力发于芯 IBM Power架构17年发展历程回顾

2007-06-25 14:40:54来源: 中关村在线

创造IBM金矿:S/360主机崛起之路

在这个世界上,尤其在竞争激烈的IT领域,并不是每一个成功的公司都能被世人敬仰,然而IBM却做到了这一点。

虽然IBM可以提供小到打印机,大到大型主机的硬件产品以及供这些产品更加稳定更加高效的软件还有完美的各种服务,但是IBM更希望从人们口中听到这样的话:IBM是一个整体解决方案供应商,而大型主机则是IBM唯一坚持并作为核心的业务。

而我们今天所要谈及的Power架构则是延续IBM大型主机最主要的整体业务。

为了让我们更加深入地了解大型主机对IBM的重要意义,必须要提到让IBM以难以置信的速度成长起来的一个产品,同时也是熟悉IBM发展史的一条“捷径”,那就是在1961年底,IBM的第二任CEO小沃森所批准的“S/360”——一个让IBM大获成功的具有革命性意义的生产线。


为IBM创造“金矿”的传奇CEO——小托马斯·沃森

S/360代表着一种全新的方法。首先,它是用现代而高性能的集成电路建造而成的。这将使它同时具有更强的功率、更大的可靠性以及更低的价格(与市场上的所有同类产品相比)。它将成为电脑家族的一分子——从非常小的处理器到非常大的处理器都可以用上它,以便让顾客能够在他们认为需要的时候轻松地实现升级。为某一个处理器所开发的软件可以在任何一个S/360处理器中运行。所有的计算机外围设备——打印机、磁带机、读卡机等,也会和家族中的任何一个处理器兼容。对于客户来说,S/360是一个神来之笔;对于IBM的竞争对手来说,它则是一个致命的打击。


早期S/360产品的广告

革命的代价是巨大的。小沃森为此付出了50亿美金,但是S/360迅速将IBM带入了一个全新的业务领域——“以主机为中心”。主机产品成为了公司的金矿。IBM在计算市场上的份额是呈火箭式上升的,竞争对手猝不及防,许多障碍也就都随之消失。公司的年收入从1965—1985年一直以14%的增长率持续增长;毛利润也以惊人的速度在增长—大约是以60%的速度在持续增长;市场份额也惊人地突破了30%,这种巨大的利益甚至差点将IBM卷入“反托拉斯”的诉讼中。

正如IBM另一位传奇总裁郭士纳所说,“没有系统360前,IBM只是众多生产和销售电脑的普通公司之一。”而如果失败,肯定没有了现在的IBM,S/360之于IBM就是如此重要。

尽管人们一直认为IBM是一个拥有数千种产品的综合性公司,直到20世纪80年代中期,IBM都只是一家单一产品的公司——即只生产主机的公司,其他一系列的价值数十亿美元的产品都只不过是围绕主机产品而建造起来的。

从S/360到Power:IBM立大型主机核心业务

S/360对于IBM的意义以及它对计算领域所产生的巨大影响,就相当于Windows操作系统对于微软公司的意义以及其对于个人电脑所产生的革命性影响。S/360和Windows一样,产生了一个时代——一个IBM主宰了将近30年的时代。实际上,20世纪60年代至70年代的IBM,与80年代至20世纪90年代的微软之间有着巨大的相似性。两家公司都抓住了重大的技术革新,并给市场带来了全新的顾客群;两家公司也都建立了自己在市场中的主导地位并从中大获其利。

而Power的前身就是S/360。不过Power的到来还跟一个流行观念有关——IBM的主机业务更加紧迫的威胁来自于UNIX的兴起,这是一种由SUN公司和惠普公司所率先研制出来的“开放式”操作环境。UNIX的生存能力和经济性比IBM的主机产品更加吸引顾客。IBM必须要做点什么,不然市场就会被他们蚕食干净。于是Power及其系列产品出现在了IBM的规划蓝图中。


