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人類的 POWER

2004 年 4 月 01 日

在最近 10 年中,IBM 在半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了一個又一個的突破:銅技術(shù),絕緣硅,硅鍺合金,應(yīng)變硅和 low-k 絕緣體。所有這些技術(shù)都滋生于 IBM 肥沃的研究土壤。這種對現(xiàn)代芯片制造知根知底的能力并非是空穴來風(fēng),而是來自于半導(dǎo)體工業(yè)中最先進的 R & D 部門的封閉且潔凈的實驗室。

最初,每個計算機的中央處理單元(或稱為 CPU)都是惟一的。每個 CPU 都有自己的指令集,且與其他 CPU 的指令集不兼容。這種情況的變化要回溯到 1964 年引入 IBM S/360 產(chǎn)品線的電子管年代:突然之間,我們不需要每次新買一臺計算機時都丟棄原來的代碼并重新設(shè)計代碼了。現(xiàn)在的 IBM 大型機依然保持著對 1962 年這種革命性的指令集的向后兼容性。IBM 其他的 CPU 產(chǎn)品線也保持著相同的兼容性。

從用戶模式來看,PowerPC? 系列處理器對應(yīng)用提供了完全的兼容性:從最底層的自動交通指示燈到功能強大的 Apple Xserve G5。另外,PowerPC 微處理器還與 IBM 的其他 RISC 處理器產(chǎn)品線 POWER? 和 Star 共用一大組通用指令集,這樣就使得這三條產(chǎn)品線保持著“近似”的兼容性。在很多情況中,這等價于二進制兼容;在有些情況中,則意味著需要進行簡單的重編譯;不論如何,這都意味著程序移植已經(jīng)是小菜一碟了。

IBM 的四條處理器產(chǎn)品線 -- POWER 體系結(jié)構(gòu),PowerPC 系列的處理器,Star 系列,以及 IBM 大型機上所采用的芯片 -- 都有一個共同的祖先:IBM 801。

CPU 的族譜


IBM 801 的目標(biāo)是解決 20 世紀(jì) 70 年代很多計算機面臨的相同問題:電話呼叫的轉(zhuǎn)換。設(shè)計小組的目標(biāo)是在每個時鐘周期內(nèi)完成一條指令,從而每分鐘可以處理 300 個電話。

當(dāng)時的大部分計算機,例如 IBM S/360 大型機,都有復(fù)雜的冗余指令集,我們今天稱之為 CISC(復(fù)雜指令集計算機)。計算機的趨勢是日益小型化,而 1947 年開始的晶體管的變革更加加劇了這一趨勢的變化。隨著集成電路越來越小,設(shè)計人員可以利用更多的空間在芯片中實現(xiàn)更多指令。到 20 世紀(jì) 70 年代,芯片的復(fù)雜度已經(jīng)發(fā)展到芯片可以實現(xiàn)非常不可思議的事情(例如日益復(fù)雜的數(shù)字鐘表)。但是另外一個事實是芯片執(zhí)行指令時需要更多的機器時間,這使得 801 項目組無法實現(xiàn)自己的性能指標(biāo)。

IBM 的 John Cocke 在實現(xiàn)復(fù)雜性領(lǐng)域并不是生手,他早就從事于 IBM Stretch 計算機的研究,IBM Stretch 計算機是 IBM 704大型機的一個競爭對手,它的繼承者是 ACS (高級計算機系統(tǒng));而 704 的繼承者是 S/360,二者也是競爭對手。

兼容性設(shè)計

PowerPC 體系結(jié)構(gòu)的指令集分為三級,稱為“books”。Book I 是基本的寄存器和指令集,所有的 PowerPC 實現(xiàn)都通用。Book II 定義了其他一些用戶級的功能,這些功能超出了應(yīng)用軟件通常的一些要求。Book III 定義了一些特權(quán)操作,特別是操作系統(tǒng)需要的一些特權(quán)指令。要了解 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)的更詳細(xì)介紹以及程序員參考手冊,請參閱“ PowerPC 體系結(jié)構(gòu)開發(fā)者指南”。

他對指令集進行了拆分,并設(shè)計了一臺只有當(dāng)時同類計算機一半電路的機器,但是其運行速度卻是同類計算機的兩倍。快速的核心和更少的電路帶來的不僅僅是性能的提升,而且功耗也更少(這對于現(xiàn)在的很多用戶來說都是最重要的一個問題),成本也更低。這種體系結(jié)構(gòu)稱為 RISC(精簡指令集計算機)。有些人喜歡稱 RISC 為“l(fā)oad-store”,意思是想強調(diào) RISC 計算機只有 100 多條指令(POWER 體系結(jié)構(gòu)也是如此)。其他的 RISC 計算機并沒有采用一套精簡指令集,而是采用一組精簡過的指令:CISC 的每條復(fù)雜指令都被拆分成更小的基本單元,然后再組合起來實現(xiàn)復(fù)雜指令的功能。

