IBM Power mikroprocesszorok

Az IBM Power mikroprocesszorok (a sorozatot indulásától a POWER névvel jelölték, a Power10 előtt) az IBM tervezte és értékesítette szerverekhez és szuperszámítógépekhez. A "POWER" név eredetileg a „Performance Optimization With Enhanced RISC” (teljesítményoptimalizálás fejlett RISC-kel) kifejezés rövidítése volt. A Power vonalba tartozó mikroprocesszorokat az IBM RS/6000, AS/400, pSeries, iSeries, System p, System i termékvonalakba és a Power Systems szerversorozatba tartozó szerverekben és szuperszámítógépekben használják. Az IBM és más szervergyártók, például a Groupe Bull és a Hitachi, használják még ezeket háttértárakban és munkaállomásokban is.

A Power családot eredetileg az 1980-as évek végén fejlesztették ki, és továbbra is aktív fejlesztés alatt áll. Kezdetben a processzorok a POWER utasításkészlet-architektúrát (ISA) valósították meg, ami a PowerPC-vé, és később a Power utasításkészlet-architektúrává fejlődött. 2019 augusztusában az IBM bejelentette, hogy nyílt forráskódúvá teszi a Power ISA-t. A változás részeként azt is bejelentették, hogy az OpenPOWER Alapítvány adminisztrációját ettől kezdve a Linux Alapítvány látja el.

Történet

Korai fejlesztések

A 801-es kutatási projekt

1974-ben az IBM egy kutatási projektet indított egy nagy teljesítményű telefonközpont-vezérlő számítógép kifejlesztésére, amelynek a tervek szerint legalább 10-szeres teljesítményt kellett volna nyújtania a korabeli hasonló rendszerekhez képest. Mivel az alkalmazás viszonylag egyszerű volt, a gépnek csak egyszerű műveleteket kellett volna végeznie, mint a be- és kimenetek, elágazások kezelése, regiszterek közötti összeadások, regiszterek és memória közötti adatmozgatás, és nem lett volna szüksége speciális utasításokra nehéz aritmetikai számítások végzéséhez.

Ez az egyszerű tervezési filozófia, amelyben egy összetett művelet minden lépését explicit módon egy gépi utasítás végzi és az összes utasítás végrehajtása azonos konstans idő alatt történik, később RISC néven vált ismertté. Mikor a telefonközpont-projektet törölték, az IBM megtartotta az általános célú processzor tervét és intuitív módon 801-esnek nevezte el, a Thomas J. Watson kutatóközpont 801-es számú épülete után, ahol a kutatás folyt.

A Cheetah projekt 1982-ben az IBM tovább folytatta a 801-es konstrukció szuperskalár határainak felfedezését annak megállapítására, hogy egy RISC gép több végrehajtó egység használatával képes-e ciklusonként több utasítás végrehajtását fenntartani, és az milyen mértékben növeli a teljesítményt. Sok változtatást hajtottak végre a 801-es tervein több végrehajtó egység lehetővé tétele érdekében, más fejlesztések eredményeit is felhasználva, így jött létre a Cheetah kísérleti processzor. A Cheetah processzor külön egységekkel rendelkezik az elágazásjóslás, valamint a fixpontos és lebegőpontos műveletek végrehajtására. 1984-re a CMOS technológiát kezdték alkalmazni a nagyobb áramköri integráció és logikai teljesítmény miatt.

Az America projekt 1985-ben megkezdődött a második generációs RISC architektúra kutatása az IBM Thomas J. Watson kutatóközpontjában, amely az „AMERICA architektúrát” eredményezte. 1986-ban, az IBM austini egysége kezdte fejleszteni az új architektúrán alapuló RS/6000 sorozatú számítógépeket. Ezek lettek az első POWER processzorok, amelyek az első POWER ISA-t használták.

POWER

Az első IBM számítógépek, amelyek magukban foglalják a POWER ISA-t, a RISC System/6000 vagy RS/6000 sorozat tagjai voltak. Ezek 1990 februárjában jelentek meg. Az RS/6000 számítógépeknek két osztálya volt, a POWERstation munkaállomások és a POWERserver kiszolgálók. Az első RS/6000-es CPU-nak két konfigurációja van, ezek neve "RIOS-1" és "RIOS.9" (ez utóbbi ismertebb nevén a POWER1 CPU). A RIOS-1 konfiguráció összesen 10 különálló csipet tartalmaz, ezek: egy utasítás-gyorsítótár csip, fixpontos csip, lebegőpontos csip, 4 L1 adat-gyorsítótár csip, tárolóvezérlő csip, bemenet-/kimeneti csipek és egy órajelgenerátor csip. Az olcsóbb RIOS.9 konfiguráció 8 külön csipből áll: egy utasítás-gyorsítótár csip, fixpontos csip, lebegőpontos csip, 2 adat-gyorsítótár csip, tárolóvezérlő csip, egy be-/kimeneti csip és egy órajelgenerátor csip.

