Power系列處理器技術(shù)對(duì)比

1、Power系列處理技術(shù)對(duì)比1、 power處理器歷史回顧1990年IBM第一款使用Power（Performance Optimization With Enhanced RISC）處理器的RS/6000推向市場(chǎng)，IBM的POWER處理器真正等上歷史舞臺(tái)。20多年來(lái)，IBM Power系列處理器7代架構(gòu)卓越相承，在商業(yè)應(yīng)用與技術(shù)運(yùn)算應(yīng)用上占得一席重要地位。以下簡(jiǎn)要回顧Power系列處理器發(fā)展歷程：1990年，Power1，集成了800,000個(gè)晶體管，并被火星探險(xiǎn)任務(wù)用作中央處理器；1993年，Power2，集成了1,500萬(wàn)個(gè)晶體管，新加了第二個(gè)浮點(diǎn)處理單元和更多緩存；1998年，Power

2、3，第一個(gè)64位對(duì)稱多處理器，以銅作為連接介質(zhì)，在相同價(jià)格下獲得兩倍的性能；2001年，Power4，集成了1億7,400萬(wàn)個(gè)晶體管，是第一個(gè)單板上具有多核心設(shè)計(jì)的服務(wù)器處理器；2004年，Power5，引入SMT（Simultaneous Multithreading）同步多線程技術(shù)，大幅提升處理器的并行計(jì)算能力；2007年，Power6，第一個(gè)內(nèi)置十進(jìn)制浮點(diǎn)加速器的處理器；2010年，Power7，12億晶體管，8個(gè)處理器內(nèi)核。由上可以看出，Power系列處理器的發(fā)展，前期基本遵循摩爾定律發(fā)展，隨著晶體管工藝的不斷提升，芯片集中晶體管數(shù)也越來(lái)越多，CPU主頻也不斷得到提升。但隨著主頻的不斷

3、提高，Cpu的計(jì)算性能慢慢地也發(fā)展到了一個(gè)瓶頸，隨后開始以多核、并行技術(shù)為主要發(fā)展方向，Cpu的性能又得到進(jìn)一步飛躍。作為商業(yè)處理器，Power系列處理器根據(jù)市場(chǎng)的需求，不斷在性能、能耗、價(jià)格、體積等方面探索與發(fā)展，在商業(yè)領(lǐng)域是一款十分成功的處理器。2、 Power5.6.7差異Power5Power6Power7制造工藝130nm65nm45nm尺寸389mm2341mm2567mm2晶體管數(shù)276M790M1.2B新技術(shù)特性Dual CoreEnhanced ScalingSMTMemory bandwidth +Distributed Switch +Core Parallelism +

4、FP Performance +VirtualizationDual CoreHigh Frequencies SMT +Memory Subsystem +Altivec Instruction RetryDyn Energy MgmtProtection KeysVirtualization +Multi CoreOn-Chip eDRAM SMT+Mem Subsystem +Reliability +VSM & VSX (AltiVec)Protection Keys+Power Optimized Cores1、 Power5技術(shù)特性Power5處理器晶體管數(shù)比Power4多了將近1

5、億個(gè)，其對(duì)性能的提升主要體現(xiàn)在Cache與SMT技術(shù)上。 由上圖可以看出，Power5的L1 Cache采用4-way associative LRU，大大提升了L1的訪問速度；提高了L2、L3緩存的容量，提高了Cache的命中率，提升了cpu到內(nèi)存的帶寬；SMT技術(shù)增加了對(duì)多線程和微分區(qū)的支持。Power5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的一個(gè)重大改進(jìn)是提供了從L2緩存到L3緩存控制器再到L3緩存的直接通道，而不像Power4芯片那樣通過芯片上的分布式告訴開關(guān)訪問L3緩存控制器，且增大了的L3緩存也不再和內(nèi)存使用同一個(gè)通道。這將提高芯片的帶寬，降低分布式告訴開關(guān)沖突。另一個(gè)重大改進(jìn)是將內(nèi)存控制器集成到Power5

