ИБМ-ова ПОWЕР архитектура

ИБМ лого

ПОWЕР архитектура је акроним за Перформанце Оптимизатион Wитх Енханцед РИСЦ, и представља РИСЦ (енгл. Reduced Instructions Set Computer) ИСА (енгл. Instructions Set Architecture) развијену од стране ИБМ-а. ПОWЕР серија микропроцесора је употребљена у многим процесорима ИБМ-ових сервера, мини компјутера, радних станица и супер компјутера.

Истраживање

1974. ИБМ је започео пројекат са циљем стварања телефонске мреже са потенцијалним капацитетом од најмање 300 позива у секунди. Ради остварења тог циља, сматрано је да процесор са перформансом од 12 МИПС-а неопходан што је у то време било веома амбициозно. Али, проблем је поједностављен јер овај процесор није морао да обавља неке специјално захтевне инструкције, већ само улазно-излазне операције, кретање података, повезивање.

Ова поједностављена верзија, где је сваки корак неке сложене операције представљен као једна једноставна машинска инструкција, и где све оне морају бити извршене у истом константном времену ће касније бити позната као РИСЦ. Иако су већ следеће године одустали од овог пројекта, изгледало је да процесор направљен у ову сврху може бити веома користан процесор опште намене, па је рад на њему настављен.

У две наредне године, границе овог процесора су биле проширене, као и могућност имплементације, користећи вишеструке извршне јединице у циљу побољшања перформанси (гранање, фиксне и покретне зарезе). Године 1985. почело је истраживање друге генерације РИСЦ архитектуре, која је названа „Америка“ архитектура. Следеће године ИБМ је почео да развија РС/6000 серије (фамилија сервера, радних станица и супер компјутера) које су засноване на тој архитектури.

Крајем осамдесетих година прошлог века, започет је Белатрикс пројекат. Циљ је био да се употреби „Америка“ архитектура као темељ за заједничку архитектуру која је могла да подржи ОС/390 за централне рачунаре, ОС/400 за мултипроцесорске сервере и АИX за научне апликације. Почетком деведесетих, овај пројекат је угашен јер је сматран преамбициозним.

ПОWЕР 1

Од 1990. година, када се појавио, имао је 2 дораде. 1991. године направљен је ПОWЕР1+, а 1992. ПОWЕР1++. Директни потомци овог процесора су РИСЦ Сингле Цхип (РСЦ) и РАД6000 (компјутери отпорни на радијацију, прављени за америчку владу). Такође је направљен ПоwерПЦ 601, намењен за комерцијалну употребу. ПОWЕР1 је био први ИБМ-ов успешни РИСЦ процесор као и предак многих успешних породица ПОWЕР, ПоwерПЦ и процесора са ПОWЕР архитектуром, које имају стотине различитих имплементација. ПОWЕР1 је 32-битни суперскаларни процесор. Садржи три велике извршне јединице:

• фиксне зарезе (енгл. fixed point units FXU)
• јединицу за гранање (енгл. branch point unit BPU)
• покретне зарезе (енгл. floating point units FPU).

Иако му је физичка адреса 32-битна, виртуелна адреса је дугачка 52 бита како би се побољшале перформансе при извршавању апликација. Ово је биг-ендиан ЦПУ који подржава Харвард архитектуру, што значи да има одвојену кеш меморију за инструкције и одвојену за податке. Кеш меморија за инструкције или I-кеш (енгл. Instruction Cache) је величине 8 КБ и може да прими адресу из главне меморије на једну или две локације и има дужину линије од 24 бита. Налази се на ИЦУ (енгл. Instruction Cache Unit) чипу. Кеш меморија за податке или D-кеш (енгл. Data Cache) може податке из главне меморије да смести на четири локације и има дужину линије од 128 бита. Нажалост, овај процесор није имао могућност да подржи више процесора у једном компјутерском систему, па је одбачен. Једини начин да се побољша је био да му се повећа фреквенција, што је било тешко за такав велики дизајн процесора.

