PowerPC

詳細信息

PowerPC處理器有廣泛的實現範圍，包括從諸如Power4那樣的高端服務器CPU到嵌入式CPU市場（任天堂Gamecube使用了PowerPC）。PowerPC處理器有非常強的嵌入式表現，因為它具有優異的性能、較低的能量損耗以及較低的散熱量。除了象串行和以太網控制器那樣的集成I/O，該嵌入式處理器與台式機CPU存在非常顯着的區别。例如，4xx系列PowerPC處理器缺乏浮點運算，并且還使用一個受軟件控制的TLB進行内存管理，而不是象台式機芯片中那樣采用反轉頁表。

PowerPC處理器有32個（32位或64位）GPR（通用寄存器）以及諸如PC（程序計數器，也稱為IAR／指令地址寄存器或NIP／下一指令指針）、LR（鍊接寄存器）、CR（條件寄存器）等各種其它寄存器。有些PowerPCCPU還有32個64位FPR（浮點寄存器）。

PowerPC體系結構是RISC（精簡指令集計算）體系結構的一個示例。因此：

所有PowerPC（包括64位實現）都使用定長的32位指令。

PowerPC處理模型要從内存檢索數據、在寄存器中對它進行操作，然後将它存儲回内存。幾乎沒有指令（除了裝入和存儲）是直接操作内存的。

Motorola系列微處理器

Motorola的基于PowerPC體系結構的嵌入式處理器芯片有MPC505、821、850、860、8240、8245、8260、8560等近幾十種産品，其中MPC860是PowerQUICC系列的典型産品，MPC8260是PowerQUICC II系列的典型産品，MPC8560是PowerQUICC III系列的典型産品。

系列産品

PowerQUICC系列微處理器

PowerQUICC系列微處理器一般有三個功能模塊組成，嵌入式PowerPC核(EMPCC),系統接口單元(SIU)以及通信處理器(CPM)模塊，這三個模塊内部總線都是32位。

嵌入式PowerPC核由嵌入式PowerPC核心、指令和數據緩存(Cache)及其各自的存儲器管理單元(MMU)組成，從功能上PowerPC核可分為兩個功能模塊:整數模塊和加載/存儲模塊。整數和加載/存儲操作均由具有32位内部數據通道，支持32位整數操作及算術操作的硬件直接執行。PowerPC核中的整數模塊使用32X32bit定點通用寄存器，每時鐘周期可以執行一條整數處理指令。整數模塊中的單元僅在數據隊列中的有效數據被傳輸時才被占用，這樣使得PowerPC核一直處于低功耗工作模式。

系統接口單元SIU的功能是提供内部總線和外部總線的接口，該接口單元具有32位微處理器的幾乎所有的通用接口特性，盡管PowerPC核内部總線為32位，但通過SIU可以将外部總線寬度動态地配置成8、16或32位，以兼容數據總線寬度為8、16或32位的外設或存儲器。

SIU單元中的存儲器控制器支持最多與高達8組存儲器的無縫連接，每組的容量從32K字節到256M字節可變，數據總線寬度可由4個獨立的使能信号控制為8bits,16bits或32bits。支持的存儲器類型包括SRAM、SSRAM、EPOM、FlashROM、DRAM,SDRAM等。存儲器控制器為每一組存儲器分别提供了可選的0到15個的等待狀态以适應不同速度的存儲器。SIU也支持其它需要雙時鐘訪問的外部SRAM和用突發方式訪問的外部設備。SIU單元還提供其它幾種功能:總線監視、假中斷監視、軟件看門狗、定時中斷、複位控制、不占用内部開銷的片内總線仲裁、JTAG1149.1測試口等。

PowerQUICC中除集成了PowerPC核，還集成了一個32位的RISC内核。PowerPC核主要執行高層代碼，而RISC則處理實際通信的低層通信功能，兩個處理器内核通過高達8K字節的内部雙口RAM相互配合，共同完成MPC854強大的通行控制和處理功能。CPM以RISC控制器為核心構成，除包括一個RISC控制器外，還包括七個串行DMA(SDMA)通道、兩個串行通信控制器(SCC)、一個通用串行總線通道(USB),兩個串行管理控制器(SMC),一個I2C接口和一個串行外圍電路(SPI)，可以通過靈活的編程方式實現對Ethemet、USB、T1/E1,ATM等的支持以及對UART,HDLC等多種通信協議的支持。