6、芯片中，降低了內(nèi)存訪問延遲，提高了內(nèi)核訪問內(nèi)存的性能。 SMT技術(shù)使得Power6處理器支持2個(gè)并發(fā)線程，更充分利用內(nèi)核中的8個(gè)執(zhí)行單元，提高了效率，在操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序看來(lái)，一個(gè)“雙核心、雙線程”的Power5芯片可以提供4個(gè)邏輯處理器，并且對(duì)應(yīng)用程序沒有特別要求。2、 Power6技術(shù)特性隨著生產(chǎn)工藝提升到60nm，Power6處理器最大的特點(diǎn)是超高的主頻處理速度，與Power5相比，幾乎提到了一倍的主頻。與Power5相比，Power6在計(jì)算單元上多了VMX和DP2個(gè)部件，支持單精度浮點(diǎn)運(yùn)算，同時(shí)也支持十進(jìn)制浮點(diǎn)運(yùn)算。Power6處理器，Cache性能也得到很大提升。L1 Cache提升

7、到64KB，8-way；L2 Cache提高到24 MB容量；L3 Cache也提升到16-way，同時(shí)L3 Cache集成了目錄與控制器芯片?？偟膩?lái)說，Cache訪問速度更快、命中率更高，因此訪問效率也得到很大提高。由上圖可以看出，Power6的SMT技術(shù)在Power5的基礎(chǔ)上有更大提升，2個(gè)線程同一個(gè)周期可以支持7條指令，并行技術(shù)能力得到進(jìn)一步提升。Power6的另一個(gè)重要改進(jìn)，就是它引入了從 POWER3 到 POWER4 的轉(zhuǎn)移以來(lái)最大的改變，第二代的 ViVA, ViVA-2。其通過多個(gè)Power6處理器節(jié)點(diǎn)組合，可以支持向量計(jì)算，由上圖所示。最后Power6的節(jié)能技術(shù)有很大的改進(jìn)，

8、盡管主頻提升了一倍，但其能耗與Power差不多，這在控制能耗和發(fā)熱量上有很大改進(jìn)。3、 Power7技術(shù)特性Power7處理器比Power6性能有很大提升，首先從內(nèi)核來(lái)看，從雙核提升到8核，而且單核性能也提升至Power6單核性能的1.2倍至1.5倍。這點(diǎn)突破了多內(nèi)核設(shè)計(jì)在架構(gòu)上以降低單線程性能來(lái)妥協(xié)多核的協(xié)同處理的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，成為第一款在多核情況下還能保持單核性能的處理器。 1）8個(gè)處理內(nèi)核 和以往的IBM Power處理器不太一樣，IBM Power7是一個(gè)單晶片的八核處理器，而不是如Power5那樣由多個(gè)晶圓合體。IBM Power7是一個(gè)典型的多核心處理器，每個(gè)核心的架構(gòu)如下圖： 單個(gè)I

9、BM Power7核心 Power7處理核心的最大特點(diǎn)是它具有12個(gè)執(zhí)行單元，以及4個(gè)同步多線程。這12個(gè)執(zhí)行單元是： 兩個(gè)FXU整數(shù)單元一個(gè)DFU十進(jìn)制整數(shù)單元四個(gè)VSX FPU向量/標(biāo)量擴(kuò)展浮點(diǎn)單元：和傳統(tǒng)的FPU不同，它可以進(jìn)行向量計(jì)算。Power7基于Power Architecture版本2.06，擴(kuò)展了指令集以支持向量運(yùn)算，對(duì)比于通常的SIMD，向量運(yùn)算會(huì)具有更高的效率，它可以更好地利用寄存器 共四個(gè)LSU存取單元：內(nèi)存存取Load兩個(gè)，Store兩個(gè)因此它緊挨著L1，以及L2 一個(gè)CRU條件寄存器單元和BRU分支單元：一種特別的浮點(diǎn)運(yùn)算是由額外的單元執(zhí)行而不是由通用整數(shù)單元執(zhí)行，

