高端服务器CPU详细图解
高端服务器CPU详细图解--HP、IBM、SUN篇
目前，在中高档服务器/工作站中采用RISC架构的服务器CPU除了IBM和SUN两家外，还有HP 的PA-RISC服务器处理器和康柏（现在也属于HP）的Alpha处理器以及MIPS公司的MIPS处理器。本文就来先来讨论HP服务器CPU产品。
HP 的PA-RISC服务器CPU
总部位于美国加州Palo Alto的HP公司创建于1939年。当时，在一间狭窄的车库里，两位年轻的发明家比尔·休利特和戴维·帕卡德，怀着对未来技术发展的美好憧憬和发明创造的激情，开始了硅谷的创业之路。在经过了65年的发展过程后，HP公司现已成为全球领先的面向大中小型企业、研究机构和个人用户的技术解决方案提供商。Compaq 计算机公司是 1982 年在美国德州休斯顿的一家饼店里成立的，2002 年与 Compaq 计算机公司的合并铸造了一个新HP拥有 14 万员工、可以在 178 个国家用 40 多种货币及十几种语言进行商业活动的强大且具有生命力的团队。
PA-RISC架构是HP早期学习与设计，从FOCUS CPU发展而来的世界上最早的32位微处理器。FOCUS CPU是在1984年之前本身建立指令组合而堆叠的一枚极大的薄片(450.000 FETs)；有关FOCUS 架构可参考HP 9000资料中说明。寄存器结构的PA-RISC处理器指定是为了代替在HP 3000服务器使用早期的16位堆栈结构处理器和在HP Unix 工作站和服务器使用的Motorola 680x0 CPU。 最早的HP RISC PA-7000 CPU是32位的，具有14.2 x 14.2 mm2 ， 580000 FETs， 1.0 micron，2-layer CMOS，off-chip caches 可以达到 256KB/256KB I/D；采用5.0 V 核心电压66 MHz 频率。 PA-7100 是一个发行超过指令的 superscalar 处理器。它是第一个集成在ALU 和 FPU板单一钢模上，而且具有较低的制造价格；PA-7100 和它的指令隐藏所之间的频道已经达到两倍，使这一个处理器能够当做在上面描述指令水平；多样的连续指令被处理器接受并且同时地派遣到独立的完整事物和漂浮的点单元。 也有一个 PA-RISC处理器称做 7150，它基本上是相同于 7100，但是由于对核心和隐藏所次要系统的允许时钟频率达到 125 MHz。 PA-7100 LC 整合FPU 和 MIOC(memory and I/O controller) 一枚VLSI 芯片 cache上的处理器， 处理器和 FPU 支援 PA-RISC 1.1 版本 3 ISA 。PA-7200 从最初的 PA-7100 基础上设计而来，核心部分采用0.55个微米处理器，有较大的cache；它不仅适用于高速目的应用而且还可以采用高带宽接口的大型网络专门应用。
PA-7300 LC 是 PA-7100 LC 的直接后裔并且同样地设计来作为廉价的系统。 它是一个 PA-RISC 1.1 3rd 32 位处理器，与我们后面介绍的64 位PA-8000架构相反。这是最后一个 PA- RISC 1.1 版处理器，以后所有的工作站和处理器都转变为 PA2.0 处理器。具体的性能参数在下面的表中有所说明。
上面介绍的PA-7000系列RISC 服务器CPU都是32位。1986年，HP发布了代号为PA-8000的第一款64位芯片，主频为180MHz。这款芯片在原来芯片系列的基础上增加了寄存器的个数，并实现了5个指令的无序处理，处理机被设计来作高消费阶层的系统和支援新的 64个位元的 PA-RISC 2.0 架构。芯片在一个 0.5 微米，3.3 V 互补型金属氧化半导体程序中被制造，造成 17.68 x19.mm和380万个电晶体的钢模；CPU可以达到768 MB/s系统总线，执行处理器指令和数据，而且是为多重处理提供。