PowerQUICC II系列微處理器

PowerQUICC II完全可以看作是PowerQUICC的第二代，在靈活性、擴展能力、集成度等方面提供了更高的性能。PowerQUICC II同樣由嵌入式的PowerPC核和通信處理模塊CPM兩部分集成而來。這種雙處理器器的結構由于CPM承接了嵌入式PowerPC核的外圍接口任務，所以較傳統結構更加省電。CPM交替支持三個快速串行通信控制器(FCC)，二個多通道控制器(MCC)，四個串行通信控制器(SCC)，二個串行管理控制器(SMC)，一個串行外圍接口電路(SPI)和一個12C接口。嵌入式的PowerPC核和通信處理模塊(CPM)的融和，以及PowerQUICC II的其他功能、性能縮短了技術人員在網絡和通信産品方面的開發周期。

PowerQUICC III系列微處理器

同PowerQUICC II相比，PowerQUICC III集成度更高、功能更強大、具有更好的性能提升機制。PowerQUICC III中的CPM較PowerQUICC II産品200MHz的CPM的運行速度提升了66%，達到333MHz，同時保持了與早期産品的向後兼容性。這使得客戶能夠最大範圍的延續其現有的軟件投入、簡化未來的系統升級、又極大的節省開發周期。PowerQUICC III通過微代碼具有的可擴展性和增加客戶定制功能的特性，能夠使客戶針對不同應用領域開發出各具特色的産品。這種從PowerQUICC II開始就有的微代碼複用功能，已經成為簡化和降低升級成本的主要設計考慮。

發展史

1980

IBM發布了第一台基于RISC(精簡指令集計算機）架構的原型機。早在上世紀70年代初，基于IBM科學家John Cocke的發明，RISC的理念大大簡化了計算機操作指令，加快系統運行速度，使得計算機性能得到大幅度提升。如今，RISC架構已經廣泛應用于衆多工作站和UNⅨ服務器系統中，并被看作是未來主流的計算架構。

1990

IBM推出基于RISC系統、運行AⅨV3的新産品線RS/6000（稱為IBMeServerp系列）。該系統架構被稱為POWER(POWER1），意為增強RISC性能優化（Performance Optimization With Enhanced RISC）架構。

1991

IBM和蘋果、摩托羅拉公司達成一系列合作協議，内容包括：推出支持蘋果Macintosh個人電腦與IBM網絡相連的全新産品；推出面向PC機和低成本工作站的RISC架構PowerPC處理器；形成一個開放的系統環境，保證IBMAⅨ和蘋果Macintosh軟件程序在兩家公司設計的RISC系統中都能運行。此外，開放的系統環境包括其他一些技術協議。

1993

IBM推出可升級的POWER并行系統，這是第一款采用RS/6000技術，基于微處理器的超級計算機。在該系統中，IBM首次應用多處理器技術，可将複雜密集的任務進行分解，大大加快了計算機的運算速度，開創了業界先河。

IBM和摩托羅拉公司推出PowerPC601處理器，該處理器是與蘋果共同開發的。PowerPC上集成280多萬個晶體管，主頻為50MHz。

IBM發布了66MHz的POWER2處理器，首先應用于RS/6000系統。

1994

IBM推出可升級的POWER并行系統2(Scalable POWE Rparallel，SP2）。美國康乃爾理論研究中心配備了SP2超級計算機，運行速度高達1360億次/秒。歐洲粒子物理學實驗室（CERN）采用一款64節點、運行AⅨ系統的IBMSP2，速度位于歐洲前列。

IBM成功研發出新一代PowerPC604處理器，其強大的處理性能在批量生産的處理器産品中處于領先地位。IBM技術人員還推出了業内最快的“無損”數據壓縮芯片，每秒鐘能處理40MB數據。7月，IBM交付第一百萬個PowerPC601處理器。

IBM發布首個基于Power架構的嵌入式控制器PowerPC403GA。

1995

PowerPC64位RISC處理器開始應用于IBMAS/400操作系統中。

8月，蘋果公司推出首款基于Power架構的筆記本電腦PowerBook500，它采用IBM的PowerPC 603e處理器。

1996

IBM推出全新的32位POWER2超級芯片（P2SC），主頻達135MHz，首先應用于RS/6000系統。基于POWER2架構的P2SC采用了高密度CMOS技術，單個芯片上集成1500萬個晶體管。

1997

IBM“深藍”超級計算機在經過多局較量後，擊敗了國際象棋冠軍Garry Kasparov。“深藍”是一款32節點的IBMRS/6000SP計算機，處理器采用32位P2SC，運行AⅨ操作系統。在比賽期間，“深藍”的平均運算速度為每秒1億2600萬步。這台超級計算機被安放在美國華盛頓特區的史密森國家博物館内。

IBM為美國國家宇航局提供一款32位的PowerPC微處理器，其運算速度可達每秒3500萬次，主要用于火星探測計劃。經過洛克希德馬丁實驗室改造後，最終形成可抗輻射的RAD6000芯片，植入火星登陸車Sojourner Rover内部的計算機系統中。