ИЦУ (енгл. Instructions Cache Unit)

Овај чип садржи кеш меморију за инструкције и уређај за гранање (БПУ) који се састоји из програмског бројача, регистра са кодовима услова, регистра за петље. ИЦУ такође садржи 0,75 милиона транзистора. Површина му је око 160 мм2.

ФXУ (енгл. Fixed Point Unit)

Овај чип је одговоран за декодирање и извршавање свих инструкција са фиксним зарезом и учитавање и складиштење инстукција са покретним зарезом. У извршавању користи регистарски фајл, аритметичко логичку јединицу за генералне инструкције и наменске јединице за множење и дељење. Такође садржи бафер за инструкције који прима инструкције и са фиксним и са покретним зарезом од I-кеша, прослеђујући оне са покретним зарезом ФПУ-у. Садржи око 0,5 милиона транзистора и има површину око 160мм2.

ФПУ (енгл. Floating Point Unit)

ФПУ извршава инструкције са покретним зарезом. Подржава паралелну обраду и може да извршава инструкције са једноструком тачношћу и са двоструктом тачношћу. Такође, има могућност да извршава операције сабирања и множења у једном циклусу што раније није било могуће, што значи да су резултати прецизнији. Овај чип такође садржи регистарски фајл.

ДЦУ (енгл. Data Cache Unit)

ПОWЕР1 има 64 КБ D-кеша имплементиран кроз четири идентичне D-кеш јединице где се свака састоји од по 16 КБ. Кеш као и магистрале које повезују овај чип са другим су заштићене од грешака. ДЦУ такодје омогућује интерфејс за меморију што значајно доприноси поузданости и доступности меморије. Сваки ДЦУ садржи отприлике 1,125 милиона транзистора и има површину од 130 мм2.

СЦУ (енгл. Storage Control Unit)

Овај процесор контролише СЦУ чип. Све комуникације између ИЦУ, ФXУ и ДЦУ чипова као и са меморијом и улазно-излазним уређајима се обављају преко овог чипа. Садржи око 0,23 милиона транзистора и површина му је 130 мм2. I/О Унит Овај чип имплементира улазно-излазни интерфејс. Садржи око 0,5 милиона транзистора и има површину око 160 мм2.

ПОWЕР 2

Године 1993. појавила се нова генерација, наследник ПОWЕР 1 архитектуре процесора. Када је представљен, ово је био најбржи микропроцесор. Побољшања ПОWЕР 1 генерације су укључила:

• више фреквенције (од 55 до 77,5 МХз)
• више ФXУ и ФПУ јединица
• I-кеш од 32 КБ
• D-кеш од 128 или 256 КБ.

ПОWЕР 2 је садржао 6 или 8 интегрисаних кола у зависности од количине D-кеша. Садржи 23 милиона транзистора и површина му је око 1125 мм2.

ПОWЕР2+

Побољшана верзија ПОWЕР 2 архитектуре, оптимизована за обраду трансакција је представљена 1994. године као ПОWЕР2+. Радно оптерећење настало због обраде трансакција је резултовало додавањем Л2 кеш меморије са капацитетом од 512 КБ, 1 МБ или 2 МБ. Овај кеш је био повезан са ПОWЕР2+ са 64-битном магистралом (за системе нижег квалитета) или 128-битном. Кеш за податке самог процесора је био мањег капацитета, што је проузроковало мањи ДЦУ чип, као што је и чип за контролу складиштења такође био мањи. Циљ свега овога био је да се смање трошкови.

ПОWЕР2 Супер Чип

П2СЦ (Поwер 2 Супер Цхип) је лансиран 1996. године као наследник ПОWЕР 2. Овај чип имплементран кроз 8 чипова садржао је 15 милиона транзистора на 335 мм2. Био је скоро два пута бржи од ПОWЕР 2 оперишући на фреквенцији од 120 до 135 МХз. Овај чип може да извршава шест инструкција по циклусу, од кога су две инструкције операције у покретном зарезу. Такође подржава и извршавање инструкција ван реда којим су написане у програму, ако се тако повећава брзина извршења, али само код операција са покретним зарезом. Са две јединице за гранање, такође подржава два гранања по циклусу, али се не могу истовремено извршити, већ је једно на чекању док је друго у процесу.

