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免费设计自己的64位RISC处理器

时间:2019-09-20  来源:未知  作者:广州达内培训

IBM已经向Linux基金会发布了Power Architecture指令集,任何人都可以免费使用它。它是ISA的免费许可,就像RISC-V和其他开源处理器的许可一样。从现在开始,你可以设计自己的PowerPC处理器,而无需支付高额的许可费。

 

 

对于我们来说,既是好消息也是坏消息。

好消息是,他不花钱!你将获得一个由IBM设计的官方CPU,它具有巨大的增长空间。世界上运行速度最快的500台超级计算机中,有13台都是基于IBM的Power架构。

这也给了RISC-V爱好者一些新的思考。在可访问性方面,IBM使Power与RISC-V处于相同的地位。它们都是可实现的CPU,真正的软件支持,免费使用,而且都在Linux基金会的支持下,这意味着没有人或公司能够控制它们的命运。

另一方面,对于一个曾经自豪的处理器家族来说,这似乎是一个悲哀和屈辱的结局。这就像罗斯柴尔德家族或洛克菲勒家族在街上乞讨。多么强大的人倒下了。IBM的Power架构及其面向大众市场的PowerPC分支,被认为是上世纪90年代的英特尔杀手。IBM、Apple和Motorola(当时是飞思卡尔(Freescale)和NXP)联合设计并采用了PowerPC作为RISC的现代替代品,取代了威胁主宰计算机世界的老大x86。(结果如何……?)

AIM集团的每一位成员都做出了一些贡献:苹果将在其即将推出的高端powermac系列中使用PowerPC,自问世以来一直使用的680×0处理器;IBM提供了它为新的RS/6000商用计算机创建的大部分架构;摩托罗拉将生产这些芯片,因为它知道自己的68K处理器生产线已经走到了尽头,而它的88K新系列看起来也不太可靠。

PowerPC一度大受欢迎。苹果是一个引人注目的设计赢家,但它并不是唯一的赢家。索尼的PlayStation3、任天堂的Wii、Wii U和GameCube、微软的Xbox 360以及3DO M2都使用了PowerPC处理器。PlayStation、Xbox和任天堂最后一次有共同点是什么?

PowerPC没有流行起来是在计算机中。除了powermac和一些不起眼的台式电脑,PowerPC什么也没做。摩托罗拉将目光从桌面处理器转向嵌入式芯片。IBM(回到销售微处理器的时候)也做了同样的事情,生产PowerPC 403、405和相关的低端设备。

慢慢地,PowerPC市场出现了分化,高端硅驱动着IBM iron,低端芯片驱动着各种嵌入式系统,但没有什么产品介于两者之间。这并不是这三巨头想要的——尤其是摩托罗拉,它一直希望一个明星处理器能重新打入电脑游戏。但,这是不可能的。

从一开始,IBM就开始使用PowerPC进行授权,这与ARM、MIPS、SPARC和其他缩写架构所做的类似操作形成了对比。在20世纪90年代和21世纪初,为处理器IP授权是非常流行的,这是大规模采用的最可靠途径。但IBM的条款很苛刻,PowerPC许可证比MIPS或ARM的许可证要昂贵得多,而且IBM被认为是一个很难缠的合作伙伴。IBM希望将其许可证的数量控制在较小的范围内,以减少内部的竞争。

总共有20多家公司为PowerPC许可证付费,这看起来是一笔不小的数目,但只有少数几家公司如:Applied Micro、思科公司、索尼公司、意法半导体和东芝这些闻名于世或量产可观芯片的公司。其他许多被授权的公司都是创新公司,他们希望能赶上PowerPC从未出现过的早期应用浪潮。Altera和Xilinx都提供了powerpc版本的FPGA……

联盟很快对此进行了跟进。The Power.Org group (现已倒闭)成立于2004年,OpenPower于2013年开业。现在,后者被并入Linux基金会,与RISC-V和其他大大小小的100个项目一起合作。通过将所有权让与Linux Foundation, IBM实质上放弃了对体系结构的控制,或者至少是对体系结构的许可版本进行了控制。IBM的电力系统部门一如既往地强大,并一如既往地致力于基于电力的高端计算机。他们希望新老板不要篡改PowerPC受人喜爱的EIEIO和DARN指令。

但即使采取了所有正确的商业举措,PowerPC也无法通过考验。它从未像我们承诺的那样在性能上实现step功能,部分原因是早期的PowerPC芯片上市较晚,也可能是英特尔非常擅长利用制造技术加速其设备。将PowerPC处理器与x86处理器进行比较,PowerPC处理器总是与x86处理器性能相当,而且比基于ARM或MIPS的处理器要贵得多。你会选择哪一个?