無論如何,CPU 中的復(fù)雜性并沒有簡單地消失,而是轉(zhuǎn)嫁到編譯器中了。為了更好地實現(xiàn)這種功能,John Cocke 不僅成為編譯器領(lǐng)域的專家,而且在編譯器的優(yōu)化方面特有專長。他在 RISC 和編譯器優(yōu)化方面的工作為他贏得了很多榮譽,其中包括 1987 年的圖靈獎。

就 IBM 801 而言,它從來都沒有成為一個電話轉(zhuǎn)換器。相反,IBM 801 后來成為第一個 RISC 芯片,在很多 IBM 的硬件產(chǎn)品中廣泛采用 -- 曾經(jīng)有一段時間,它作為一個微控制器和處理器甚至限制了其競爭對手 IBM 大型機的發(fā)展。

RISC 體系結(jié)構(gòu)在工作站和嵌入式市場中很快占據(jù)了主導(dǎo)地位,John Cocke 之后又轉(zhuǎn)入其他項目的研究之中。在 20 世紀(jì) 80 年代,他有機會在一個后來被命名為“America”的項目中重新提煉 801 的設(shè)計,這個項目后來就成為 POWER 系列的芯片。之后的幾年中,他甚至在 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)中貢獻(xiàn)了很大的力量。與 801 類似,PowerPC 也被設(shè)計成為可以在任何機器上運行的一個通用微處理器,它在從最高端到最低端的機器上都可以運行。

現(xiàn)在,RISC 體系結(jié)構(gòu)是惟一一種最通用的 CPU,它是很多平臺的基礎(chǔ):從工作站到蜂窩電話,從視頻游戲終端到超級計算機,從交通指示燈到桌面系統(tǒng),從寬帶調(diào)制解調(diào)器到自動加油站和防撞系統(tǒng)。甚至 x86 的制造商(他們在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)都生產(chǎn) CISC 芯片)也基于 RISC 體系結(jié)構(gòu)研制了他們的第五代和第六代芯片,并將 x86 的操作碼轉(zhuǎn)換成 RISC 操作,以保持向后兼容。

 

POWER


POWER 是 Power Optimization With Enhanced RISC 的縮寫,是 IBM 的很多服務(wù)器、工作站和超級計算機的主要處理器。POWER 芯片起源于 801 CPU,是第二代 RISC 處理器。POWER 芯片在 1990 年被 RS 或 RISC System/6000 UNIX 工作站(現(xiàn)在稱為 eServer 和 pSeries)采用,POWER 的產(chǎn)品有 POWER1、POWER2、POWER3,現(xiàn)在最高端的是 POWER4。POWER4 處理器是目前單個芯片中性能最好的芯片。

801 的設(shè)計非常簡單。但是由于所有的指令都必須在一個時鐘周期內(nèi)完成,因此其浮點運算和超量計算(并行處理)能力很差。POWER 體系結(jié)構(gòu)就著重于解決這個問題。POWER 芯片采用了 100 多條指令,是非常優(yōu)秀的一個 RISC 體系結(jié)構(gòu)。

