31. 10. 2004

         Vítám Vás u prvního dílu mého článku, který je věnován architektuře PowerPC, na níž je založena platforma Pegasos. Je pro Vás připraveno několik dalších kapitol, které budou postupně uveřejňovány. Pro začátek se podíváme na historii a vývoj PowerPC procesorů od počátků až do současnosti.

1.1. AIM aliance

         Historie PowerPC začíná teprve na počátku 90. let 20. století. Firmy Apple, IBM a Motorola, známé také jako AIM aliance, si vzaly za cíl společně vytvořit moderní RISC procesor (viz. poznámka), který by byl schopný konkurovat tehdejším Intel/AMD procesorům a vůbec celé x86 platformě (souhrnný název pro PC kompatibilní s procesory Intel). Architektura nově vzniklých PowerPC procesorů vychází, jak již sám název napovídá, z architektury POWER procesorů, vyvinutých firmou IBM již dříve. Pro všechny tři firmy byla spolupráce na vývoji PowerPC procesorů přínosem. Apple získal nejvýkonnější RISC procesor na trhu a vzrůstající popularitu díky spolupráci s gigantickou firmou IBM. Firma IBM získala levný RISC procesor, původní POWER procesory byly mnohem složitější a dražší. A nakonec společnost Motorola, která firmě Apple již dříve dodávala Motorola 68x00 procesory pro počítače Macintosh, získala moderní a rychlejší RISC procesor, který mohla dále prodávat firmě Apple, ale i IBM.

       

         Existují desítky PowerPC procesorů a mají různá číselná označení. Pro trh bylo firmou Apple zavedeno atraktivnější členění PowerPC procesorů a to do takzvaných generací. Nejmodernější PowerPC procesory na trhu jsou z páté generace (G5) od firmy IBM, společnost Motorola plánuje uvedení PowerPC G6. Vezměme to však po pořádku…

         Pozn. RISC (Reduced Instruction Set Computing – procesor s redukovanou instrukční sadou) – architektura procesorů charakterizovaná pevnou délkou instrukce a oddělenou množinou instrukcí (LOAD/STORE) pracující s pamětí. Podrobnější informace naleznete v příští kapitole.

1.2. První generace PowerPC (G1, 1993-1995)

         Úplně prvním PowerPC procesorem se stal model PowerPC 601 od firmy IBM. Tento mikroprocesor je plně kompatibilní s architekturou POWER od IBM, používá 32-bit vnější adresovou sběrnici a 64-bit vnější datovou sběrnici a vnitřní přenosy dat se uskutečňují na šířkách od 32 do 128 bit. Další modely byly PowerPC 601v a 602 dosahující taktu až 150MHz, spotřeba činí 4-6W při frekvenci 100MHz.
(Pro srovnání: 1993 – Intel Pentium 60-66MHz, 1994 – Intel Pentium 75-100MHz)

1.3. Druhá generace PowerPC (G2, 1995-1997)

V druhé generaci byly odebrány instrukce nutné pouze pro zpětnou kompatibilitu s IBM POWER. Umožnilo to zmenšení procesorů a jejich větší efektivitu. Procesory této generace se rozdělily do dvou skupin – modely PowerPC 603 pro low-end počítače a PowerPC 604 pro high-end počítače a dočkaly se mnoha různých úprav – 603e, 604e apod. s vyšší vyrovnávací pamětí (viz. poznámka) a frekvencí až 350MHz. Tyto modely byly použity německou firmou Phase5 v turbokartách BlizzardPPC 603e pro Amigu 1200 a CyberStormPPC 604e pro Amigu 4000. PowerPC 603et měl velmi nízkou spotřebou 4-6W při 300MHz. Zajímavostí je model PowerPC 620, který byl plně 64-bitový, ale na trhu osobních počítačů se neujal. (Pro srovnání: 1996 – Intel Pentium 200MHz)

         Pozn. Vyrovnávací paměť (tzv. cache) je vysokorychlostní paměť obsahující pouze data nebo instrukce, se kterými procesor právě pracuje.

