精简的高端 解析四大RISC服务器处理器

日期:2008-4-28作者:常疆来源:中关村在线

  也许您很难相信,作为我们今天仍在广泛使用的诸如“扣肉”之类的最新双核乃至是CPU(Center Prosessing Unit中央处理器),都是基于始创在上世纪60年代的CISC指令集,距今已有四十多年了。

    CISC是英文“Complex Instruction Set Computer”的缩写,中文意思是“复杂指令集”。大量的复杂指令、可变的指令长度、多种的寻址方式是CISC的特点,也是CISC的缺点:因为这些都大大增加了解码的难度,而在现在的高速硬件发展下,复杂指令所带来的速度提升早已不及在解码上浪费点的时间。1975年,IBM的设计师John Cocke研究了当时的IBM370 CISC系统,发现其中占总指令数仅20%的简单指令却在程序调用中占了80%,而占指令数80%的复杂指令却只有20%的机会用到。

    RISC的产生、发展和现状

    RISC是“Reduced Instruction Set Computer”的缩写,即精简指令集计算机。这是由加州大学伯克利分校RISC项目负责人David Paterrso教授在70年代所命名的,并一直沿用至今。

    80年代后期,RISC结构逐渐代替了CISC (复杂指令集计算-Complex Instruction Set Computing),成为主流微处理器设计结构。使用RISC技术是为了优化指令系统、加快程序编译、提高运行速度。RISC技术采用了更加简单和统一的指令格式、固定的指令长度以及优化的寻址方式,使整个计算结构更加合理。一般来说,RISC处理器比同等的CISC处理器要快50%~75%,同时,RISC处理器更容易设计和纠错。

    接下来我们将对四款主流的RISC服务器处理器一一做介绍:

  IBM:Power的力量

  IBM共拥有四条处理器产品线 —— POWER 体系结构,PowerPC 系列的处理器,Star 系列(很少用于服务器中),以及 IBM 大型机上所采用的芯片。

  POWER 是 Power Optimization With Enhanced RISC 五个单词的缩写,是 IBM 的很多服务器、工作站和超级计算机的主要处理器。POWER 芯片起源于 801 CPU,是第二代 RISC 处理器。POWER 芯片在 1990 年被 RS 或 RISC System/6000 UNIX 工作站(现在称为 eServer 和 pSeries)采用,POWER 的产品有 POWER1、POWER2、POWER3、POWER4,现在最先进的是 POWER5。POWER6计划在今年年中发布。

  PowerPC 是 Apple、IBM 和摩托罗拉(Motorola)联盟(也称为 AIM 联盟)的产物,它基于 POWER 体系结构,但是与 POWER 又有很多的不同。例如,PowerPC 是开放的,它既支持高端的内存模型,也支持低端的内存模型,而 POWER 芯片是高端的。最初的 PowerPC 设计也着重于浮点性能和多处理能力的研究。当然,它也包含了大部分 POWER 指令。很多应用程序都能在 PowerPC 上正常工作,这可能需要重新编译以进行一些转换。

   从 2000 年开始,摩托罗拉和 IBM 的 PowerPC 芯片都开始遵循 Book E 规范,这样可以提供一些增强特性,从而使得 PowerPC 对嵌入式处理器应用(例如网络和存储设备,以及消费者设备)更具有吸引力。PowerPC 体系结构的最大一个优点是它是开放的:它定义了一个指令集(ISA),并且允许任何人来设计和制造与 PowerPC 兼容的处理器;为了支持 PowerPC 而开发的软件模块的源代码都可以自由使用。最后,PowerPC 核心的精简为其他部件预留了很大的空间,从新添加缓存到协处理都是如此,这样可以实现任意的设计复杂度。

   IBM 的 4 条服务器产品线中有两条与 Apple 计算机的桌面和服务器产品线同样基于 PowerPC 体系结构,分别是 Nintendo GameCube 和 IBM 的“蓝色基因(Blue Gene)”超级计算机。现在,三种主要的 PowerPC 系列是嵌入式 PowerPC 400 系列以及独立的 PowerPC 700 和 PowerPC 900 系列。而PowerPC 600 系列,是第一个 PowerPC 芯片。它是 POWER 和 PowerPC 体系结构之间的桥梁。现在的PowerPC970,采用0.13微米SOI工艺制造,其内只有一颗CPU核心,带有512K 芯片内L2 cache。

  HP:放弃Alpha

  HP(惠普)公司自已开发、研制的适用于服务器的RISC芯片——PA-RISC,于1986年问世。目前,HP主要开发64位超标量处理器PA-8000系列。第一款芯片的型号为PA-8000,主频为180MHz,后来陆续推出PA-8200、PA- 8500、PA-8600、PA-8700、PA-8800型号。还有一个就是HP的“私生子”Alpha。(Alpha处理器最早由DEC公司设计制造,在Compaq公司收购DEC之后,Alpha处理器继续得到发展,后来又被惠普公司收购)