1998

由IBM和美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室共同研發的“藍色基因”超級計算機問世。這台計算機采用PowerPC604處理器，主頻高達332MHz，系統包含176個節點，最高運算速度為每秒3.9萬億次（比一般台式電腦快1.5萬倍），存儲容量超過2.6TB（是普通PC機的8萬倍）。“藍色太平洋”一秒鐘内的計算量相當于一個人使用計算器連續計算6萬3千年的總和。

IBM推出世界上第一組基于銅的微處理器PowerPC740/750，工作頻率為400MHz。由于使用了銅芯片技術，處理性能提高了近1/3。

全新64位POWER3處理器将POWER2架構（P2SC)與PowerPC架構相結合，并對技術應用進行了優化。POWER3的最高運算速度可達每秒200萬次，比“深藍”所采用的POWER2超級芯片快出一倍多。

IBM公布了首個基于Power的嵌入式系統芯片（SoC）内核。不久之後，PowerPC405内核也将同其他IP相結合，形成嵌入式SoC微處理器和基于Power的特定應用集成電路(ASIC）解決方案。

1999

IBM研究院投資1億美金開發一種新型的Power架構超級計算機。這種名為“藍色基因”的計算機峰值速度超過1PetaFLOP，比當時最快的超級計算機高出500倍。它将被用來模拟複雜蛋白質的折疊。

自正式推出銅芯片一年後，IBM交付了第一百萬個銅技術PowerPC芯片。

6月，IBM發布了第一個基于405内核的系統芯片PowerPC405GP。下半年，IBM即推出了再下一代嵌入式PowerPC内核。

IBM與任天堂公司共同宣布了一項價值10億美元的技術協議，IBM将為任天堂的下一代家庭遊戲機GAMECUBE提供增強版PowerPC芯片。新産品性能将超出任何其他家庭遊戲系統，為玩家呈現更佳的圖像效果和更逼真的動作畫面。

2000

IBM宣布将高速PowerPC處理器與電視機頂盒（STB）組件一起整合到一個“單芯片系統”上，從而在系統性能、價格和設計等方面為機頂盒廠商帶來競争優勢。該單芯片系統擁有衆多的先進應用，并能幫助三星等公司靈活應對不斷變化的客戶需求。

IBM将RS/6000更名為IBM eServerp系列。

2001

IBM新一代超機計算機“ASCI White”在美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室投入使用，運算速度高達每秒12.3萬億次，主要用于模拟核爆炸試驗。作為美國國家核安全管理局(NNSA）提高戰略運算能力計劃（ASCI）的組成部分，該系統強大的運算能力可以在不到1分鐘時間内處理地球上每個人發出的一次互聯網操作請求。

在經過5年潛心研發後，IBM推出世界上最強大的UNⅨ服務器—eServer p690（“Regatta”）。新系統基于先進的POWER4處理器，集成了多項主機技術。由多台p690服務器連接而成的超級計算機擁有1000多個POWER4處理器，能夠完成最為複雜的運算任務。

索尼、東芝和IBM宣布合作，共同開發一種用于寬帶設備的高級芯片架構，這款代号為“CELL”的芯片将采用業界最先進的芯片研發和制造技術。應用該産品的設備性能将超過IBM“深藍”超級計算機，并能以更低的功耗實現超高速寬帶上網。

2002

IBM推出64位PowerPC970處理器，這款高性能産品可應用于普通台式機、入門級服務器等多種環境中。64位的PowerPC970芯片基于POWER4服務器架構，采用獨特的單指令多數據流（SIMD）單元，擁有超強處理性能。此外，它還采用了“ElasticI/O”内部總線結構，這是業界最快的處理器總線之一。

IBM推出速度更快的POWER4+。截至2003年，POWER4+已經應用于全部pSeries産品線。

IBM推出32路eServer iSeries890服務器，其處理性能為i840的兩倍，采用1.3GHzPOWER4處理器，單個芯片上集成了1億7400萬個晶體管。

IBM推出嵌入式PowerPC440GP和PowerPC440GX處理器，主要運行嵌入式網絡和存儲應用。PowerPC440GX擁有TCP/IP負載加速功能，在全部的5項EEMBC基準測試中得分均高于任何其它的“單芯片系統”處理器。

2003

IBM宣布一個有關32位嵌入式PowerPC内核的公開授權計劃。

IBM和蘋果公司聯手推出世界上第一款64位台式機處理器—PowerPCG5，工作頻率達2.0GHz。蘋果公司稱新的PowerMacG5電腦是“世界上最快的個人電腦”。

IBM宣布推出劃時代的“BlueGene/L”原型機。這款超級計算機尺寸僅相當于30英寸彩電大小，它的問世将為科學界和IT業發展帶來深遠影響。最終版“BlueGene/L”超級計算機将于2005年誕生，占地面積相當于半個網球場，總共包含65536個節點（PowerPC）和64個機架，預計其峰值速度将達到360TeraFlops。