10、這就是和POWER架構(gòu)的condition register條件寄存器相關(guān)的運(yùn)算，它由CRU來(lái)執(zhí)行 BRU分支單元執(zhí)行分支指令，實(shí)際上，它和CRU結(jié)合緊密，因此合在一起；CRU和BRU都有點(diǎn)偏向于控制單元（如IFU和ISU這樣的就是徹頭徹尾的控制單元），控制著指令的走向，因此它們靠近IFU指令拾取單元，也靠近L1/L2的位置 Power7是OOOE（Out-of-Order Execution，亂序執(zhí)行）架構(gòu)的處理器，和上一代Power6的IOE（In-Order Execution，順序執(zhí)行）不同有趣的是，Power5是OOOE的，也就是說，Power7又變回去了。 順序執(zhí)行的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以

11、獲得較高的運(yùn)行頻率，亂序執(zhí)行則可以獲得更好的運(yùn)行效率，但是設(shè)計(jì)會(huì)變得復(fù)雜設(shè)計(jì)不是問題，問題是發(fā)熱量也隨之增大。從結(jié)果來(lái)看，Power7的頻率應(yīng)該比Power6低一點(diǎn)。至于執(zhí)行效率本身，亂序本身顯然更好，Power7的流水線級(jí)數(shù)進(jìn)行了縮減和優(yōu)化以提升運(yùn)行頻率。 Power7的內(nèi)核相對(duì)來(lái)說是非常復(fù)雜的，12個(gè)相對(duì)獨(dú)立執(zhí)行單元的設(shè)計(jì)可不常見，如Nehalem約有9個(gè)執(zhí)行單元（不過執(zhí)行端口只有6個(gè)：三個(gè)運(yùn)算端口，三個(gè)存取端口。三個(gè)運(yùn)算端口可以同時(shí)執(zhí)行三個(gè)整數(shù)運(yùn)算和三個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算）。強(qiáng)大的執(zhí)行能力讓Power7可以具有更多的多線程能力：根據(jù)不同模式，智能支持SMT1,SMT2,SMT4，最大限度利用處理器

12、資源。每個(gè)Power7具有4個(gè)同步多線程，Power5和Power6都是兩個(gè)。同步多線程是充分利用亂序架構(gòu)的好方法，相對(duì)來(lái)說，順序架構(gòu)利用起來(lái)就比較難。近年來(lái)處理器的發(fā)展是追求低功耗、大規(guī)模并行，越來(lái)越走向多路處理了，既然走向了多核心，那么走向更多路的SMT同步多線程也就順理成章了，相對(duì)來(lái)說Power7的功耗并不高，見后。 2）CacheIBM Power7具有3層緩存架構(gòu)。首先每個(gè)核心具有單獨(dú)的32KB的L1（L1-I和L1-D分別32KB）和256KB的L2，以及32MB的L3緩存，在這32MB L3當(dāng)中，有4MB的緩存，其延遲只是L3的1/5，特別快，有觀點(diǎn)認(rèn)為它形成了一個(gè)新的緩存層。這

13、個(gè)緩存層屬于L3的一部分，可以被其他核心訪問。 與POWER6處理器不同，POWER7處理器把三級(jí)緩存從芯片外移動(dòng)到了芯片內(nèi)部，Power7的L3L4緩存容量達(dá)到了32MB。實(shí)際上，這些緩存屬于DRAM（Dynamic RAM，動(dòng)態(tài)內(nèi)存），和通常CPU使用的SRAM（Static RAM，靜態(tài)內(nèi)存）不同，IBM稱之為eDRAM，embedded DRAM，集成動(dòng)態(tài)內(nèi)存。DRAM也就是我們通常的內(nèi)存條使用的技術(shù)。 DRAM和SRAM的區(qū)別是：DRAM使用一個(gè)晶體管和一個(gè)電容存儲(chǔ)一個(gè)bit，由于電容會(huì)漏電，因此必須周期性地充電以維持?jǐn)?shù)據(jù)，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、便宜；SRAM則用6個(gè)晶體管（Nehalem則使

