【转帖】PowerPC架构：IBM的一座金矿

PowerPC架构：IBM的一座金矿

https://www.eefocus.com/mcu-dsp/365599

《处理器史话》之十五

2016-07-15 14:01 作者：付丽华预计 11 分钟读完

 

除了 ARM 架构，X86 架构，还有一个我们也不能忽视，那就是 IBM 的 POWER 架构，虽然由于种种原因它在大家的视线中不再那么光芒四射，但是曾经与 X86 并驾齐驱的历史不可抹杀，今天我们就开始详细讲讲 POWER 和 IBM 的故事。

在这个世界上，尤其在竞争激烈的 IT 领域，并不是每一个成功的公司都能被世人敬仰，然而 IBM 却做到了这一点。

虽然 IBM 可以提供小到打印机，大到大型主机的硬件产品以及供这些产品更加稳定更加高效的软件还有完美的各种服务，但是 IBM 更希望从人们口中听到这样的话：IBM 是一个整体解决方案供应商。

既然是整体解决方案供应商，怎么能够缺少芯片技术呢？

所以，当苹果电脑公司染指 ARM 的时候，IBM 于 1990 年，推出了基于 RISC 系统、运行 AIXV3 的新产品线 RS/6000（现在称为 IBM eServer p 系列）。

该系统架构后来被称为 Power（即：Power1），是 1991 年，由 Apple、IBM、Motorola 组成的 AIM 联盟所发展出的微处理器架构。Power 是整个 AIM 联盟平台的一部分，并且是到目前为止唯一的一部分。但苹果电脑自 2005 年起，将旗下电脑产品转用 Intel CPU，原因在后文中有说明。

从 Power 的全称可以看出其含义：增强 RISC 性能优化架构。后来 IBM 对 Power 做出了最新的解释，分别是如下 5 个词语的缩写：
Performance(性能)；
Optimization(优化)；
Wisdom(智能)；
Efficiency(高效)；
Reliability(可靠)。

PowerPC 处理器有广泛的实现范围，包括从诸如 Power4 那样的高端服务器 CPU 到嵌入式 CPU 市场 。PowerPC 处理器有非常强的嵌入式表现，因为它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。除了像串行和以太网控制器那样的集成 I/O，该嵌入式处理器与台式机 CPU 存在非常显著的区别。例如：4xx 系列 PowerPC 处理器缺乏浮点运算，并且还使用一个受软件控制的 TLB 进行内存管理，而不是像台式机芯片中那样采用反转页表。

PowerPC 处理器有 32 个（32 位或 64 位）GPR（通用寄存器）以及诸如 PC（程序计数器，也称为 IAR／指令地址寄存器或 NIP／下一指令指针）、LR（链接寄存器）、CR（条件寄存器）等各种其它寄存器。有些 PowerPC CPU 还有 32 个 64 位 FPR（浮点寄存器）。

PowerPC 体系结构是 RISC（精简指令集计算）体系结构的一个示例。因此：所有 PowerPC（包括 64 位实现）都使用定长的 32 位指令。PowerPC 处理模型要从内存检索数据、在寄存器中对它进行操作，然后将它存储回内存。几乎没有指令（除了装入和存储）是直接操作内存的。

事实的发展证明：Power 架构成为了 IBM 的一座金矿。

1. IBM 的金矿 
众所周知，大型主机是 IBM 唯一坚持并作为核心的业务。而今天所要谈及的 Power 架构则是延续 IBM 大型主机最主要的整体业务。

为了让大家更加深入地了解大型主机对 IBM 的重要意义，必须要提到让 IBM 以难以置信的速度成长起来的一个产品，同时也是熟悉 IBM 发展史的一条“捷径”，那就是在 1961 年底，IBM 的第二任 CEO 小沃森所批准的“S/360”——一个让 IBM 大获成功的具有革命性意义的生产线。

