解析IBM Power系列服务器处理器

    801 的设计非常简单。但是由于所有的指令都必须在一个时钟周期内完成，因此其浮点运算和超量计算(并行处理)能力很差。POWER 体系结构就着重于解决这个问题。POWER 芯片采用了 100 多条指令，是非常优秀的一个 RISC 体系结构。下面对每种 POWER 芯片简单进行一下介绍:

　　POWER1

　　发布于 1990 年，每个芯片中集成了 800,000 个晶体管。与当时其他的 RISC 处理器不同，POWER1 进行了功能划分，这为这种功能强大的芯片赋予了超量计算的能力。它还有单独的浮点寄存器，可以适应从低端到高端的 UNIX 工作站。最初的 POWER1 芯片实际上是在一个主板上的几个芯片;后来很快就变成一个 RSC(RISC 单一芯片)，其中集成了 100 多万个晶体管。POWER1 微处理器的 RSC 实现被火星探险任务用作中央处理器，它也是后来 PowerPC 产品线的先驱。

　　POWER2

　　发布于 1993 年，一直使用到 1998 年:每个芯片中集成了 1500 万个晶体管。POWER2 芯片中新加了第二个浮点处理单元(FPU)和更多缓存。PSSC 超级芯片是 POWER2 这种 8 芯片体系结构的一种单片实现，使用这种芯片配置的一个 32 节点的 IBM 深蓝超级计算机在 1997 年击败了国际象棋冠军 Garry Kasparov。

　　POWER3

　　发布于 1998 年，每个芯片中集成了 1500 万个晶体管。第一个 64 位对称多处理器(SMP)，POWER3 完全兼容原来的 POWER 指令集，也可以与 PowerPC 指令集很好地兼容。POWER3 设计用来从事从太空探测到天气预报方面的科技计算应用。它特有一个数据预取引擎，无阻塞的交叉数据缓存，双浮点执行单元，以及其他一些很好的设计。POWER3-II 使用铜作为连接介质重新实现了 POWER3，这样以相同的价格可以获得两倍的性能。

　　POWER4

　　发布于 2001 年，每个芯片中集成了 1 亿 7400 万个晶体管。采用 0.18 微米的铜和 SoI(绝缘硅)技术，POWER4 是目前市场上单个芯片功能最强大的芯片。POWER4 继承了 POWER3 芯片的所有优点(包括与 PowerPC 指令集的兼容性)，但是采用的却是全新的设计。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(也称为“片上 CMP”或“片上服务器”)。每个处理器都可以并行执行 200 条指令。POWER4+(也称为 POWER4-II)功能与之类似，但是主频更高，功耗更低。现在，1GHz的Power4处理器已经推出，该产品率先采用0.11微米工艺，晶体管集成度达到1.7亿。

　　POWER5

　　于2004 年4月发布。与 POWER3 和 POWER4 芯片类似，POWER5 是 POWER 和 PowerPC 体系结构的一种综合体。这种芯片具有很多特性，例如通信加速、芯片多处理器、同步多线程等等，新研发的POWER 5微处理器是一款新一代的64位微处理器，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。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。

　　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。 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。它所采用的基础技术有效保证了IBM eServer服务器在占用更小的空间(通过逻辑分区实现)的条件下为客户提供更高的性能。

　　Power处理器及高端RISC服务器如下:

　　Power4和Power5特性的对比如下:

　　POWER5和Itanium及Opteron规格对比如下:

　　说明:Power系列处理器的未来路线图----现在占市场主流的是Power4，今年推出Power5，2005年是速度更快的Power5+;2006年和2007年将推出Power6和Power6+;2008年推出Power7，之后是Power7+。系统方面也随之升级，从AIX 的4.3版本到5.1、5.2，一直到今天的5.3版本。

　　下面是 IBM 在半导体领域所取得的最新突破:

　　铜介质

　　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。让我们从 Edison 的笔记本中翻出一页: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。科技界采用了这种技术，通常称之为 CMOS XS (其中 X 是一个数字)。

　　low-k 绝缘体

　　这种技术使用 SiLK 来防止铜线“串扰”，SiLK 是来自 Dow Chemical 的一种商业材料。

　　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。

　　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。

　　作者点评: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。

　　Power4处理器主要用于高端Unix服务器，Power5处理器用途更加广泛，可用于刀片式服务器。分区的功能也得到了改善，Power4处理器允许将分区设置为单个处理器的大小，Power5处理器允许进行数百个分区。目前POWER5由于很好地解决了自身的发热问题，使得应用范围可以延伸到从低端到高端的所有系列服务器当中，中小企业无疑将成为最大的受益者。

　　随着POWER5的发布，该产品将直接面对Itanium2和Opteron的市场竞争，IBM则认为:“POWER5绝对比Itanium-2更有效率。至于Opteron，经过power5在缓存和核心结构的成功改良，没人能够阻挡POWER5的进攻”。