以下對每種 POWER 芯片簡單進行一下介紹;更詳細(xì)的內(nèi)容請參考 參考資料中的鏈接。

  • POWER1
    發(fā)布于 1990 年:每個芯片中集成了 800,000 個晶體管。
    與當(dāng)時其他的 RISC 處理器不同,POWER1 進行了功能劃分,這為這種功能強大的芯片賦予了超量計算的能力。它還有單獨的浮點寄存器,可以適應(yīng)從低端到高端的 UNIX 工作站。最初的 POWER1 芯片實際上是在一個主板上的幾個芯片;后來很快就變成一個 RSC(RISC 單一芯片),其中集成了 100 多萬個晶體管。POWER1 微處理器的 RSC 實現(xiàn)被火星探險任務(wù)用作中央處理器,它也是后來 PowerPC 產(chǎn)品線的先驅(qū)。
  • POWER2
    發(fā)布于 1993 年,一直使用到 1998 年:每個芯片中集成了 1500 萬個晶體管。
    POWER2 芯片中新加了第二個浮點處理單元(FPU)和更多緩存。PSSC 超級芯片是 POWER2 這種 8 芯片體系結(jié)構(gòu)的一種單片實現(xiàn),使用這種芯片配置的一個 32 節(jié)點的 IBM 深藍(lán)超級計算機在 1997 年擊敗了國際象棋冠軍 Garry Kasparov。
  • POWER3
    發(fā)布于 1998 年:每個芯片中集成了 1500 萬個晶體管。
    第一個 64 位對稱多處理器(SMP),POWER3 完全兼容原來的 POWER 指令集,也可以與 PowerPC 指令集很好地兼容。POWER3 設(shè)計用來從事從太空探測到天氣預(yù)報方面的科技計算應(yīng)用。它特有一個數(shù)據(jù)預(yù)取引擎,無阻塞的交叉數(shù)據(jù)緩存,雙浮點執(zhí)行單元,以及其他一些很好的設(shè)計。POWER3-II 使用銅作為連接介質(zhì)重新實現(xiàn)了 POWER3,這樣以相同的價格可以獲得兩倍的性能。
  • POWER4
    發(fā)布于 2001 年:每個芯片中集成了 1 億 7400 萬個晶體管。
    采用 0.18 微米的銅和 SoI(絕緣硅)技術(shù),POWER4 是目前市場上單個芯片功能最強大的芯片。POWER4 繼承了 POWER3 芯片的所有優(yōu)點(包括與 PowerPC 指令集的兼容性),但是采用的卻是全新的設(shè)計。每個處理器都有 2 個 64 位的 1GHz+ 的PowerPC 核心,這是第一個單板上具有多核心設(shè)計的服務(wù)器處理器(也稱為“片上 CMP”或“片上服務(wù)器”)。每個處理器都可以并行執(zhí)行 200 條指令。POWER4 芯片取代了 Star 系列的處理器,是 IBM Regatta 服務(wù)器強大的動力之源,也是 PowerPC 970 處理器(也稱為 Apple G5)的祖先。POWER4+?(也稱為 POWER4-II)功能與之類似,但是主頻更高,功耗更低。
  • POWER5?
    計劃 2004 年發(fā)布。
    與 POWER3 和 POWER4 芯片類似,POWER5 是 POWER 和 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)的一種綜合體。這種芯片具有很多特性,例如通信加速、芯片多處理器、同步多線程,等等,據(jù)報告聲稱其性能超過 POWER4 芯片 50% 到 100%。POWER5 芯片將裝備一條新的服務(wù)器產(chǎn)品線,這些服務(wù)器代號為“Squadron”,將于 2004 年下半年在勞倫斯利物浦發(fā)布。
  • POWER6?
    計劃 2006 年發(fā)布。
    資料保密中。

 


 
RS64 芯片首次于 1998 年面世,在 IBM 內(nèi)部稱之為 Star 系列,這是因為大部分代碼字節(jié)中都包含了單詞“star”或類似的單詞(其中一個比較出名的例外是最初的 RS64,其代號是“Apache”)。

Star 系列芯片源自于對 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)的修改,同時還從 POWER 產(chǎn)品線中繼承了很多特點。從一開始起,這些芯片就只針對于一種應(yīng)用進行優(yōu)化:商業(yè)應(yīng)用。這種專用化使其在 UNIX 服務(wù)器領(lǐng)域幾乎在 10 年的時間中都牢居霸主地位。

RS64 系列將諸如分支預(yù)測、浮點處理以及硬件預(yù)取之類的問題留給其兄弟 POWER3 芯片來解決,自己則專注于整數(shù)運算性能和大型復(fù)雜的片上、片外緩存的處理。RS64 系列從面世以來就一直是 64 位的,2000 年在 RS64 IV 中引入了多線程的設(shè)計。RS64 可以在一臺機器內(nèi)擴展到多達(dá) 24 個處理器,功耗則只需要每個處理器 15 瓦即可,這一點與其兄弟 POWER 芯片有很大的區(qū)別。

這些特性使 RS64 芯片非常適合一些系統(tǒng),例如聯(lián)機事務(wù)處理(OLTP)、商業(yè)智能、企業(yè)資源計劃(ERP)以及其他一些大型的、功能強大的、具有多用戶和多任務(wù)而緩存命中率很低的系統(tǒng),其中包括 Web 服務(wù)。RS64 芯片只裝備在 IBM 的 eServer iSeries(RS 系列)和 pSeries(AS 系列)服務(wù)器中。

  • RS64
    發(fā)布于 1997 年,代號名:Apache。
    第一個 RS64 芯片,也是世界上第一個 64 位的 PowerPC RISC 芯片。其超量運算能力和可擴展性都很好,與 POWER1 芯片的兼容性比后來的 RS64 芯片都要好。由于對商業(yè)應(yīng)用的專著,原來需要使用 7 個芯片的功能現(xiàn)在只需要一個芯片就可以實現(xiàn)。RS64 裝備在 AS/400(后來稱為 A35)和 RS/6000 中。
  • RS64 II
    發(fā)布于 1998 年,代號名:Northstar。
    第二代 RS64 芯片,其特點是每個卡上有 4 個處理器,每個 RS/6000 可以支持多達(dá) 3 個卡,從而可以裝備 4 路、8 路或 12 路的 SMP 系統(tǒng)。
  • RS64 III
    發(fā)布于 1999 年,代號名:Pulsar。
    第一個使用 IBM 的銅和絕緣硅技術(shù)的 RS64 芯片,現(xiàn)在可以支持 6 個處理器卡,可以擴展為 24 路的 SMP 機器。
  • RS64 IV
    發(fā)布于 2001 年,代號名:IStar, SStar。
    第一個市場份額很大的實現(xiàn)多線程的處理器,RS64 IV 比之前的處理器的速度更快,體積也更小。