Power架构发展时间图

作为IBM目前四条处理器产品线中的基础,Power架构处理器曾经创造了许多业界奇迹:世界上第一个双核处理器诞生于此,世界上首款刀片服务器的处理器来自于此,它的产品涵盖了适用高端到低端工作站的处理器,它在发展过程中逐渐分解出了PowerPC和star系列处理器产品线,它还首次将Unix的发展方向展示在了世人的面前。

而IBM对Power的最新解释是:Performance( 性能)、Optimization(优化)、Wisdom(智能)、Efficiency(高效)和Reliability(可靠)的缩写。自从Power在1990年诞生之日起,Power架构处理器始终保持1-2年的领先性,即将发布的Power6,现在的主流Power5产品,而回溯历史上的Power3、Power4,其实都是很好地诠释了上述字母所代表的含义。

实现功能划分:火星探险现Power1实力

Power1实现功能划分

发布于1990年的Power1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,这为该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 工作站使用。对于当时还不知何为超量运算的人们来说,这是一个巨大的惊喜,谁也不能想象,为什么工作站的能力一下子被提高得这么快。

 

基于Power1的主机

当然不只是IBM的力量在推动Power的发展。Apple(苹果公司)和Motorola(摩托罗拉)公司也为之付出了巨大的努力。尽管当时的他们是合作者,而人们却只是记住了“IBM的Power”,对后两者来说难保公平。当然这都是后话。仅仅相隔一年,IBM、苹果、摩托罗拉组成了AIM联盟,合作开发基于Power微结构的PowerPC微处理器系列产品。这意味着IBM的Power开始跨越了从小型、中型到大型主机的范围,这一行为直接导致PowerPC家族的微处理器诞生,对完善IBM的处理器产品线起着至关重要的作用。

接下来的一年,IBM公司推出7011-220 (33 MHz)入门级桌面工作站,因其基于Power架构的单芯片配置,所以人们把该工作站称之为RISC单芯片(RISC Single Chip,RSC) ,后来被戏称为“披萨盒”,很多人觉得这个产品没有很大意义,但是对于IBM来说,RSC是后来整个PowerPC架构的先驱,并担任了火星探险处理器的任务,这不仅仅是产品的成功,被用来做火星探险,实际上是向全世界表现IBM的技术实力,这更是一种荣誉。

同样是这一年,IBM在北京正式宣布成立国际商业机器中国有限公司,这是IBM在中国的独资企业。此举使IBM在实施其在华战略中迈出了实质性的一步,多年后中国科技的飞速发展也给予了IBM连续八年中国市场UNIX销售额市场份额第一的丰厚回报。

初探Power2技术细节

战胜了国际象棋冠军的Power2

1993年,由于大量应用的需要以及随之而来惊人的利益驱动,IBM促使Power向前迈出了一大步。IBM Scalable Power parallel Systems(IBM可扩展POWER并行系统,简称SP,后通常被称为SP1)为串行和并行的应用提供了一个可扩展的平台。

SP1基于RISC SYSTEM/6000技术,其基本组件于1993年2月份正式推出,代码为9076 SP1,该系统框架(frame)包含8-16个RISC SYSTEM/6000处理器节点(最大四个框架,64个节点)。SP采用了MPP(大规模并行处理)的理念,每一个处理器节点都有其自己的资源(处理器、内存、硬盘和操作系统),是个无需共享资源的架构。

RISC System/6000 Model 7011-250是第一个基于32位PowerPC 601处理器的工作站,它工作在66MHz,发布于1993年9月。PowerPC 601是第一个诞生在IBM、Motorola和Apple合作的处理器,它是由IBM在RISC单芯片(RSC)的基础上设计开发的。