  HP于2002年开始就公布了其两大RISC处理器——PA-RISC和Alpha的发展计划,其中PA-RISC与Alpha处理器至少要发展到2006年,对基于其上的服务器的服务支持将至少持续到2011年。2006年,HP将会推出PA-8900。而对于Alpha的发展,惠普公司于已经于2004年八月份发布了其面向 AlphaServer Unix服务器的最后一款处理器产品——EV7z。

  SUN:RISC/X86左右通吃

  1987年,SUN 和TI公司合作开发了RISC微处理器——SPARC。Sun公司以其性能优秀的工作站闻名,这些工作站的心脏全都是采用Sun公司自己研发的SPARC芯片。SPARC微处理器最突出的特点就是它的可扩展性,这是业界出现的第一款有可扩展性功能的微处理。SPARC的推出为SUN赢得了高端微处理器市场的领先地位。

  1999年6月,UltraSPARC III首次亮相。它采用先进的0.18微米工艺制造,全部采用64位结构和VIS指令集,时钟频率从600MHz起,可用于高达1000个处理器协同工作的系统上。UltraSPARC III和Solaris操作系统的应用实现了百分之百的二进制兼容,完全支持客户的软件投资,得到众多的独立软件供应商的支持。

  根据Sun公司未来的发展规划,在64位UltraSparc处理器方面,主要有3个系列,首先是可扩展式s系列,主要用于高性能、易扩展的多处理器系统。目前UltraSparc Ⅲs的频率已经达到750GHz。将推出UltraSparc Ⅳs和UltraSparc Ⅴs等型号。其中UltraSparc Ⅳs的频率为1GHz,UltraSparc Ⅴs则为1.5GHz。其次是集成式i系列,它将多种系统功能集成在一个处理器上,为单处理器系统提供了更高的效益。已经推出的UltraSparc Ⅲi的频率达到700GHz,未来的UltraSparc Ⅳi的频率将达到1GHz。最后是嵌入式e系列,为用户提供理想的性能价格比,嵌入式应用包括瘦客户机、电缆调制解调器和网络接口等。Sun公司还将推出主频300、400、500MHz等版本的处理器。

  SGI:转向嵌入式

  MIPS技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商,在RISC处理器方面占有重要地位。1984年,MIPS计算机公司成立。1992年,SGI收购了MIPS计算机公司。1998年,MIPS脱离SGI,成为MIPS技术公司。

  MIPS公司设计RISC处理器始于二十世纪八十年代初,1986年推出R2000处理器,1988年推R3000处理器,1991年推出第一款64位商用微处器R4000。之后又陆续推出R8000(于1994年)、R10000(于1996年)和R12000(于1997年)等型号。

  随后,MIPS公司的战略发生变化,把重点放在嵌入式系统。1999年,MIPS公司发布MIPS32和MIPS64架构标准,为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了所有原来NIPS指令集,并且增加了许多更强大的功能。MIPS公司陆续开发了高性能、低功耗的32位处理器内核 (core)MIPS324Kc与高性能64位处理器内核MIPS64 5Kc。2000年,MIPS公司发布了针对MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc处理器内核。

  MIPS技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和 64位处理器的厂商。1986年推出R2000处理器,1988年推出R3000处理器,1991年推出第一款64位商用微处理器R4000。之后,又陆续推出R8000(于1994年)、R10000(于1996年)和R12000(于1997年)等型号。1999年,MIPS公司发布MIPS 32和MIPS 64架构标准。2000年,MIPS公司发布了针对MIPS 32 4Kc的新版本以及未来64位MIPS 64 20Kc处理器内核。

    小结:

    RISC在去除了繁杂的指令集之后,得到的是精简,而在2005年5月,当惠普向业界发布其最新的PA-RISC 8900处理器的时候明确宣布,这将是惠普最后一颗RISC处理器版本之后;紧接着,SGI宣布,连同其Origin服务器产品线一起终止了其RISC芯片(MIPS)的研发。

    RISC阵营一下缩小到仅剩Sun和IBM两家,尽管这两家还丝毫没有放弃RISC发展的迹象,但不可否认的是,Sun之前曾经出现过短暂的犹豫,并且一向比较“执拗”的Sun也已经向X86敞开了大门,AMD Opteron芯片已经迅速占据其显著的业务比重。而X86领域在性能上已经渐露锋芒,而高端的安腾也逐步在应用方面站稳脚跟。

    英特尔一上一下两股实力朝着RISC阵营杀将过来的时候,IBM的POWER 6处理器也蓄势待发,究竟RISC如何来面对新的挑战,我们将拭目以待。

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