 

現(xiàn)在,商業(yè)計算和科學(xué)計算的聚合對處理器的設(shè)計提出了一個要求:在一個處理器上解決兩方面的市場需求。因此 Star 系列正被全新設(shè)計的 POWER4 芯片所取代。



 

PowerPC


PowerPC 中的 PC 代表 performance computing。PowerPC 源自于 POWER 體系結(jié)構(gòu),在 1993 年首次引入。與 IBM 801 類似,PowerPC 從一開始設(shè)計就是要在各種計算機上運行:從靠電池驅(qū)動的手持設(shè)備到超級計算機和大型機。但是其第一個商業(yè)應(yīng)用卻是在桌面系統(tǒng)中,即 Power Macintosh 6100。

PowerPC 是 Apple、IBM 和摩托羅拉(Motorola)聯(lián)盟(也稱為 AIM 聯(lián)盟)的產(chǎn)物,它基于 POWER 體系結(jié)構(gòu),但是與 POWER 又有很多的不同。例如,PowerPC 是開放的,它既支持高端的內(nèi)存模型,也支持低端的內(nèi)存模型,而 POWER 芯片是高端的。最初的 PowerPC 設(shè)計也著重于浮點性能和多處理能力的研究。當(dāng)然,它也包含了大部分 POWER 指令。很多應(yīng)用程序都能在 PowerPC 上正常工作,這可能需要重新編譯以進行一些轉(zhuǎn)換。

盡管 IBM 和摩托羅拉分別獨自開發(fā)了自己的芯片,但是從用戶層來講,所有的 PowerPC 處理器都運行相同的關(guān)鍵 PowerPC 指令集,這樣可以確保在之上運行的所有軟件產(chǎn)品都保持 ABI 兼容性。從 2000 年開始,摩托羅拉和 IBM 的 PowerPC 芯片都開始遵循 Book E 規(guī)范,這樣可以提供一些增強特性,從而使得 PowerPC 對嵌入式處理器應(yīng)用(例如網(wǎng)絡(luò)和存儲設(shè)備,以及消費者設(shè)備)更具有吸引力。

除了兼容性之外,關(guān)于 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)的最大一個優(yōu)點是它是開放的:它定義了一個指令集(ISA),并且允許任何人來設(shè)計和制造與 PowerPC 兼容的處理器;為了支持 PowerPC 而開發(fā)的軟件模塊的源代碼都可以自由使用。最后,PowerPC 核心的精簡為其他部件預(yù)留了很大的空間,從新添加緩存到協(xié)處理都是如此,這樣可以實現(xiàn)任意的設(shè)計復(fù)雜度。

IBM 的 4 條服務(wù)器產(chǎn)品線中有兩條與 Apple 計算機的桌面和服務(wù)器產(chǎn)品線同樣基于 PowerPC 體系結(jié)構(gòu),分別是 Nintendo GameCube 和 IBM 的“藍(lán)色基因(Blue Gene)”超級計算機。

現(xiàn)在,三種主要的 PowerPC 系列是嵌入式 PowerPC 400 系列以及獨立的 PowerPC 700 和 PowerPC 900 系列。由于歷史的原因,我們介紹獨立的 PowerPC 600 系列,因為它是第一個 PowerPC 芯片。