ПоwерПЦ

ПоwерПЦ 601 микропроцесор

Представљен је 1993. као резултат партнерства ИБМ-а, Аппле-а и Мотороле (АИМ алијанса). ПоwерПЦ процесор је садржао већину инструкција ПОWЕР процесора. Нове инструкције и особине су додате да би подржале симетричне мултипроцесоре.

ПоwерПЦ линија је имала неколико покушаја који су резултовали моделом 604е. Његове главне предности у односу на ПОWЕР 2 су:

• више процесора
• већа фреквенција (332 МХз)
• додавање Л2 кеш меморије
• повећана меморија
• улазно-излазни слотови
• већа пропусна моћ
• подржава операције и у биг ендиан и у литтле ендиан режиму
• 64-битна спецификација која је компатибилна „наниже“ са 32-битном.

ПоwерПЦ архитектура представљала је ИБМ-ов улазак у свет мултипроцесорких ситема и временом је заменила све претходне унипроцесорске системе.

Неке од карактеристика 604е модела:

• од 1 до 4 процесора по рачунару
• Л1 D-кеш од 32 КБ
• Л1 I-кеш од 32 КБ
• Л2 кеш меморија од 256 КБ
• До 3 ГБ дељене меморије
• одвојена адресна магистрала и магистрала за податке
• 7 чипова: 1 ФПУ, 3 ФXУ, БПУ, ЦРУ (Цондитион Регистар Унит) - регистар са условима кода, и јединица за учитавање и складиштење.

Године 2006., ПоwерПЦ је преименован у Поwер ИСА.

ПОWЕР 3

ПОWЕР 3 је микропроцесор, дизајниран и произведен у ИБМ-у и представљао је стапање ПОWЕР 2 једнопроцесорске и ПоwерПЦ вишепроцесорске архитектуре. Представљен је 1998. године. Базиран је на ПоwерПЦ-у 620, који је био покушај имплементације ПоwерПЦ-а и није задовољио очекивања, да би касније пропао у комерцијалном смислу. Као и ПоwерПЦ 620, ПОWЕР3 има 3 ФXУ, али је једна ФПУ замењена са две и додата је још једна јединица за учитавање и складиштење (укупно две).

Неке од карактеристика ове архитектуре су:

Шема Поwер3 процесора

• од 2 до 16 процесора по рачунарском систему
• 64-битна архитектура и адресни простор
• фреквенција од 200 до 450 МХз
• Л1 D-кеш меморија од 64 КБ
• Л1 I-кеш меморија од 32 КБ
• Л2 кеш меморија се креће и до 16 МБ
• Л2 кеш меморија има сопствену магистралу која је повезује са главном меморијом
• дељена меморија зависи од модела, али се креће до 64 ГБ
• одвојена адресна магистрала и магистрала за податке
• 9 чипова: 2 ФПУ, 3 ФXУ, 2 чипа за учитавање и складиштење, БПУ, чип са условним регистром.

Постојало је 4 модела ове архитектуре: Wитерхаwк 1, Wитерхаwк 2, Нигхтхаwк 1 и Нигхтхаwк 2. Разликовали су се по броју процесора, фреквенцији итд.

ПОWЕР 3 II

ПОWЕР 3 II је побољшана верзија ПОWЕР 3 генерације где је фреквенција повећана на 450 МХз. Садржи 23 милиона транзистора и површина му је 170 мм2.

ПОWЕР 4

Шема Поwер4 процесора

ПОWЕР 4 је микропроцесор представљен 2001. године. Ово је био први процесор са два језгра. Фреквенција му се кретала од 1,1 до 1,3 ГХз. ПОWЕР 4 је имао Л2 кеш меморију подељену на три једнака дела. Сваки део је имао свој независни контролер који је могао да подржи 32 бита по циклусу. Интерфејс језгра је повезивао сваки Л2 контролер са кеш меморијом за податке или кеш меморијом за инструкције. Постоји и Л3 контролер, али је Л3 кеш меморија заправо ван чипа. Иако је спорија од Л1 и Л2 кеш меморија, бржа је од РАМ-а.

