高频率并高效率 浅谈IBM POWER6新特点
2008-04-19    中关村在线

    作为世界上最大的信息工业跨国公司，成立于1914年的IBM（国际商用机器）公司，在逐步将个人业务剥离之后，发展方向已经逐步转向为企业级市场。在目前IBM的三大盈利点之一的硬件方面，即将发布的POWER6无疑是IBM最具杀伤力的“武器”。

POWER的起源

    说起PC，大家通常的认识是Personal Computer，也就是个人电脑，而IBM PowerPC 中的 PC 代表 Performance Computing，也就是高性能计算，这也很明显的看出IBM对于POWER的定位。

    PowerPC 源自于 POWER 体系结构，在 1993 年首次引入，与IBM 801 类似，PowerPC 从一开始设计就是要在各种计算机上运行:从靠电池驱动的手持设备到超级计算机和大型机。由于RISC架构的芯片的主要特点是可伸缩性好、方便灵活，在上世纪80年代，RISC架构逐渐替代了CISC架构成为了大型计算机和超级服务器的首选。

IBM POWER发展历程

POWER5

　　IBM POWER5于2004 年4月发布，与 POWER3 和 POWER4 芯片类似，POWER5 是 POWER 和 PowerPC 体系结构的一种综合体。这种芯片具有很多特性，例如通信加速、芯片多处理器、同步多线程等等，新研发的POWER 5微处理器是一款新一代的64位微处理器，它除了在性能方面得到明显提高外，在可扩展性、灵活性和可靠性方面也有所加强。基于Power 4及Power 4+的设计，POWER 5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。

最高可以8核的IBM POWER5+

　　POWER5芯片具有27,600万个晶体管，比最初的POWER4芯片(具有17,400万个晶体管)多10,000万个。 芯片面积为389平方毫米，包括2313个信号I/O和3057个电源I/O。 POWER5的设计是IBM系统设计师、芯片架构设计师、软件工程师和技术人员紧密协作的成果。它所采用的基础技术有效保证了IBM eServer服务器在占用更小的空间(通过逻辑分区实现)的条件下为客户提供更高的性能。

Power4和Power5特性的对比

　　说明:Power系列处理器的未来路线图----现在占市场主流的是Power4，今年推出Power5，2005年是速度更快的Power5+;2006年和2007年将推出Power6和Power6+;2008年推出Power7，之后是Power7+。系统方面也随之升级，从AIX 的4.3版本到5.1、5.2，一直到今天的5.3版本。

POWER5和Itanium及Opteron规格对比

POWER6的创新

　　IBM POWER6继承了前几代产品的许多特点，不过在其他方面也作了重大创新改进：首先，从频率来看，居我们得到的消息，目前POWER6的频率为4.9GHz，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。

　　与前两代产品一样，POWER6着重于系统架构事关重大的大系统环境。每个POWER6微处理器单元(MPU)作为2路单芯片多处理器(CMP)设计来实现，340平方毫米的一块芯片上集成了两个同步多线程处理器以及每个核心都有的专用二级高速缓存。至于高档型号，四个POWER6 MPU将封装在一个多芯片模块(MCM)内，另外还有四个三级全相联高速缓存，每个大小是32MB。

　　POWER6有极高带宽可提供给处理器，POWER6另外还有一个内存控制器和MCM内的结构线路，从而把I/O频率从CPU频率的三分之一提高到了二分之一。每个内存控制器使用IBM的第三代同步内存接口连接到内存。POWER6的系统架构完全经过了重新设计，比前几代产品先进得多。

　　Power6是最新款的Power系列处理器。它集成有能够加速许多多媒体任务的AltiVec指令集。通过对多个数据元素执行同一条指令，AltiVec能够提高处理器的数据处理效率。这将有助于台式机执行音频和视频任务，而服务器在运行基因数据处理等高性能计算任务的效率也会提高。