  • PowerPC 600 系列
    PowerPC 601 是第一代 PowerPC 系列中的第一個芯片。它是 POWER 和 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)之間的橋梁,其與 POWER1 的兼容性比以后的 PowerPC 都要好(甚至比 POWER 同一系列的芯片還要好),同時它還兼容 Motorola 88110 總線。PowerPC 601 的首次面世是在 1994 年最早的 PowerMac 6100 中,其主頻為 66 Mhz。這條產(chǎn)品線中的下一個芯片是 603,它是一個低端的核心,通常在汽車中可以找到。它與 PowerPC 603 同時發(fā)布,當(dāng)時 PowerPC 604 是業(yè)界最高端的芯片。603 和 604 都有一個“e”版本(603e 和 604e),該版本中對性能進行了改善。最后,第一個 64 位的 PowerPC 芯片,也是很高端的 PowerPC 620 于 1995 年發(fā)布。
  • PowerPC 700 系列
    首次面世是在 1998 年,PowerPC 740 和 PowerPC 750 與 604e 非常類似 -- 有些人會說他們是同一個 600/700 系列的成員。PowerPC 750 是世界上第一個基于銅的微處理器,當(dāng)它用于 Apple 計算機時,通常稱為 G3。它很快就被 G4(或稱為 Motorola 7400)所取代了。32 位的 PowerPC 750FX 在 2002 年發(fā)布時其速度就達(dá)到了 1GHz,這在業(yè)界引起一片嘩然。IBM 隨之在 2003 年又發(fā)布了 750GX,它帶有 1MB 的 L2 緩存,速度是 1GHz,功耗大約是 7 瓦。
  • PowerPC 900 系列
    64 位的 PowerPC 970,這是 POWER4 的一個單核心版本,可以同時處理 200 條指令,其速度可以超過 2GHz,而功耗不過幾十瓦。低功耗的優(yōu)勢使其一方面成為筆記本和其他便攜式系統(tǒng)的寵兒,另一方面又成為大型服務(wù)器和存儲設(shè)備的首選品。它 64 位的處理能力和單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)單元可以加速計算密集型的應(yīng)用,例如多媒體和圖形。這種芯片用于 Apple 的桌面系統(tǒng)、Xserve 服務(wù)器、圖像系統(tǒng)以及日益增長的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。Apple Xerve G5 是第一個裝備 PowerPC 970FX 的機器,這是第一個采用應(yīng)變硅和絕緣硅技術(shù)制造的芯片,可以只需更低的功耗就實現(xiàn)更高的速度。
  • PowerPC 400
    這是 PowerPC 處理器中的嵌入式系列產(chǎn)品。PowerPC 的靈活性體系結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)很多的專用系統(tǒng),但是從來沒有其他地方會像 400 系列一樣靈活。從機頂盒到 IBM 的“藍(lán)色基因”超級計算機,到處都可以看到它的身影。在這個系列的一端是 PowerPC 405EP,每個嵌入式處理器只需要 1 瓦的功耗就可以實現(xiàn) 200 MHz 的主頻;而另一端是基于銅技術(shù)的 800 MHz 的 PowerPC 440 系列,它可以提供業(yè)界最高端的嵌入式處理器。每個子系列都可以專用,例如,PowerPC 440GX 的雙千兆以太網(wǎng)和 TCP/IP 負(fù)載加速可以減少報文密集型應(yīng)用對 CPU 的占用率 50% 以上。大量的產(chǎn)品都是在對 PowerPC 400 系列的核心進行高度修改而構(gòu)建的,其中“藍(lán)色基因”超級計算機就在每個芯片中采用了兩個 PowerPC 440 處理器和兩個 FP(浮點)核心。

 

雖然最初考慮用作一個桌面系統(tǒng)的芯片,但是 PowerPC 的低功耗使其成為嵌入式領(lǐng)域中很好的一個替代品,其高性能又對高級應(yīng)用很有吸引力。現(xiàn)在,PowerPC 已經(jīng)是很多東西的大腦:從視頻游戲終端、多媒體娛樂系統(tǒng),到數(shù)字助手和蜂窩電話,再到基站和 PBX 開關(guān)。我們家中的寬帶的調(diào)制解調(diào)器、hub 和路由器、自動化子系統(tǒng)、打印機、復(fù)印機以及傳真中也都可以找到 PowerPC。當(dāng)然,桌面系統(tǒng)中也會有 PowerPC。


 

CMOS


您或許還記得 801 項目是為了解決 CISC 系統(tǒng)的復(fù)雜性和專用性的問題而進行的,它是 IBM 大型機中頂端的 CISC 系統(tǒng)。然而,IBM 大型機也從 801 項目中獲益頗豐,它與 IBM 的三條 RISC 處理器的產(chǎn)品線都有關(guān)系。大型機芯片是 IBM 的第四個系列的處理器,它有一個非常復(fù)雜的歷史。

打破摩爾定律的速度限制

每個人都知道 IBM 發(fā)明了 FORTRAN 和磁盤驅(qū)動器;但是您知道 IBM 還生產(chǎn)硅晶片和單顆粒內(nèi)存單元(DRAM)嗎?下面是 IBM 在半導(dǎo)體領(lǐng)域所取得的最新突破:

  • 銅介質(zhì)
    半導(dǎo)體業(yè)界一直有夢想能使用銅作為介質(zhì),這樣可以獲得比鋁好 40% 以上的電流傳輸效率。但是直到最近制造流程才實現(xiàn)了這個目標(biāo)。讓我們從 Edison 的筆記本中翻出一頁:IBM 的研究人員使用鎢來生產(chǎn)基于銅的芯片,其速度比鋁快 25 倍到 30 倍。科技界采用了這種技術(shù),通常稱之為 CMOS XS (其中 X 是一個數(shù)字)。
  • low-k 絕緣體
    這種技術(shù)使用 SiLK 來防止銅線“串?dāng)_”,SiLK 是來自 Dow Chemical 的一種商業(yè)材料。
  • 硅鍺合金(SiGe)
    在二極管芯片制造中用來代替功耗更高的砷化鎵,SiGe 可以顯著地改善操作頻率、電流、噪音和電源容量。
  • 絕緣硅(SoI)
    在硅表面之間放上很薄的一層絕緣體,可以防止晶體管的“電子效應(yīng)”,這樣可以實現(xiàn)更高的性能和更低的功耗。
  • 應(yīng)變硅
    這種技術(shù)對硅進行拉伸,從而加速電子在芯片內(nèi)的流動,不用進行小型化就可以提高性能和降低功耗。如果與絕緣硅技術(shù)一起使用,應(yīng)變硅技術(shù)可以更大程度地提高性能并降低功耗。