Ова архитектура имплементира суперскаларну микроархитектуру где се наредбе извршавају на високој фреквенцији и то не редом којим су написане у програму, већ ред извршавања зависи од доступности података. Тако се убрзава рад јер се не чека на податке који нису одмах доступни, већ се извршава инструкција која је спремна за извршавање.

Карактеристике ПОWЕР 4 архитектуре:

• два језгра по процесору
• брз улазно-излазни интерфејс
• фреквеницја од 1 до 1,9 ГХз
• суперскаларни процесор (8 чипова: 2 ФПУ, 2 ФXУ, 2 чипа за учитавање и складиштење, јединица за управљање гранањем и регистар са условним кодовима)
• 32 КБ D-кеша
• 64 КБ I-кеша
• Л2 кеш- 1,44 МБ по чипу
• 128 МБ Л3 кеша је логички подељено на све чипове.

Може да садржи до 32 процесора.

ПОWЕР 4+

Ово је побољшана верзија ПОWЕР 4 архитектуре која је достигла радни такт од 1,9 ГХз. Садржи 184 милиона транзистора и површина му је 267 мм2.

ПОWЕР 4 процесор у борби против болести

Први хардвер у који је уграђен ПОWЕР 4 процесор се користито за изградњу једног од највећих рачунарских система на свету који треба да пронађе одговоре о болестима као што су Алцхајмерова болест или болест лудих крава која се појавила код људи. Немачко друштво Макс Планк затражило је од ИБМ-а да направи суперкомпјутер који ће користити његов чип. Ова научна организација користи компјутерски систем који је у стању да обавља 3,8 билиона операција у секунди. Научници уз његову помоћ могу да усресреде пажњу на нестабилности структуре протеина на нивоу атома. Те нестабилности могле би бити одговорне и за известан број других болести поред оних наведених. Процесор ПОWЕР4 се најпре појавио у ИБМ-овим системима високе класе, а потом и у серверима серије еСервер. За његову израду ИБМ је користио бакарну метализацију и технологију силицијума на изолатору.

ПОWЕР 5

Мулти-чип модул са четири Поwер5 процесора

• ПОWЕР 5 је микропроцесор је побољшана верзија веома успешног ПОWЕР 4 микропроцесора са четири пута бољим перформансама него његов претходник. Главна побољшања се огледају у подршци симултаном вишепроцесном раду (сваки процесор ће моћи истовремено да извршава два одвојена процеса), што повећава досадашње перформансе за 40%, и меморијском контролеру (дигитално коло које управља протоком података од и до главне меморије). Ово је процесор са два језгра, где свако подржава једну физичку нит и две логичке, што значи да цео процесор подржава две физичке и четири логичке нити.

Већина ресурса, као што су регистарски фајлови и извршне јединице су подељени, иако сваки задатак има сопствени сет регистра. Архитектура процесора ПОWЕР5 има и могућност партиционисања каква постоји у свету ИБМ-ових Униx сервера. Захваљујући њој корисници могу да направе и до десет партиција по процесору. У систему са 64 процесора корисници ће моћи да направе чак 512 партиција.

• ПОWЕР5 је израђен поступком од 130 нанометара, а касније и 90 нм, и располаже убрзивачком технологијом која у неким апликацијама оптимализује перформансе. То омогућује да се неки често коришћени делови кода, који су у многим популарним апликацијама извршавани софтверски, сада извршавају хардверски, што повећава брзину.

Меморијски контролер подржава и до 64ГБ РАМ меморије. Садржи 276 милиона транзистора и има површину око 389 мм2. Неке карактеристике ПОWЕР5 архитектуре су:

• фреквенција од 1,65 до 2+ ГХз
• од 1 ГБ до 256 ГБ чврсте меморије
• D-кеш од 32 КБ
• I-кеш од 64 КБ
• Л2 кеш меморија од 1,9 МБ по чипу и физички је ближа процесору што убрзава његов рад
• Л3 кеш меморија од 36 МБ по чипу
• већи број регистара него у ПОWЕР 4 архитектури
• Управљање струјом- чипови који се тренутно не користе троше мање струје да би се спречило загрејавање.
• ИБМ је произвео следеће типове ПОWЕР 5 модула:
• ДЦМ (енгл. Dual Chip Module)- укључује један ПОWЕР 5 процесор и једну Л3 кеш меморију
• QЦМ (енгл. Quad Chip Module)- укључује два ПОWЕР 5 процесора и две Л3 кеш меморије
• MCM (енгл. Multi Chip Module)- укључује четири ПОWЕР 5 процесора и четири Л3 кеш меморије