14、用了8個(gè)晶體管以降低功耗）組成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路來(lái)存儲(chǔ)一個(gè)bit，不需要周期性地充電，速度很快，然而占地面積大，耗電高，造價(jià)也高。 為什么要用DRAM呢？不是說DRAM的速度慢么？我認(rèn)為可以從多個(gè)方面來(lái)考慮：首先是容量，Power7本身的8個(gè)核心以及4路多線程要求具有大容量的緩存以維持一定的性能水準(zhǔn)，至少要達(dá)到30MB；其次是功耗，假如采用SRAM的話，其功耗將會(huì)非常高的：32MB的緩存會(huì)消耗大量的電力，并且設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，多個(gè)核心的內(nèi)部互聯(lián)也變得麻煩（4核心的Itanium 3 Tukwila具有30MB的SRAM L3，不過目前處于難產(chǎn)階段），使用DRAM的話，只需要傳統(tǒng)SRAM 1/3的空

15、間，1/5的電力，但降低250倍的錯(cuò)誤幾率，減少1.5B晶體管，實(shí)現(xiàn)POWER7 on-chip 32MB L3緩存，較片外緩存延遲只有1/6，帶寬提升2倍。唯一的缺點(diǎn)是性能，這一點(diǎn)無(wú)法避免，這應(yīng)該就是L2.5或者說L3存在的原因，這個(gè)特別快速的4MB區(qū)域可能仍然是SRAM構(gòu)成的。 3）內(nèi)置雙DDR3內(nèi)存控制器大容量的L3通過內(nèi)部互聯(lián)結(jié)構(gòu)連接，據(jù)說處理器核心互聯(lián)的帶寬達(dá)到了500GB/s！經(jīng)過了大容量L3（L4）的篩選之后，仍然需要大量的內(nèi)存帶寬，Power7提供了兩個(gè)DDR3內(nèi)存控制器，每個(gè)控制器支持4個(gè)DDR3通道，大約支持到主流水準(zhǔn)：DDR3-1600，這樣內(nèi)存控制器可以提供100GB/

16、s的帶寬！內(nèi)置內(nèi)存控制器的設(shè)計(jì)并不容易，需要提供各種RAS特性，并需要面對(duì)多種不同廠商不同型號(hào)不同參數(shù)的內(nèi)存模組。為了更好地支持多個(gè)內(nèi)存通道，并提高性能，Power7每個(gè)內(nèi)存控制器都具有16KB的重調(diào)度緩存來(lái)重新排序內(nèi)存存取請(qǐng)求。 4） SMP4連接總線Power7通過三個(gè)方面的設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到32路SMP能力：巨大的帶寬、特別的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特別的一致性協(xié)議。Power7的處理器間總線可以提供360GB/s的帶寬。 本地組與遠(yuǎn)程組Power7拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：32路SMP系統(tǒng)Power7使用了一個(gè)兩層的拓?fù)淠Ｐ停?個(gè)處理器組成一個(gè)本地SMP組（需要7個(gè)本地I/O總線），然后8個(gè)SMP組之間兩兩直接互聯(lián)（每個(gè)SMP組需要7個(gè)外部I/O總線），為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，Power7提供了兩個(gè)總線：一個(gè)用于本地SMP，一個(gè)用于遠(yuǎn)程SMP。總線的位寬是120Byte。 此外為了支持這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，Power7的一致性協(xié)議混合了兩種一致性消息的廣播方法：一種是全局廣播，一種是本地SMP組的猜測(cè)性廣播。這個(gè)一致性協(xié)議定義了13種狀態(tài)，并通過緩存線上額外的設(shè)置位，Power7最終實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在32路處理器、8核心、總共256個(gè)處理內(nèi)核的SMP系統(tǒng)里，可以同時(shí)維持20000個(gè)緩存一致性操作。 最后Power7在節(jié)能設(shè)計(jì)上