 

原因之一是與其他類型的機器相比,大型機對于 CPU 的依賴程度更少,而對于系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和 I/O 通道的依賴程度則更多。S/360 系列大型機是一個創(chuàng)新,它引入了對業(yè)界機器的兼容性的概念,現(xiàn)在有些磁心仍然支持當(dāng)時的功能。當(dāng)它在 1971 年名字換成 S/370 時,就成為業(yè)界第一個切換為芯片的大型機。當(dāng)然,它們使用的是 CISC 芯片:具體地講,是具有 CISC 體系結(jié)構(gòu)的二極管。大約 10 年之后,當(dāng) RISC 體系結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時,它又切換為 RISC 芯片,令人驚奇的是,其性能獲得了顯著的提升。然而更重要的一次變化是采用 CMOS 來替代二極管;第一代(G1)CMOS 大型機芯片于 1985 年面世,直到 1997 年 IBM 宣布此后所有的大型機都將只配備 CMOS 而不再采用二極管。實際上不只大型機切換到了 CMOS:盡管二極管統(tǒng)治了早期的芯片制造世界,但是現(xiàn)在大部分處理器都是使用 CMOS。

那么這些 CMOS 芯片究竟是什么呢?哦,CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)芯片使用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET),顯然它是一種 FEI(場效應(yīng)晶體管)。這是與二極管的根本區(qū)別,有關(guān)這些區(qū)別的影響的詳細(xì)信息請參閱 參考資料。

雖然二極管的速度很快,但是功耗也高,即使處于備用狀態(tài)或恒態(tài)時也是如此。相反,F(xiàn)ET 的速度較慢,但是在恒態(tài)下根本不消耗能源。因此,對于那些需要長期供電(而系統(tǒng)性能并不重要)的系統(tǒng)來說,F(xiàn)ET 才是正確的選擇。因此,當(dāng)計算還很原始時,人們想出數(shù)字鐘表來就是很好的一種思路,現(xiàn)在是 CMOS 芯片來驅(qū)動。它們還需要滿足其他需要更少功耗和并不要求太高性能的系統(tǒng)(例如存放個人計算機的 BIOS 信息)的要求。 這就是為什么它這么慢!

現(xiàn)在,二極管和 FET 之間另外一個重要的區(qū)別是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):二極管采用的是縱向布線,而基于 FET 的芯片則采用橫向布線。因此,在基于 FET 的芯片上空間就更大。在 20 世紀(jì) 80 年代和 90 年代的早期,芯片的小型化已經(jīng)使得芯片的尺寸非常之小,以至于更小的基于 FET 的芯片上可以留出更多的空間,可以放置更多的晶體管,從而實現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出二極管模型的性能。基于 FET 的芯片還有最后一個優(yōu)點:與臨近晶體管之間的電子干擾遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于二極管。因此,盡管二極管也在進行一場日益小型化的戰(zhàn)爭,但是每次更小一點時,就會加劇了電子干擾的程度,甚至到不可接受的程度;而基于 FET 的芯片則可以變得更小,甚至可以在更大的表面區(qū)域中實現(xiàn)更高的布線密度。因此,大部分最新的高級納米級的芯片都是 CMOS 芯片。

關(guān)于大型機芯片另外一個真正有意義的指標(biāo)是芯片的冗余度。大型機芯片通常會將 20 或 30 甚至更多個芯片封裝在一個多芯片模型(MCM)中:其中一半用作備用芯片,以便在活動芯片失效時立即接管這些芯片的工作。更詳細(xì)地說,大型機會將自己接收到的每條指令都在獨立的芯片上執(zhí)行兩次,并在返回結(jié)果之前對其進行校驗。每個芯片集成 10 億個晶體管是芯片制造業(yè)中的一個里程碑,當(dāng)我們達(dá)到這個水平時,可以發(fā)現(xiàn)這種穩(wěn)定性對于消費用的處理器也同樣適用。

 

定制芯片


任天堂游戲機的 Gekko、Transmeta 的第一個 Crusoe 芯片、Cray 的 X1 超級計算機芯片、Xilinx Virtex-II Pro 處理器、Agilent Tachyon 芯片以及下一代的微軟 XBox 處理器等有什么共性嗎?這些芯片要么是由 IBM 制造的,要么也將由 IBM 制造。