32位PowerPC 601处理器

601的超标量体系结构通过改进,有了更强的性能,应用额外的客户化线路设计,减小了芯片内核的尺寸,提高运行频率。合作伙伴摩托罗拉88110微处理器总线接口界面是601总线接口界面开发的基础。对于关注Power发展的用户来说,这颗芯片的意义重大,因为601被公认为是Power到整个PowerPC架构的桥梁,至此,PowerPC架构成为IBM真正的又一个出众的产品线。

同年9月,IBM发布Power2。最初的Power2产品包括7013-58H (55 MHz)、7013-590 (66 MHz)和7015-990 (71.5 MHz),Power2处理器。与前作相比,这些产品有了诸多重大改进,更适合科学和技术应用,这些改进包括:浮点计算单元(FPU)包括了2个64位执行单元,每时钟周期内可执行2条浮点“乘-加”指令;增加了第二定点执行单元。此外,Power2中增加了几个全新的硬件指令,包括:4倍长字存储指令,硬件平方根指令和浮点到整数转换指令。

尽管推出了这样领先的产品,1994年仍然让IBM记忆惨痛。

Power2战胜世界冠军却失去个人电脑至高点

20世纪90年代初期的首富企业,都与个人电脑有着千丝万缕的联系。当然,这其中也包括像戴尔公司和康柏公司这样的个人电脑制造商。但是,毫无疑问,它们中占主导地位的有几乎控制了Windows台式操作系统的微软公司和几乎控制了微处理器的英特尔公司。微软公司的Windows和英特尔公司的微处理器芯片已经被合称为“Wintel两强霸权”,这足以说明这两家公司在业内的巨大影响。

而IBM,这家曾经在计算领域引领潮流和曾经发明众多业内最重要的技术性的公司,却有一天早晨从床上爬起来的时候,发现自己的重要性被人见人爱的台式计算所取代了。那些曾经为跨国公司、大学以及世界各国政府制造电脑系统的人,现在则跟随在那些语言程序和电脑游戏供应商头目的背后。局势是尴尬的和令人灰心的。然而,无论目前的情势看上去会有多么的糟糕,但同后来比起来则不算什么了。

那就是当时的个人电脑领导者不仅仅在个人电脑领域全面超越IBM,他们的野心直抵IBM电脑产品的核心——定位了商业计算框架的大型服务器、企业软件以及存储系统。IBM需要不断领先以巩固自己在大型主机上的先进性。

1994年4月,可扩展POWER并行系统的第二代产品SP2 (Scalable POWERparallel Systems 2)正式问世,它基于IBM的RISC SYSTEM/6000微处理器技术,运行AIX/6000操作系统,SP2可从2个节点扩展到128个节点。由于使用了POWER2处理器和其他的一些新功能,SP2处理性能达到了SP1的两倍。

1995年,IBM推出32位PowerPC 604 RISC System/6000微处理器(120 MHz),并首先应用在RISC SYSTEM/6000的7020-40P (66 MHz)机型上。1996年10月份,IBM在RISC SYSTEM/6000 7013-595 (135 MHz)上采用全新32位POWER2 Super Chip超级芯片(就是现在所说的P2SC)。



32位PowerPC 604 RISC 微处理器

P2SC是一款Power2 8芯片架构的单芯片配置,单个芯片包含近1500万个晶体管,并使用了高密度的CMOS-6S技术,这使得SP系统从此有了又宽又薄的全新节点机。1997年10月份,IBM首款64位PowerPC RISC处理器RS64(代号Apache)正式面市。作为一款超标量架构处理器,RS64为商业应用而优化。直至现在,关注商业应用仍是IBM的目标之一,最大限度地为商业提供服务也使蓝色巨人在战略上始终领先。

从1993年到1998年,每个芯片中集成了1500万个晶体管的Power2共服役5年。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。