PA-8200芯片设计时就考虑过已经存在PA-8000的架构，吸取它的优势兼容应用程序，并且很快就上市销售；采用较快速的新4 Mb SRAM和增加处理器时钟，PA-8200 绩效重要地可能被提高，在等候指令和数据执行的时间被减少；这主要一般是芯片增加了 BHT，TLB 和 caches，是 “高利益，低危险”一大进步。PA－8200具有向上的应用程序二进兼容性，可最大限度保护用户 投资。 当一个极大的 L1 高速缓冲存储器已经在处理器一钢模上被直接地整合的时候，PA-8500 是 PA-8000 和 PA-8200 处理器的直接优化；很大程度上打破了HP传统芯片的研发方式（主要是在芯片中增加1.5Mb L1缓存）。其他的优点包括较大的 TLB 和 BHT 身为 PA-RISC 2.0 版系列产品的一个成员，PA-8500 是有内定的 64个位元的整数算术的一个真实的 64 位元芯片。它支持 64个位元的虚地址空间， 虽然芯片输出 40 实际的位址位元。这符合直接可寻址的存储器的一个兆位元 (240个字节) 。芯片也支援 32个位元的定址，提供向后的 PA-7100 和 PA-7200 处理机的兼容。 PA-8600 基本上只是有要使它适宜在一种新的制造业程序之上的较小修改的 PA-8500， 为了要达成较高的时钟速度。对最初的设计被应用的唯一真正的变化之一是指令的一个类似的 LRU 替换策略存贮。 而且总线的介面显然地被稍微地修改以及被重做的总线处理的命令。 PA-8700芯片采用0.18微米的制造工艺，其主频已经达到了800MHz以上。PA-8700也基本上是对PA-8500核心做了微小的的修改，就如同以前所有的 PA-8x00 处理器一样，逻辑地非常接近1997年最初的 PA-8000 核心；当推出基本的 PA-RISC 2.0 版核心的时候， 以至于所有后来 HP 的的新处理器，都是以这一个设计为基础而且增加了一些功能和一些针对的微小修正它。 当出现新的CMOS处理器的时候，PA-8700 则重要地提高了通用芯片 L1 caches 和 TLB推进时钟频率。PA-8700 处理器是被 IBM 制造生产出来的，与 PA-8500 和 PA-8600 一样，就如同它们是被Intel生产出来的，因为 HP很早就放弃它的CPU生产工厂。 新一代的PA-RISC 8800工作频率800MHz或是1GHz，系统带宽6.5GB/s，可以支持最大24GB DDR内存。处理器内部则具有1.5MB的L1缓存，以及惊人的32MB L2缓存。这款处理器需要惠普的ZXT芯片组支持，ZXT芯片组比起之前的产品不仅降低了内存延迟，同时也提高了内存容量以及带宽。新款处理器PA-RISC 8800已经应用到HP的高端的服务器产品中。 对于新一代HP 9000服务器用户来说，未来既可以升级到HP Integrity动能服务器，也可以在下一代PA-RISC处理器PA-8900（双核心）投入使用时升级到基于PA-8900处理器的HP 9000服务器上，而且都可以全面采用“箱内升级”的方式。原本预定中的 PA-8900 处理器应该就是HP PA-RISC 的绝响。 作者点评：根据惠普RISC处理器的发展蓝图，HP PA-8800和PA-8900将分别与IA-64构架的Itanium 2（McKinley）和Itanium 3（Deerfield）同期上市。在它们之后，惠普的PA-RISC处理器家族将从市场上撤退，来给IA-64构架的新处理器让路。
自从2002年惠普收购康柏，惠普成为了Alpha芯片的新主人。惠普将要面对这个棘手的问题，即在扩展基于新的64位构架（IA64）系统生产线的同时，是否还要生产正在走下坡路的另外两个系列的产品（PA-RISC和Alpha）。目前惠普公司正在逐步地淘汰Alpha处理器，并将现有的Alpha系统用户转移到安腾平台上。HP已经不打算再做CPU了，转而与Intel合作，原因就在于PA-RISC和Alpha的规模难以上去，研发和制造成本太高。 大家知道，自从20世纪70年代RISC （Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算）技术推出以来，高性能微处理器设计的中心从半导体厂商转向了系统厂商。