在最近幾年中,IBM 逐漸向外界開始開放自己的制造工廠和研發(fā)中心,這在以前是從未有過的事情。芯片用戶包括 Sony、Qualcomm 甚至 AMD。


圖 1. 薄晶片:300mm 的晶片生產(chǎn)出了更多芯片

原因之一是 IBM 在紐約的頂級 Fishkill 工廠。Fishkill 工廠如此先進,可以生產(chǎn)幾乎所有最新的芯片:從銅 CMOS XS 到絕緣硅、硅鍺合金以及l(fā)ow-k 絕緣體,所有這些都可以在 300mm 的晶片上生產(chǎn)。Fishkill 工藝是如此先進,以至于工人甚至無需穿“兔形套裝”,因為晶片從頭到尾都是在封閉的 FOUP 中生產(chǎn)的。最后,F(xiàn)ishkill 操作非常優(yōu)秀,服務(wù)器中只運行 Linux。

Fishkill 以及 IBM 的大部分其他工藝都花費了大量的時間來使用 PowerPC 核心生產(chǎn)芯片。這是因為 PowerPC 核心速度非???,而且非常?。ㄟ@樣可以在芯片上為定制留出更多空間);另外一個原因是由于 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)可以與多個協(xié)處理器組合使用。這也是為什么 PowerPC 會在諸如機頂盒、游戲機和 Playstation2 視頻游戲控制臺等高度專用化的環(huán)境中如此成功的原因。

IBM 工廠也是世界上領(lǐng)先的 ASIC(專用集成電路)的供應(yīng)商,業(yè)務(wù)范圍從可定制控制處理器(CCP,這種芯片中很大一部分設(shè)計是固定的,但是要留下足夠的空間進行定制)到 IBM 專家對現(xiàn)有產(chǎn)品進行裁減從而為新應(yīng)用制造芯片,到對其他供應(yīng)商的處理器和協(xié)處理器提供技術(shù)支持。簡而言之,他們?nèi)魏问露伎梢宰觥?/p>




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Fab 的前景


就在 20 年前,芯片組件還是微米或幾千納米級的?,F(xiàn)在,使用 300mm 晶片生產(chǎn)的芯片中包含的組件的平均尺寸也不過幾十納米。您要知道納米是百萬分之一毫米,人的一根頭發(fā)的直徑大約是 100,000 納米。按照這種發(fā)展速度,我們很快就要用埃(Angstrom)作為單位來度量組件的尺寸了。

每個芯片集成了 10 億個晶體管的芯片現(xiàn)在已經(jīng)不入主流,業(yè)界觀察家認(rèn)為到 2010 年,芯片主頻將達(dá)到 100 GHz。

同時,我們期望看到 POWER5 和細(xì)胞超級芯片的發(fā)布,后者是由 Sony、Toshiba 和 IBM 共同開發(fā)的。



參考資料

  • John Cocke 在 1950 年加入 IBM 時的第一個任務(wù)是從事 Stretch 計算機 的研制。雖然這個系統(tǒng)的性能沒有達(dá)到他當(dāng)時所承諾的超過 IBM 704 大型機的 100 倍以上,但是其性能的確超過它 30 倍以上。這個系統(tǒng)倡導(dǎo)了很多方面的技術(shù),例如:流水線,程序分支預(yù)測,多線程編程,內(nèi)存保護,通用中斷,8 位字節(jié),等等。這些技術(shù)后來都在 IBM 的 System/360 產(chǎn)品線中采用,而且一直影響了目前市場上大部分芯片的發(fā)展。



  • 704 的后繼者稱為 Project X,它是 Stretch 的后繼者 Project Y 的競爭對手。盡管 Project X 后來成為 IBM S/360 系列的大型機,而 Project Y 后來成為 ACS (高級計算系統(tǒng)),但是 IBM 的最初目的是要制造一臺超級計算機。ACS 是 John 在 Stretch 之后又從事的項目,它也是 John 的下一個項目 801 的祖先。



  • John Cocke是世界上一個真正的 黑客,他永遠(yuǎn)改變了芯片設(shè)計和計算機世界。由于這一點,他獲得了很多業(yè)界和國家的獎項,其中包括 Franklin 學(xué)院獎1987 年的圖靈獎。



  • S/360 大型機差不多是剛好 40 年前發(fā)布的,其基本配置的價格現(xiàn)在已經(jīng)降低到 $133,000 左右。這里有一份 1964 年 4 月 7 日的 新聞稿 的拷貝。