对于客户来说，S/360 是一个神来之笔；对于 IBM 的竞争对手来说，它则是一个致命的打击。

为了验证这个结论，有必要解释一下：什么是 S/360？

S/360 代表着一种全新的方法。

为 IBM 创造“金矿”的传奇 CEO——小托马斯·沃森

首先，它是用现代而高性能的集成电路建造而成的。这将使它同时具有更强的功率、更大的可靠性以及更低的价格（与市场上的所有同类产品相比）。它将成为电脑家族的一分子——从非常小的处理器到非常大的处理器都可以用上它，以便让顾客能够在他们认为需要的时候轻松地实现升级。为某一个处理器所开发的软件可以在任何一个 S/360 处理器中运行。所有的计算机外围设备——打印机、磁带机、读卡机等，也会和家族中的任何一个处理器兼容。

图为早期 S/360 产品的广告

革命的代价是巨大的。小沃森为此付出了 50 亿美金，但是 S/360 迅速将 IBM 带入了一个全新的业务领域——“以主机为中心”，而主机产品成为了公司的金矿。

IBM 在计算市场上的份额是呈火箭式上升的，竞争对手猝不及防，许多障碍也就都随之消失。公司的年收入从 1965—1985 年一直以 14%的增长率持续增长；毛利润也以惊人的速度在增长—大约是以 60%的速度在持续增长；市场份额也惊人地突破了 30%，这种巨大的利益甚至差点将 IBM 卷入“反托拉斯”的诉讼中。

正如 IBM 另一位传奇总裁郭士纳所说：

“没有系统 S/360 前，IBM 只是众多生产和销售电脑的普通公司之一。”

而如果失败，肯定没有了现在的 IBM，S/360 之于 IBM 就是如此重要。

尽管人们一直认为 IBM 是一个拥有数千种产品的综合性公司，直到 20 世纪 80 年代中期，IBM 都只是一家单一产品的公司——即只生产主机的公司，其他一系列的价值数十亿美元的产品都只不过是围绕主机产品而建造起来的。

2. PowerPC 的发展历程
关于 Power 架构的发展，可以上溯到 1980 年 IBM 发布的第一台 RISC 架构原型机，此后几乎每一年，IBM 都会推出一款或多款产品，下面按照时间的顺序，用一张图来概括地了解一下 Power 架构的发展简史。

Power 架构发展史图

作为对上图的补充，本节结束后，附加了 PowerPC 发展史的大事记，由于内容较多，建议读者酌情阅读。

关于 Power 架构发展，大体可以概括为如下两个时间段：

(1)20 世纪 90 年代
IBM、Apple 和 Motorola 开发 PowerPC 芯片成功，并制造出基于 PowerPC 的多处理器计算机。

此时，PowerPC 架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。第一代 PowerPC 采用 0.6 微米的生产工艺，晶体管的集成度达到单芯片 300 万个。

1998 年，铜芯片问世，开创了一个新的历史纪元。

(2)21 世纪至今
2000 年，IBM 开始大批推出采用铜芯片的产品，如 RS/6000 的 X80 系列产品。
铜技术取代了已经沿用了 30 年的铝技术，使硅芯片在多 CPU 的生产工艺达到了 0.20 微米的水平，单芯片集成 2 亿个晶体管，大大提高了运算性能；而 1.8V 的低电压操作（原为 2.5V）大大降低了芯片的功耗，容易散热，从而大大提高了系统的稳定性。

芯片业务为 IBM 带来了丰厚的利润，同时拓展了自身业务的范围，在小型机市场，正式 Power 系列处理器力助 IBM 成为小型机的霸主。

Power 助 IBM 抢占小型机高地

IBM Power 系列处理器是 IBM 这家蓝色巨人的重要产品之一，凭借这柄利器，IBM 在小型机市场的华山论剑中力拔头筹。上图是权威咨询机构 IDC 09 年 5 月公布的关于小型机市场份额的数据图。