A POWER1 mikroprocesszorban elsőként alkalmazták a regiszterátnevezés és sorrenden kívüli végrehajtás technikákat. 1992-ben készült el a 10 csipes RIOS egyszerűsített és gyengébb verziója, az alsó kategóriás RS/6000-esek számára. Ez csak egy csipből áll, neve RISC Single Chip vagy RSC.

POWER1 processzorok RIOS-1 – az eredeti 10 csipes verzió RIOS.9 – a RIOS-1 gyengébb változata POWER1+ – a RIOS-1 gyorsabb változata, redukált gyártási eljárással készült POWER1++ – a RIOS-1 még gyorsabb változata RSC – a RIOS-1 egycsipes megvalósítása RAD6000 – az RSC sugárzásvédett változata, világűrbeli használatra készült; nagyon népszerű konstrukció volt és széles körben használták sok kiemelt küldetésen

POWER2

Az IBM a POWER2 processzort a POWER1 utódjaként fejlesztette. Egy hozzáadott második fixpontos egységgel, egy második hatékony lebegőpontos egységgel és egyéb teljesítményjavításokkal és új utasításokkal a kialakításban, a POWER2 ISA vezető teljesítményt nyújtott 1993 novemberi bemutatásakor. A POWER2 alapvetően többcsipes kialakítás, de az IBM készített belőle egy egylapkás változatot is, ez volt a POWER2 Super Chip vagy P2SC, amelyet nagy teljesítményű szerverekbe és szuperszámítógépekbe építettek. Bevezetésekor, 1996-ban a P2SC volt a legnagyobb, legmagasabb tranzisztorszámú processzor az iparágban, és vezető helyen állt a lebegőpontos műveletek terén.

POWER2 processzorok POWER2 – 6–8 csip egy kerámia többcsipes modulban (multi-chip module, MCM) POWER2+ – a POWER2 olcsóbb, 6 csipes változata, külső L2 gyorsítótárakat támogat P2SC – a POWER2 gyorsabb és egycsipes változata P2SC+ – vagy P2SC, egy még gyorsabb verzió, a redukált gyártási folyamat miatt

PowerPC

1991-ben az Apple alternatívát keresett az Apple Macintosh gépekben használt a CISC-alapú Motorola 68000 processzorcsalád felváltására, a Motorola pedig egy saját RISC platformmal, a 88000-assal kísérletezett. Az IBM ekkoriban együttműködést javasolt az Apple-nek, és végül a három cég megalapította az AIM Szövetséget, melynek egyik célja a PowerPC ISA létrehozása volt. Ez nagyrészt a POWER ISA-n alapult, de számos kiegészítéssel az Apple és a Motorola részéről. Ez egy teljes 32/64 bites RISC architektúra, és átfogja a nagyon alacsony szintű beágyazott mikrovezérlőktől a nagyon magas szintű szuperszámítógépekig és szerveralkalmazásokig terjedő területet.

Két évnyi fejlesztés után, 1993-ban forgalomba került a PowerPC ISA. Ez az RSC architektúra módosított változata, egyszeres pontosságú lebegőpontos utasításokkal és általános célú regisztereket használó szorzó és osztó utasításokkal bővítve, emellett néhány POWER tulajdonság kihagyásával. Ehhez tartozik még az ISA 64 bites verziója és a szimmetrikus multiprocesszálás (SMP) támogatása.

Az Amazon projekt

1990-ben az IBM egyesíteni akarta az alsó- és középkategóriás szerverarchitektúráit, az RS/6000 RISC ISA-t és az AS/400 CISC ISA-t egyetlen közös RISC ISA-ba, ami az IBM AIX és OS/400 operációs rendszerét is futtatni képes. A létező POWER és a nem sokkal ezután megjelent PowerPC ISA-kat az AS/400 csapat nem tartotta megfelelőnek, így a 64 bites PowerPC utasításkészlethez egy kiterjesztés került kifejlesztésre, amelyet PowerPC AS-nek neveztek el, ami az Advanced Series vagy Amazon Series kifejezésből ered. Később kibővítették az RS/6000-es csapat kiegészítéseivel és az AIM Szövetség PowerPC készletével, végül a POWER4 2001-es bevezetésével ezek mind egyetlen utasításkészlet-architektúrába lettek egyesítve: a PowerPC v.2.0-ba.