  • 在 20 世紀(jì) 80 年代中期,IBM 發(fā)布了第一個使用 RISC 芯片的工作站。這款工作站被命名為 RT(這是為了與當(dāng)時 IBM AT 和 XT 系列的機器一致),但是并沒有取得很大的成功。如果您對 ROMP 處理器的技術(shù)背景感興趣,請閱讀“ The IBM RT PC ROMP processor and memory management unit architecture”。在 Wikipedia 中的 RISC 中您還可以找到更多有關(guān) RT 和 ROMP 的資料。



  • IBM Microelectronics上有很多 照片分類,在 科技與創(chuàng)新 頁面上有很多很好的資源。特別是您應(yīng)當(dāng)瀏覽一下 PowerPC 頁面。



  • 除了身著兔形套裝的工作人員的照片之外,IBM Microelectronics 還提供了對商業(yè)提供最廣泛支持的 定制芯片解決方案 的照片;內(nèi)容從 PowerPC 核心Blue Logic 核心以及其他供應(yīng)商的核心都有。



  • IBM Microelectronics 還提供了針對 PowerPC 核心的 評測工具,這些工具包括一些圖表、源代碼、設(shè)計細(xì)節(jié)以及一組復(fù)雜的工具,使用這些工具可以開發(fā)基于 PowerPC 的應(yīng)用程序。這個頁面介紹了 您可以從 PowerPC 處理器評測工具中期望獲得什么。



  • IBM Journal of Research and Development Volume 34, Issue 1 中的大部分都是專門介紹最早的 POWER 體系結(jié)構(gòu)的,很多文章在當(dāng)時都會經(jīng)常稱 POWER 芯片為“RS/6000 處理器”,這是因為 POWER 就是用來裝備 RS/6000 機器的芯片。這一期雜志中刊登了 John Cocke 自己(與 Victoria Markstein 一起撰寫的)有關(guān)“ IBM RISC 技術(shù)創(chuàng)新”的文章。( IBM Journal of Research and Development,1990)。



  • 在 IBM Web 站點中的 IBM POWER2 體系結(jié)構(gòu)POWER3POWER4 系統(tǒng)欄目中,您可以找到很多有用的參考資料。



  • 關(guān)于革命性的 POWER4 系統(tǒng)有很多話題可以探討。您可以參閱 What Extreme Tech thinks of the POWER4 processor。



  • POWER5 將出現(xiàn)在代號為 Squadron 的新服務(wù)器和 ASCI Purple 超級計算機中 —— 后者將在 197 個電冰箱大小的節(jié)點中裝備 12,000 個 POWER5 處理器,其占地面積將達(dá)到兩個籃球場大小,這比 ENIAC 要高出幾個數(shù)量級,ENIAC 的體積一直是某些人的笑柄。ASCI Purple 有望在 2004 年下半年運送到勞倫斯利物浦。 基于 POWER5 的服務(wù)器早就已經(jīng)生產(chǎn)出來了,并且從 2003 年 6 月至今一直在 IBM 的 Poughkeepsie 實驗室運行。



  • 最初的 Star 或 RS64 IV 體系結(jié)構(gòu)在“ A multithreaded PowerPC processor for commercial servers”一文中有介紹( IBM Journal of Research and Development, 2000 年)。



  • 正如免費的百科全書 Wikipedia 中解釋的一樣, 二極管(BJT)CMOS 有很多本質(zhì)的不同。只要我們能成功將現(xiàn)在 CMOS 制造中使用的相同高級處理器應(yīng)用到二極管制造中,那就可以實現(xiàn)芯片制造的躍變,實現(xiàn)絕對夢想不到的性能。這個 CMOS 門的演示可以讓您理解下一代 CMOS 技術(shù)。



  • E. J. Nowak 的“ Maintaining the benefits of CMOS scaling when scaling bogs down”文章( IBM Journal of Research and Development, 2002 年)試圖回答“當(dāng)我們可以實現(xiàn) 5 納米工藝時將會發(fā)生什么情況”的問題,而 R.D. Isaac 的“ The future of CMOS technology”文章( IBM Journal of Research and Development, 2000 年)則對芯片設(shè)計以及 CMOS 如何取代和為什么要取代二極管的問題給出了大量的背景知識(特別要注意其中的表 1)。



  • 由 Sony、Toshiba 和 IBM 合作開發(fā)的“一個芯片上的超級計算機”的 細(xì)胞 芯片將在明年發(fā)布;由 IBM 和 微軟合作開發(fā)的 下一代 XBox 芯片也將于明年發(fā)布。



  • IBM developerWorks 站點上的
    POWER 芯片上的 Linux 的開發(fā)資源和下載工具頁面是有關(guān) iSeries、pSeries 以及其他基于 POWER 的芯片的軟件和文檔的一個很好的入門點。



  • developerWorks 的 Linux 專區(qū)可以找到很多有關(guān) Linux 的開發(fā)者資源。



  • 在 Developer Bookstore 的 Linux 區(qū),可以找到很多 Linux 方面的書籍。


 
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