战胜国际象棋冠军Garry Kasp的那一刻

单从数据上看也许Power2对您来说略显陌生,但是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年击败国际象棋冠军Garry Kasparov的事情可能会让您印象更加深刻,在比赛期间,“深蓝”的平均运算速度为每秒1亿2600万步。目前,这台超级计算机被安放在美国华盛顿特区的史密森国家博物馆内,无论在何时,它始终记录了当时IBM在超级计算领域的前瞻性。

半导体技术稳步前进的Power3

1998年后半期,半导体技术有了突飞猛进的发展,IBM的创新步伐也随之加快,一般2年的周期就会有新的产品和技术出现,而更具突破性的是处理器由32位发展到了64位。随着日益强盛的Power3时代日渐深入人心,IBM广为人知的Star系列处理器系列浮出水面,并最终成为IBM处理器四大产品线之一。

1998年7月,IBM发布RS64-II,它具有专用32字节接口界面,提供独享的4路集合关联的(set associative)8MB L2高速缓存。PowerPC RS64 II 64位RISC微处理器(代号NorthStar)成为了Star系列处理器家族的第一位成员。

紧随其后,IBM在10月立刻发布了成熟的64位Power3处理器。该处理器统一了Power2架构 (P2SC)和PowerPC架构,是针对技术应用而设计。与带有专用的整数执行单元和加载/存储执行单元的P2SC相比,Power3的整数性能有重大的改进,由每秒钟6.4GB的内存子系统提供芯片特有的8个执行单元。

也是在在这一年,IBM决定开始向IT信息服务提供商转型。这为后来的PC业务出售事件埋下了伏笔。

在1999年铜导线技术成熟之后,这项技术立刻被整合进了PowerPC RS64 III 64位RISC微处理器(代号Pulsar)。业界普遍认为,正是这项技术使得处理器可以达到450MHz的主频速度。2000年64位的Power3-II微处理器采用IBM高级的CMOS 7S工艺,把Power3处理器的铝连接改进为铜连接,新的RS/6000 Model 44P 7044-270(375MHz) 使用了基于铜芯片的Power3-II处理器,对称多处理器系统(SMP)最多可配有4个处理器,在2000年10月IBM将RS/6000改名为IBM eServer pSeries。



IBM pSeries 615

在2000年秋季,IBM增强了RS64 III设计,开始使用铜芯片和SOI绝缘硅技术,使时钟频率增加到600MHZ,就形成了RS64处理器的最新版本即RS64 IV(又被称为Sstar);在相同型号上缓存大小被增加到16MB,随着RS64的发展,这种处理器的设计可以提供750MHz的时钟频率。2000年10月,IBM推出的pSeries 680服务器,该64位SMP服务器采用RS64 IV处理器,采用6-24路设计,最大支持96GB内存,系统中每个600MH处理器都有16MB L2高速缓存。

经过多年发展,Power架构技术广泛应用在多个领域,它不仅出现在登陆火星的火星车上,还在激光打印机和汽车中有着出色的表现。1999年IBM接受了任天堂公司的合同,为新一代的Nintendo 64游戏机提供定制的处理器芯片,这一合作又为IBM和PowerPC处理器发现了一个新大陆。

2000年,IBM宣布将高速PowerPC 处理器与电视机顶盒(STB)组件一起整合到一个“单芯片系统”上,从而在系统性能、价格和设计等方面为机顶盒厂商带来竞争优势。该单芯片系统拥有众多的先进应用,并能帮助三星等公司灵活应对不断变化的客户需求。

在其1998年-2001年共三年的服役期间,Power3实现了64位对称处理器的重大突破,并被广泛应用在太空探测到天气预报方面的科技计算领域,而使用铜连接重新实现了Power3的Power3-II,则让用户尝到了科技的甜头,他们花相同的价格可以得到两倍的处理性能。