坏消息是,这个数字曾经接近200。自那以后,它的主导地位一直在下降。

与RISC-V一样,新的PowerPC许可允许你访问完整的指令集体系结构(ISA),包括在没有法律风险的情况下实现它所需的任何专利权。你可以自由地以任何你认为合适的方式去实现自己的PowerPC处理器。然而,与RISC-V不同的是,没有现成的IP内核供你使用。IBM已经演示了运行在Xilinx FPGA上的PowerPC,但它在很大程度上只是一个演示,并不打算作为一个商业实现。

从数百万美元的许可证,到免费使用,在短短几年内。对于PowerPC及其创造者IBM来说,这是一个巨变。但是公司有何选择?会有什么害处呢?IBM并没有很多替代方案。该公司可以继续要求七位数或八位数的授权费,或者直接放弃,希望PowerPC能在SoC开发商中赶上它的第二春。此外,由于RISC-V最近获得了如此多的关注,在PowerPC完全错失良机之前已经没有多少时间了。

而免费提供ISA几乎没有什么坏处,还有一些潜在的好处。如果PowerPC在硬件用户和软件开发人员方面取得了一些进展,这对所有人来说都是好事。PowerPC可能成为下一个RISC-V(或ARM…或8051…或PDP/11…),并成长为一个受欢迎和良好支持的产品家族。它不太可能像最初设想的那样与桌面CPU竞争,但它是一个优秀的嵌入式处理器,具有一定的历史和渊源,并且有一个令人印象深刻的家族树,这比大多数免费CPU所能宣称的还要多。

“电力架构的未来从未像现在这样光明,”OpenPower基金会执行董事Hugh Blemings表示。生意好的时候,你不会把价格降到零。不过,对于Power这样的架构来说,对于世界各地的设计师来说,这是一个不错的选择,因为他们现在有了一个重大的新措施要考虑。

你自己的IBM电脑,谁会想到呢?

延伸阅读

PowerPC架构:IBM的一座金矿

除了ARM架构,X86架构,还有一个我们也不能忽视,那就是IBM的POWER架构,虽然由于种种原因它在大家的视线中不再那么光芒四射,但是曾经与X86并驾齐驱的历史不可抹杀,今天我们就开始详细讲讲POWER和IBM的故事。

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。

当苹果电脑公司染指ARM的时候,IBM于1990年,推出了基于RISC系统、运行AIXV3的新产品线RS/6000(现在称为IBM eServer p系列)。

该系统架构后来被称为Power(即:Power1),是1991年,由Apple、IBM、Motorola组成的AIM联盟所发展出的微处理器架构。Power是整个AIM联盟平台的一部分,并且是到目前为止唯一的一部分。但苹果电脑自2005年起,将旗下电脑产品转用Intel CPU。

从Power的全称可以看出其含义:增强RISC性能优化架构。后来IBM对Power做出了最新的解释,分别是如下5个词语的缩写:

Performance(性能);

Optimization(优化);

Wisdom(智能);

Efficiency(高效);

Reliability(可靠)。

PowerPC 处理器有广泛的实现范围,包括从诸如 Power4 那样的高端服务器CPU 到嵌入式 CPU市场 。PowerPC 处理器有非常强的嵌入式表现,因为它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。除了像串行和以太网控制器那样的集成 I/O,该嵌入式处理器与台式机CPU存在非常显著的区别。例如:4xx系列 PowerPC 处理器缺乏浮点运算,并且还使用一个受软件控制的 TLB 进行内存管理,而不是像台式机芯片中那样采用反转页表。

PowerPC 处理器有 32 个(32 位或 64 位)GPR(通用寄存器)以及诸如 PC(程序计数器,也称为 IAR/指令地址寄存器或 NIP/下一指令指针)、LR(链接寄存器)、CR(条件寄存器)等各种其它寄存器。有些 PowerPC CPU 还有 32 个 64 位 FPR(浮点寄存器)。