ПОWЕР 5+

ПОWЕР 5+ је изашао 2005. године. Мања потрошња струје му је била једна од предности. Мањи је од ПОWЕР5 процесора са својих 243 мм2. Иако испрва фреквенција није била повећана, 2006. године новија верзија је оперисала на брзини од 2.2 ГХз, а касније те године је стигла и до 2,3 Гхз.

ПОWЕР 6

• ПОWЕР 6 процесор објављен је 2007. године као наследник ПОWЕР 5+ архитектуре. Има двоструко боље перформансе него његов претходник уз приближно исту потрошњу енергије.

Ово је двојезгарни микропроцесор који саџи око 790 милиона транзистора на својој површини од 341 мм2. Видљива разлика у односу на ПОWЕР 5 је да он извршава наредбе редом. Ова промена често захтева од софтвера да буде рекомпајлиран у циљу оптимизације перформанси, али ПОWЕР 6 даље показује значајан напредак у односу на свог претходника.

• ПОWЕР 6 такође подржава ВиВА-2 (енгл. Virtual Vector Architecture) што омогућава да комбинација неколико ПОWЕР 6 процесора ради као један векторски процесор. За разлику од скаларних процесора који оперишу са појединачним подацима, векторски процесори оперишу са једнодиманзионалним низом података.
• ИБМ повећава радни такт процесора ПОWЕР6 на 5 ГХз, што је много више од конкурентских процесора компанија Интел и Сун. Упркос високој фреквенцији, чип се не греје превише, захваљујући томе што је израђен 65-нанометарском технологијом, као и напону напајања од само 0,8 V. Пропусни опсег магистрала је 75 ГБ/с.

Удвостручавањем радног такта постојећег процесора ПОWЕР5, ИБМ пркоси савременим тенденцијама снижавања фреквенција зарад смањења потрошње енергије. Уместо тога, ИБМ се потрудио око ефикасности чипа и још неких унапређења дизајна. У последње време, произвођачи процесора се више труде да унапреде перформансе уградњом већег броја језгара у чип, уместо повишења радног такта. ИБМ је у процесору ПОWЕР6 пажњу посветио и једном и другом чиниоцу без повећања потрошње енергије. Неке карактеристике ПОWЕР 6 архитектуре:

• подржава од 2 до 64 процесора по ранунарском систему
• садржи два језгра по процесору
• Л1 кеш од 64 КБ по језгру
• Л2 кеш од 4 МБ по језгру
• Л3 кеш од 32 МБ по чипу
• радни такт и до 5 ГХз.

Од 2008. године домен ПОWЕР 6 система се проширио на „Еxпресс“ моделе (520, 550 и 560) и Ентерприсе моделе (570 и 595). Модели су направљени да подрже компаније свих величина. На пример, 520 Еxпресс је дизајниран за мање пословне системе, док је Поwер 595 за велике корпорације. Предност Ентерприсе система је што подржава ЦоД (Цапацитy он Деманд) што представља активирање чипова према лиценци, било стално, или било повремено-према потреби.