实现双核奇迹:Power4创世界记录

2001年的第二季度,世界上第一个双核处理器诞生,那就是Power4芯片。IBM早在1999年10月微处理器论坛中,率先批露了其双核心Power4的研发计划,由此可以看出,双核甚至多核早就在IBM的长远规划之中。以180纳米铜导线搭绝缘硅(SOI)制程打造的工程样本于2000年1月研制成功,时钟频率冲上1.3GHz,此产品一经发布,立刻引爆了业界对双核及多核处理器的关注。

如果说Power3只是让IBM在行业内彻底占据了高性能计算老大位置,那么Power4在2001年获得的的微处理器报告分析家选择奖——2001 年最佳工作站/服务器处理器奖,则让IBM登上了服务器处理器的最高领奖台,成为处理器领域最大的赢家。


IBM Power4芯片示意图

相比之下,企图触及IBM核心利益的那些竞争对手们,在四年之后才推出了X86架构下的双核处理器,这其中恐怕不只是存在着四年的技术差距,如此巨大的领先优势使得IBM“胜似闲庭信步”继续着Power之路。

IBM最让人佩服的地方还有一处,那就是无时无刻不在保持了技术的创新性,而除了创新,将技术化为专利也为IBM创下了一项世界记录:2001年,IBM 获得了最多的美国专利,美国专利和商标局共向IBM颁发了3411项专利,这也是一项世界记录。包括HP、Intel、Sun、Microsoft、Compaq、Dell、Apple、EMC、 Oracle、EDS、Accenture 和AOL在内的12家最大的美国IT业公司加在一起,所获得的专利数量也没有超过IBM。

虽然此时有人传出了大型主机过时的论调,但是IBM以在25万美元以上的服务器领域中,大型主机营收在2003年第四季增加了30%的成绩向这些人们交出了讽刺的答卷。

Power花絮故事

不过为了追上时代潮流,原本自成一格的IBM大型主机也做出了一些改变。IBM将许多主流运算技术用到大型主机上,比如资料与储存网络标准、Sun的Java软件以及Linux操作系统等,效果是大型主机更加受到市场肯定。

当然,Power架构的发展之路也并不全是坦途。1986年1月份,世界首台基于RISC架构的UNIX计算机由IBM发布,名为RT PC,所采用的UXIX操作系统为AIX,配备有无浮点计算能力的32位ROMP处理器。虽然IBM对这台计算机寄予厚望,但是其命运却不尽如人意。RT被认为是“计算力不足、价格太高、也太迟了”,而且还被误认为是个人电脑产品线的一款产品……后来,RT PC只得更名为RT。

Power架构之所以能够在众多的服务器上大展拳脚,并不仅仅靠的是自身的优秀,IBM为超级计算研发的尖端系统AIX也功不可没。AIX第一版本AIX v1于1986年首次发布,是第一个能够支持商用RISC系统(RT/PC)的UNIX操作系统。

可想而知,即使基于RISC的Power架构是全世界最高级的处理器架构,没有AIX的支持也仍然无处施展满身的高科技。随着Power架构的不断发展,AIX也在不断前进。在谈及窗口式操作时人们总是有意无意地过分强调微软的力量,其实在1990年,AIX V3也实现了窗口操作,而且AIX是工作在服务器上。

Power5:因IBM出售PC业务而被掩盖光芒

2004年4月28日,对于IBM来说是一个重要的日子,代表着业界最先进的64位微处理器Power5终于在世人面前亮相。基于Power4及Power4+的设计,Power5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。 除了在性能方面得到明显提高外,Power5在可扩展性、灵活性和可靠性方面也有所加强,从2004年至今,Power5作为主流Unix服务器的处理器为世人所知。

Power5的核心一共有8颗,这个拿在手中的大家伙其实是由4个CPU组成,应该称之为多芯片模块(MCM),但是和Intel的安腾处理器的450平方毫米比起来,Power5的核心并不算大,仅仅有389平方毫米。在制作工艺上Power5采用了0.13微米工艺制造,并且是采用了基于8层铜互连技术的SOI工艺。