1.4. Třetí generace PowerPC (G3, 1997-2004)

Třetí generaci PowerPC od IBM reprezentují procesory PowerPC 740, 750 apod. odvozené od PowerPC 603. U procesorů PowerPC G3 a výš se neustále snižuje spotřeba, zlepšují výrobní technologie a zvyšují frekvence procesorů – o to se samozřejmě snaží všichni výrobci procesorů, ale pouze u nejnovějších modelů - zlepšování starších modelů procesorů již není tak obvyklé. PowerPC 750CXe (Pegasos G3) má spotřebu 6W při 600MHz, modernější PowerPC 750FX (z r. 2001) při 800MHz má spotřebu pouhých 3,5W(!) a disponuje mnohem rychlejší systémovou sběrnicí než předchozí verze. PowerPC 750GX dosahuje frekvence 1,1GHz a disponuje 1MB vyrovnávací paměti. (Pro srovnání: 1998 – Intel Pentium II 333MHz)

1.5. Čtvrtá generace PowerPC (G4, 1999-dnes)

Čtvrtá generace PowerPC od Motoroly byla obohacena o vektorovou jednotku Altivec s 32x 128-bitovými registry – jedná se o část procesoru umožňující vektorové výpočty, díky které je procesor schopný při optimalizovaném kódu provádět výpočet teoreticky až 16x rychleji než při normálním výpočtu na starších PowerPC. PowerPC 74xx (G4) procesory dosáhly zatím frekvence 1.5GHz. Nejmodernější PowerPC 7447A má při frekvenci 1.2GHz spotřebu pouhých 9W a není nutné používat aktivní chlazení (není potřeba chladit procesor ventilátorem!).

         "Generaci 4.5" představuje model PowerPC 7450, který je vylepšený v mnoha ohledech: má 4 výkonné jednotky (části procesoru provádějící specifické výpočty) pro práci s celými čísly místo dvou u PPC G4, také 4 nezávislé Altivec jednotky místo dvou, 256-bit sběrnici pro L2 cache a další vylepšení, která tuto řadu procesorů (a model 7447A) řadí o pomyslný stupínek výš, než "klasickou" čtvrtou generaci. Formálně je však procesor PowerPC 7450 řazen do čtvrté generace. Od této doby dosahují procesory Intel/AMD vyšších frekvencí.

1.6. Pátá generace PowerPC (G5, 2002-dnes)

Pátá generace je již plně 64-bitová a reprezentuje ji první 64-bitový procesor pro osobní počítače PowerPC 970 od IBM. PowerPC 970 je odlehčená verze 64­bitového procesoru IBM POWER4 určeného pro nejvýkonnější servery. Na rozdíl od něj však obsahuje pouze jedno procesorové jádro a stejně jako PowerPC G4 disponuje navíc instrukční sadou Altivec, která zvyšuje výkonnost při náročných výpočtech. PowerPC 970 se vyrábí procesem 0,13 mikronu, nejnovější PowerPC 970FX dokonce technologií 0,09 mikronu (90nm) při použití měděných spojů a nejmodernější technologie výroby procesorů zvané SOI (viz. poznámka) – při 2GHz má 970FX spotřebu pouhých 24W, taktovací frekvence se „vyšplhala“ na 2.5 GHz.

         Převzato ze Svět hardware:
Pozn. SOI (Silicon On Insulator) = technologie vyvinutá firmou IBM a licencovaná AMD. Celá filozofie je velmi jednoduchá, a tou je umístit celou tranzistorovou strukturu ne přímo na Si, ale na tenkou vrstvičku izolátoru. Tato zdánlivě jednoduchá úprava ve výrobě zapříčiňuje menší únik proudu z kanálu tranzistoru do okolního podloží z Si. Díky tomu je kanál dříve po přivedení ovládacího napětí ionizován a tranzistor je schopen se rychleji přepínat, tzn. celkovou vyšší rychlost takto vytvořeného procesoru. Je tu dokonce i úspora energie, a to díky výše zmíněnému menšímu úniku proudu pod kanál tranzistoru, mluví se dokonce o 50 %. Jedinou a téměř zanedbatelnou nevýhodou je o 10 % vyšší cena takto vyrobeného procesoru.
Firma Intel tuto technologii nepoužívá, protože je pro ni příliš drahá.

Pokračování: 2. Srovnání PowerPC a x86 architektury...

         Příště se podíváme podrobněji na architekturu PowerPC a srovnáme ji s PC x86.

Článek nesmí být použit na jiných WWW stránkách, ani bez souhlasu autora distribuován v jiné podobě!
Pokud chcete tento článek uveřejnit na svých stránkách, odkažte se na něj prosím pouze odkazem na stránky Czech Pegasos User Group.