　　Power6处理器能够从1数到10。这对于一款时钟频率能够在每秒钟接近5GHz的处理器来说看上去并没有什么不寻常，然而，Power6能够使用十进制数字0-9而非传统计算机通常使用的二进制数字0、1进行数学运算。IBM公司还将大型主机中的一些高端可靠性特性移植到了Power6中，其旨在在软件停止运行前发现和修正尽可能多的漏洞。在每个时钟周期，芯片内核会记录它存储的全部数据。

　　IBM的Power6将有单核和多核版本，每核2个线程;Power6采用了1条13级流水线--7级用于浮点运算单元、6级用于整数运算，在Power6中，用13个“4路扇出”逻辑级就能实现(每级流水线一个)。Power6二进制浮点单元(BFU)采用高阀值电压晶体管以降低漏电流。

　　BFU运行在4GHz、工作于1.1 V时的功耗为310mW。在采用相同流水线、每周期指令数和锁存周期开销的条件下，Power6的BFU采用54个“4路扇出”逻辑级，而Power5是 91个。整数执行单元需要78个“4路扇出”逻辑级，在运行在4GHz、1.1 V时，功耗为160mW。IBM采用了3个阀值电压，并对Power6的沟道长度进行调节以在漏电流和性能之间取得平衡。

IBM POWER6创新技术将会带给我们什么

　　首先最明显的是“频率之争”。在多执行绪、多核心的时代，频率是否无关紧要？

    今年的国际固态电路大会(ISSCC)上，IBM重新拿起频率作为竞争的武器，并且降低了功耗。IBM对于更高频率意味着更大功耗这一点并不置可否，降低功耗的实用方法是监测电晶体数量，例如，快取记忆体是非常有规则的结构，所以其阈值电压可以更高。就功耗而言，对快取记忆体进行作业比逻辑部份所需的功耗低。

　　Power6还具有多执行绪与虚拟化特性。Power6芯片的两个核心中，每个核心又各有两条执行绪，适用于资料密集应用，例如资料库;每个power6芯片最多能划分为1024个独立的分区，令每个分区可以执行各自的作业系统和应用程式。

　　POWER 6可以把工作负载从一个服务器转到另一个服务器，而且不会使运行产生任何中断。今天如果人们要实现这种工作负载的转移的话，必须使用高可用性的集群。因为必须要做文档系统的恢复和数据系统的恢复，必然会带来运行的中断。使用POWER 6的虚拟化技术，则可以在不中断的情况下把负载从一个服务器转到另一个服务器，因为实际上转移的是内存的内容。

　　IBM Power6抛弃传统二进制，而使用十进制数字。二进制是Power6的一般模式，相比而言，人们更喜欢十进制，在商业数据库中存储的一半以上的数字信息也是十进制的。然而，当计算机将十进制转换成二进制进行计算，然后才将计算结果转换成十进制时，就会出现计算精度问题。有许多软件可以进行十进制数学运算，然而，在Power6芯片进行十进制运算时可将性能提高2至7倍。但十进制计算的速度仍然不及二进制，芯片在一个时钟周期内无法完成更多的工作。

　　Power6处理器的“刀片”应用。目前IBM正式宣布将发布4核心的Power 6处理器计划，IBM计划在Power6处理器上实施QCM技术，即将2个双核心Power6芯片封装到一起，构成4核心的Power6处理器。该处理器将主要应用在IBM自己的刀片式服务器中，不过刀片服务器中Power 6处理器工作频率大约只有4GHz左右，IBM称Power6处理器将搭载新的nap节电技术，这可以让Power6处理器在空闲状态下的功耗降低30-35%。

　　无所不在的POWER6：在基于POWER 6的系列中，IBM计划推出有不同档次的产品，既有入门级的，也有中档和高端的产品，这些产品会在不同的时间内推出。IBM的计划是从低端一直到高端的POWER 6的产品会逐步的推出，但是推出的顺序是一定会先推出POWER 5存在着弱点的部分的产品。