. Смешивание инструкций потребует переключения контекста в ЦП с небольшими накладными расходами. Единственными операционными системами, поддерживавшими 615, были Minix и специальная версия OS/2 . [38]
Он имел площадь 330 мм 2 и был изготовлен компанией IBM по технологии 0,35 мкм. Он был совместим по выводам с процессорами Intel Pentium и сопоставим по скорости. Процессор был представлен только как прототип, и программа была уничтожена отчасти тем, что Microsoft никогда не поддерживала этот процессор. Инженеры, работавшие над PowerPC 615, позже попали в Transmeta , где работали над процессором Crusoe . Поскольку был продемонстрирован прогресс в разработке программного обеспечения для динамического перевода, такого как технология Digital FX!32 , был выражен скептицизм по поводу выделения аппаратных ресурсов для запуска сторонних двоичных файлов, когда такие ресурсы вместо этого можно использовать для улучшения собственной производительности, что также улучшает производительность переведенные двоичные файлы. [39] : 94
«PowerPC 625» было ранним названием 64-битных процессоров PowerPC серии Apache, разработанных IBM на основе набора инструкций PowerPC-AS «Amazon». Позже они были переименованы в « RS64 ». Обозначение «PowerPC 625» никогда не использовалось для конечных процессоров.
«PowerPC 630» было ранним названием высокопроизводительного 64-битного процессора PowerPC, разработанного IBM для унификации наборов инструкций POWER и PowerPC . Позже он был переименован в « POWER3 », вероятно, чтобы отличить его от более ориентированных на потребителя процессоров «PowerPC», используемых Apple .
«PowerPC 641» под кодовым названием Habanero — несуществующий проект PowerPC, разработанный IBM в 1994–1996 годах. Было высказано предположение, что это был PowerPC третьего поколения на базе процессора 604. [40] [41]
Крошечные 8-килобайтные кэши 603, как известно, плохо подходят для программного обеспечения Mac OS, особенно для эмуляции 68 КБ; даже кэши 603e вызывают значительное снижение производительности на более высоких тактовых частотах. Учитывая заданную Артуром частоту 250 МГц и выше, удвоение кэшей снова имело смысл.