PowerPC 体系结构是 RISC(精简指令集计算)体系结构的一个示例。因此:所有PowerPC(包括 64 位实现)都使用定长的 32 位指令。PowerPC 处理模型要从内存检索数据、在寄存器中对它进行操作,然后将它存储回内存。几乎没有指令(除了装入和存储)是直接操作内存的。

众所周知,大型主机是IBM唯一坚持并作为核心的业务。而今天所要谈及的Power架构则是延续IBM大型主机最主要的整体业务。

PowerPC的发展历程

关于Power架构的发展,可以上溯到1980年IBM发布的第一台RISC架构原型机,此后几乎每一年,IBM都会推出一款或多款产品,下面按照时间的顺序,用一张图来概括地了解一下Power架构的发展简史。

 

 

Power 架构发展史图

作为对上图的补充,本节结束后,附加了PowerPC发展史的大事记,由于内容较多,建议读者酌情阅读。

关于Power 架构发展,大体可以概括为如下两个时间段:

20世纪90年代

IBM、Apple和Motorola开发PowerPC芯片成功,并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。

此时,PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。第一代PowerPC采用0.6微米的生产工艺,晶体管的集成度达到单芯片300万个。

1998年,铜芯片问世,开创了一个新的历史纪元。

2000年

IBM开始大批推出采用铜芯片的产品,如RS/6000的X80系列产品。

铜技术取代了已经沿用了30年的铝技术,使硅芯片在多CPU的生产工艺达到了0.20微米的水平,单芯片集成2亿个晶体管,大大提高了运算性能;而1.8V的低电压操作(原为2.5V)大大降低了芯片的功耗,容易散热,从而大大提高了系统的稳定性。

芯片业务为IBM带来了丰厚的利润,同时拓展了自身业务的范围,在小型机市场,正式Power系列处理器力助IBM成为小型机的霸主。

 

 

Power助IBM抢占小型机高地

IBM Power系列处理器是IBM这家蓝色巨人的重要产品之一,凭借这柄利器,IBM在小型机市场的华山论剑中力拔头筹。上图是权威咨询机构IDC 09年5月公布的关于小型机市场份额的数据图。

苹果放弃power PC的真正原因

苹果2005年6月宣布终止与IBM和摩托罗拉长期合作关系时,苹果CEO Steve Jobs指出,转换芯片架构是因为英特尔提供更优越的产品蓝图。

乔布斯当时表示:“展望未来,英特尔拥有最强的处理器蓝图。我们转换至PowerPC已十年了,而我们认为,英特尔的技术会协助我们在未来十年打造最棒的个人电脑。”

苹果之所以转换处理器,最常被引述的理由之一,是苹果不认为IBM和Freescale(前身是摩托罗拉芯片制造部门)制造的处理器能提供所需的性能。换言之,苹果担心IBM和摩托罗拉能不能交出具竞争力的笔记本电脑处理器。另一理由是,苹果想要在电脑上执行Windows操作系统。

一位当年曾参与跟苹果谈判的IBM前任主管最近表示,除了苹果公开说明的理由之外,其实还有一大原因导致苹果改用英特尔处理器。简单说,就是苹果希望争取更划算的价格。这位消息人士指出,采用IBM芯片让苹果付出更高的价钱,这形成一种两难的处境。IBM必须收取更高的费用,因为经济规模比不上英特尔,但苹果不愿意付更多钱,尽管PowerPC架构采用的RISC设计先天上被视为较优越。

2003年时乔布斯是这么说的:“PowerPC G5改变了游戏规则,这台64位赛车是全球最快台式机--我们新款Power Mac G5--的心脏。IBM提供全世界最先进的处理器设计和制造专业,而这只是长期、建设性合作关系的开始。”

但消息人士说,到2005年,苹果发觉IBM的技术在成本上不具竞争力。

对IBM而言,供应芯片给苹果有如挖个财务黑洞往里跳,因为必须投注巨资研发芯片组、编译器及其他支持技术,却只能取得大约5%的PC处理器市场。到头来,这项业务很难赚钱。

为什么只有5%?因为苹果坚持要分散芯片货源,由IBM与摩托罗拉两家公司提供。所以,一方面能分得的市场大饼很小,一方面又必须各自投注大量资金,财务负担显而易见。相形之下,英特尔一家公司就掌控庞大的市占率。




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