ПОWЕР 7

2010. ИБМ је представио најновију генерацију процесора, ПОWЕР 7, који имају већи број језгара и боље перформансе при сумултаном вишепроцесном раду. Ради се о осмојезгарним процесорима ПОWЕР7, код којих је свако језгро способно да покреће четири програмске нити, што значи да процесор може истовремено да обави 32 задатка, односно четири пута више у односу на старије процесоре Поwер6. Нови процесор подржава технологију ТурбоЦоре, која омогућава убрзавање активних језгара ради добијања бољих перформанси. Осим тога, технологија ТурбоЦоре рукује меморијом и опсегом пропуштања података на такав начин да побољшава перформансе сваког појединачног језгра. Процесор ПОWЕР 7 је намењен за рад са серверима који могу дуго времена да раде без отказивања. Такви сервери се обично налазе у енергетским и финансијским компанијама, где обављају обраду великог броја података или се на њима налазе обимне базе података. Сервери са процесорима ПОWЕР7 уз побољшане перформансе, доносе и уштеде енергије, захваљујући технологији под називом Униqуе Интеллигент Енергy која омогућава да се делови система искључе ради уштеде енергије. Ова технологија омогућава и смањење брзине рада процесора у једном или више сервера, што такође утиче на смањивање потрошње енергије. Корисницима је омогућено и да управљају садашњим апликацијама и сервисима са мање трошкова уз најновија технолошка достигнућа у виртуелизацији, штедњи енергије, ефикаснијим и јефтинијим коришћењем меморије и бољим перформансама у односу на трошкове. Нови системи могу да донесу четири пута боље перформансе и четири пута веће могућности виртуелизације за исту цену, енергетска ефикасност је три до четири пута већа у односу на раније системе. Представљена су четири нова система базирана на ПОWЕР7 процесорима:

• ИБМ Поwер 780 је нова категорија скалабилних, хигх-енд сервера, који имају напредан модуларни дизајн са 64 ПОWЕР7 језгра
• ИБМ ПОWЕР 770 је модуларни систем за предузећа са чак 64 ПОWЕР7 језгара
• ИБМ Поwер 755 је нод за кластере који се баве сложеним прорачунима високих перформанси, са 32 ПОWЕР7 језгра, Енергy Стар сертификатом за енергетску ефикасност, а оптимизован је за најзахтевније аналитичке апликације
• ИБМ Поwер 750 Еxпресс је сервер за средња предузећа, а омогућава четири пута већи процесорски капацитет него његов претходник ИБМ Поwер 550 Еxпресс,остајући у истој категорији енергетске потрошње.

  Основне карактеристике ПОWЕР 7 процесора:

• 1,2 милијарде транзистора
• израђен 45 нм технологијом
• радни такт од 3 до 4.25 ГХз
• 4, 6 или 8 језгара по чипу
• до 4 нити по језгру
• Л1 кеш – 32 КБ за инструкције и 32 КБ за податке по језгру
• Л2 кеш – 256 КБ по језгру
• Л3 кеш – укупно 4 МБ по језгру, заједнички за сва језгра.

Овај процесор садржи 12 извршних јединица по језгру: две целобројне јединице, две јединице за учитавање и складиштење, 4 јединице за рад у покретном зарезу двоструке тачности, векторска јединица, јединица за рад у децималном покретном зарезу, јединица за гранање, јединица условног регистра. Инструкције се извшавају преко реда и може се извршити чак 6 инструкција по циклусу. Веома је добро прилагођен повезивању у озбиљан вишепроцесорски систем. Овај процессор је обогаћен и великим бројем регистра, као што су на пример:

• 32 регистра опште намене, 64- битни
• 32 регистра за рад у покретном зарезу, 64-битни
• 32 векторска регистра, 128-битни
• 64 векторско-скаларна регистра, 128-битни.

Пропусност кеш меморије при радном такту од 4 ГХз је на веома високом нивоу:

• Л1- 192 ГБ/с
• Л2- 192 ГБ/с
• Л3- 128 ГБ/с.

Пропусност системске меморије је:

• максимална брзина читања 102.33 ГБ/с
• максимална брзина писања 51.16 ГБ/с
• комбинована максимална брзина 136.44 ГБ/с.

Наследник овог чипа, ПОWЕР 8 процесор се и даље развија у ИБМ-овим истраживачким центрима, а у центру пажње су побољшања симултног вишепроцесног рада, повећање броја језгара, повећање кеш меморије, поузданост итд. Биће израђен технологијом од 22 нм, али датум представљања овог производа и даље није познат.

Види још

• ИБМ
• РИСЦ
• Процесор
• Микропроцесор
• Кеш меморија
• РАМ
• Аппле
• Моторола

Спољашње везе

• ИБМ