IBM宣布eServerp Series 630将采用POWER4+處理器。等到eServerp Series p615發布後，POWER4+已經應用于全部pSeries産品線。

IBM推出首款采用64位PowerPC技術的刀片服務器Blade Center JS20，擴大了客戶的選擇範圍，提高投資回報率，實現快速經濟的計算性能擴展。

IBM推出全新的PowerPC750GX。與PowerPC750相比，新産品的二級緩存擴大了一倍，由原先的512KB變為1MB。

2004

IBM宣布開發出一種制造低功耗、高性能微處理器的新方法，首次把絕緣矽（SOI）、應變矽和銅制程三種技術工藝結合在一起。64位PowerPC970FX成為首款采用新技術生産的處理器産品，并在業内評選中榮獲大獎。

IBM交付第4000台eServer p690服務器，該産品基于POWER架構，是世界上最受歡迎的UNⅨ服務器。

IBM發布“Power Everywhere”戰略，圍繞POWER架構開展一系列合作計劃，并建立POWER技術創新社區。從全球最強大的企業系統、超級計算機到普通遊戲機、嵌入式設備，POWER架構已經廣泛應用于各類産品中。

索尼公司宣布取得IBMPower處理器架構授權。索尼表示，POWER産品豐富的功能和低功耗、高性能的特點将使其成為客戶設備的首選。

IBM推出業界首款基于Power架構的刀片服務器—eServer Blade Center JS20。

IBM在全球範圍内建立Power架構中心，為客戶設計POWER系統提供支持。

IBM推出一項創新的軟件技術，幫助客戶開發先進的Power架構處理器，并對設計流程進行整合，以實現更快速、更經濟的研發目标。

IBM正式發布新的eServeri5服務器，這是世界上第一台采用POWER5處理器的服務器産品。具有劃時代意義的POWER5是IBM有史以來最強大的64位處理器。

IBM推出基于POWER5處理器的OpenPower720服務器，相對于HP和Sun的入門級UNⅨ和Linux系統而言，這款Linux專用服務器有着明顯的價格優勢。

IBM在其developerWorks網站上開辟了Power架構技術專區，為衆多基于POWER平台的芯片設計人員、驗證工程師、嵌入式系統及軟件研發人員提供豐富的技術資源。

IBM推出基于POWER架構的Total Storage DS6000和DS8000存儲系統。

IBM推出三款全新的POWER5服務器，樹立起高端計算領域的新标準。其中，IBM eServer p5595、eServer i5595擁有強大的處理性能和虛拟能力，而32路的IBMeServerp5590和eServerpSeriesp690相比，速度高出45%，價格則降低45%。

在網絡設備市場上，Power架構服務器占據了三分之二的市場份額。

自2004年4月以來，已有超過1400名研發人員加入了Power架構團隊。

IBM“BlueGene/L”超越日本NEC公司的地球模拟器，成為世界上速度最快的超級計算機。在Linpack基準測試中，IBM“BlueGene/L”系統的性能達到360TeraFlops，刷新了地球模拟器在2002年創造的35.86Tflop的世界記錄。

在全球排名前10位的超級計算機中，共有5台采用了Power架構，比第二位高出一倍。

IBM預發布新的高密度POWER5服務器系統—IBMeServerp5575。該産品可以通過簡單的集群方式組成高性能超級計算機，為未來超級計算機的發展指明了方向。

IBM宣布，基于POWER5處理器、運行DB2通用數據庫的IBMeServer服務器在TPC-C基準測試中突破了每分鐘300萬次的處理極限，創造了新的世界紀錄。

2005

10月，IBM發布Systemp5産品線，采用基于POWER5處理器的增強版——POWER5+處理器，并提供一系列更優化功能。産品一經推出，就打破15項計算領域的世界紀錄。

新的POWER5+處理器被稱為“片上服務器”（server on a chip），它包括2個處理器，一個高帶寬系統交換器，一個更大高速緩存和I/O界面。最新的POWER5+有1.5和1.9GHz兩個主頻選擇，最大72MB闆上高速緩存，支持邏輯分區技術，可使System p5為用戶提供更強大性能，而占用面積更小。

發布QCM技術，即四處理器内核模塊。

2006

2月，發布破多項記錄的Systemp5中端産品，最大限度滿足用戶對産品不同定位的需求。Systemp5産品所取得的世界記錄已經達到70餘項，其動力主要來自以全新2.2GHzPOWER5+處理器為代表的POWER處理器，和顯着提高計算密度的QCM(4内核處理器模塊）處理器封裝技術，後者可使産品在緊湊空間中成倍增加了計算能力。

截止2012年5月IBM的POWER7計算機已經開始商用