POWER3

A POWER3 PowerPC 630 néven indult 1998-ban, az üzletileg sikertelen PowerPC 620 utódjaként. A POWER2 és a 32/64 bites PowerPC utasításkészletek kombinációját használja, Leginkább az IBM RS/6000-es számítógépeiben használták. Második generációs verziója a POWER3-II, ami az IBM első kereskedelmi forgalomban kapható processzora, amelyben réz fémezést alkalmaztak. A POWER3 az utolsó POWER utasításkészletet használó processzor – minden rákövetkező modell a PowerPC utasításkészletet használja.

POWER3 processzorok POWER3 – 1998-ban mutatták be, kombinálta a POWER és PowerPC utasításkészleteket POWER3-II – egy gyorsabb POWER3 csökkentett méretű, rézalapú eljárással gyártva

POWER4

A POWER4 összevonta a 32/64 bites PowerPC utasításkészletet és az Amazon projekt 64 bites PowerPC AS utasításkészletét az új PowerPC v.2.0 specifikációba, egyesítve ezzel az IBM RS/6000 és AS/400 számítógépcsaládjait. A különböző platformok egységesítése mellett a POWER4-et nagyon magas órajelfrekvenciákra és nagy, lapkára épített L2 gyorsítótárak kezelésére tervezték. Ez az első kereskedelmi forgalomban kapható többmagos processzor, egycsipes változatokban és négy csipet tartalmazó sokcsipes modulokban (MCM) jelent meg. 2002-ben az IBM az Apple kérésére elkészítette a POWER4 költségcsökkentett és kevesebb funkcióval rendelkező változatát, a PowerPC 970-est.

POWER4 processzorok POWER4 – az első kétmagos mikroprocesszor és az első PowerPC processzor, amely túllépte az -et POWER4+ – redukált eljárással gyártott, gyorsabb POWER4

POWER5

A 2004-ben megjelent POWER5 processzorok a népszerű POWER4-re épültek, tervezésében kiegészítve lapkára épített/integrált memóriavezérlőkkel és szimultán többszálas végrehajtással, amely a PowerPC AS alapú, 1999-es RS64-III processzorban alkalmazott úttörő technológia volt. Nagy kapacitású többprocesszoros feldolgozásra tervezték és többchipes modulokban jelent meg, nagy méretű beépített L3 gyorsítótár csipekkel.

POWER5 processzorok POWER5 – jellemző kialakítás, négy POWER5 csippel és négy L3 gyorsítótár csippel egy nagy többcsipes modulban POWER5+ – egy gyorsabb POWER5, redukált eljárással gyártva elsősorban az energiafogyasztás csökkentése érdekében

Power ISA

2004-ben megalakult a Power.org, azzal a céllal, hogy egyesítse és koordinálja a PowerPC specifikációk további fejlesztését. Ekkorra a PowerPC specifikáció már széttöredezett, mivel alapító tagjai különböző utakat követtek: a Motorola a félvezetőgyártó üzletágát az újonnan alapított Freescale Semiconductor cégbe szervezte ki, amely főleg a 32 bites beágyazott alkalmazásokat helyezte előtérbe, míg az IBM továbbra is a csúcskategóriás szerverekre és szuperszámítógépekre összpontosított. Eközben volt a specifikáció licencelőinek egy csoportja, mint az AMCC, Synopsys, Sony Corporation, Microsoft, P.A. Semi, Cray és Xilinx cégek, amely koordinációt igényelt. A közös erőfeszítés nem csak a technológia fejlesztését célozta, hanem a marketing racionalizálását is (így például a piacra kerülési idő csökkentését).

A Power.org új utasításkészlet-architektúrát fejlesztett, ami a Power ISA nevet kapta és egyesítette a POWER5-ből származó PowerPC v.2.02 specifikációt a Freescale PowerPC Book E kiterjesztésével, kiegészítve néhány kapcsolódó technológiával, így az AltiVec márkanéven ismert Vector-Media Extensions (vektoros médiakiterjesztések, az IBM-nél ‘VMX’) kiterjesztéssel és a hardveres virtualizációval. Az új ISA a Power ISA v.2.03-as változata lett 2006-ban, és első megvalósítása a POWER6, az IBM első felső kategóriás processzora. A régebbi POWER és PowerPC specifikációk nem kerültek bele az új verzióba, ettől kezdve végleg elavultnak számítottak, és ezekre már nem fejlesztenek egyetlen processzortípust sem.

POWER6