放大的Power5处理器色彩绚丽

这么大的核心,自然晶体管数目少不了,在那389平方毫米的面积上共有有2亿7千6百万个晶体管,而核心的引脚也达到了大约5400个,其中2313个为数据引脚,3057个为供电引脚。


在一根铜导线里的Power5芯片

单是与技术作对显然不是IBM想要的。同样是在这一年,IBM预发布新的高密度Power5服务器系统—IBM eServer p5 575。该产品可以通过简单的集群方式组成高性能超级计算机,为未来超级计算机的发展指明了方向。

仅仅相隔一年,IBM马不停蹄地推出了Power5+,为Unix服务器再竖大旗,也使得Power架构服务器占据了三分之二的市场份额。Power架构处理器已然成为服务器领域的龙头老大,不仅代表着业界的最先进水平,也成为广大的用户心中最权威的产品。IBM的目的终于达到:成为一家代表着标准和权威的企业。

不过在2005年,IBM的各个竞争对手开始高调推出双核处理器,IBM的核心再一次处于对手赤裸裸的“窥探”之中。

但是在这一年,Power5的光芒却被PC夺走。最让人们瞩目的其实并不是这些高端产品的出现,而是IBM将其PC业务出售给联想。很多分析师认为,IBM是为了摆脱低利润的个人电脑业务,并且借助联想更好地获得股票的增值,当然这种想法并没有错,只是他们都没有注意到IBM此举真正的意义:PC业务从来都不是IBM的战略重点,它只是为了满足客户们强烈的需求而产生的业务,大型主机才是关键所在,抛弃个人PC业务是为了投入更大精力发展主机。而且这还意味着IBM向IT信息服务提供商转型的成功。

Power6:诞生是为了竞争

Power6进入了竞争

当IBM第一次透露其新一代处理器Power6的设计思路时,仅主频将达到4GHz-5GHz这一条,就引起了种种的猜测、怀疑。当然,还有期待。

马上,IBM最新一代的处理器Power6就要出现在世人的面前。IBM实现了自己2-3年实现技术创新的承诺。甚至,新一代产品的研发周期还相对缩短了一些。据称,Power6采用IBM的65纳米绝缘硅SOI工艺、10层金属片而制造。与90纳米工艺相比,在一定的功率下,性能提高了30%,这主要是由于使用了应变硅技术。IBM的65纳米工艺提供了0.65微米的高性能SRAM单元和0.4微米的单元以提高密度。不仅如此,抛弃传统二进制,而使用十进制数字也使得Power6更具个性。

Power6将会无所不在。IBM计划推出有不同档次的产品,既有入门级,也有中档和高端的产品,这些产品会在不同的时间内推出,但是推出的顺序是一定会先推出Power5存在着弱点的部分的产品。而最值得人们期待的,会是应用了Power6的刀片服务器。

自出现Power架构的那天起,IBM就让旁观者对其17年不曾停止的创新感到震惊,而所有的努力加到一起,就是IBM对于市场的这句承诺:“Power6的性能可以比上一代产品提高两倍,而功耗几乎维持原来的水平。”

如果记性好一点,也许我们还能想起来,Intel计划在2007年,安腾2系统和Xeon系统在硬件上能达到彻底的通用,同时在售价相同的条件下实现Itanium 2系统性能等同于2倍于Xeon系统的目标。而且过去几年,基于英特尔安腾2 处理器的微架构已逐渐发展成为高端计算的重要组成元件,而基于安腾2处理器的解决方案也增长迅速。

除去英特尔、AMD这两个在微处理器领域有着丰富成果的厂商,SUN、惠普也在多核处理器领域有着自己独特的产品,他们都对IBM坚持的核心业务造成了冲击。不难看出,研发时间更短的Power6是在给竞争对手压力,IBM需要证明自己在大型主机领域的领先,Power6则是证明此举的最好诠释。

关键字:价格  兼容  主机  双核

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