由于其优化的指令系统带来的运算速度的提高等优势，使得RISC技术在80年代后期，逐渐在高端服务器和工作站领域中取代了CISC （Complex Instruction Set Computing，复杂指令集计算）成为主流的微处理器设计架构之一（见下表）。 随着RISC架构的提出，各个具备一定技术实力的厂家开始在这个架构的基础上研发出自己的处理器，经过近二十年的发展，生产芯片的厂家经历了各种分分合合，到目前为止，我们见到的主流RISC芯片主要有PowerPC、SPARC、PA-RISC、MIPS等，这些芯片分别由重要的服务器厂商用来作为其高端服务器产品和工作站的核心。几乎无一例外地，各种大型计算机和超级服务器都采用RISC架构的处理器，RISC处理器已经逐渐成为高性能计算机的代名词，这也就是我们平时所指的Unix服务器阵营。
本文主要介绍服务器CPU之一 ——IBM的Power系列CPU。
IBM，即国际商业机器公司，1914年创建于美国，是世界上最大的信息工业跨国公司，目前拥有全球雇员20多万人，业务遍及150多个国家和地区。 IBM拥有综合先进技术与结构的全系列产品，包括新一代基于CMOS的并行企业服务器、首次采用64位RISC技术的AS/400高级系列、基于高性能PowerPC604微处理器的新RS/6000系列以及广泛的软件和网络产品等。在复杂的网络管理、系统管理、密集型事务处理、庞大数据库、强大的可伸缩服务器、系统集成等方面，IBM具有强大的优势。 PowerPC 中的 PC 代表 performance computing。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。 20世纪90年代，IBM、Apple和Motorola共同开发了PowerPC，这款RISC架构的芯片的主要特点是可伸缩性好、方便灵活。第一代PowerPC代号为601，采用了0.6微米的生产工艺，晶体管的集成度接近300万个。1998年，铜芯片问世，开创了一个新的历史纪元。2000年，IBM开始大批推出采用铜芯片的产品，如RS/6000的X80系列服务器产品等。铜技术的诞生使CPU的生产工艺达到了0.2微米的水平，单芯片集成度达到2亿，大大提高了服务器产品的运算性能。 PowerPC 600 系列 PowerPC 601 是第一代 PowerPC 系列中的第一个芯片。它是 POWER 和 PowerPC 体系结构之间的桥梁，其与 POWER1 的兼容性比以后的 PowerPC 都要好（甚至比 POWER 同一系列的芯片还要好），同时它还兼容 Motorola 88110 总线。PowerPC 601 的首次面世是在 1994 年最早的 PowerMac 6100 中，其主频为 66 Mhz。这条产品线中的下一个芯片是 603，它是一个低端的核心，通常在汽车中可以找到。它与 PowerPC 603 同时发布，当时 PowerPC 604 是业界最高端的芯片。603 和 604 都有一个“e”版本（603e 和 604e），该版本中对性能进行了改善。最后，第一个 64 位的 PowerPC 芯片，也是很高端的 PowerPC 620 于 1995 年发布。 PowerPC 700 系列 首次面世是在 1998 年，PowerPC 740 和 PowerPC 750 与 604e 非常类似 ，有些人会说他们是同一个 600/700 系列的成员。PowerPC 750 是世界上第一个基于铜的微处理器，当它用于 Apple 计算机时，通常称为 G3。它很快就被 G4（或称为 Motorola 7400）所取代了。32 位的 PowerPC 750FX 在 2002 年发布时其速度就达到了 1GHz，这在业界引起一片哗然。IBM 随之在 2003 年又发布了 750GX，它带有 1MB 的 L2 缓存，速度是 1GHz，功耗大约是 7 瓦。 PowerPC 900 系列 64 位的 PowerPC 970，这是 POWER4 的一个单核心版本，可以同时处理 200 条指令，其速度可以超过 2GHz，而功耗不过几十瓦。低功耗的优势使其一方面成为笔记本和其他便携式系统的宠儿，另一方面又成为大型服务器和存储设备的首选品。它 64 位的处理能力和单指令多数据（SIMD）单元可以加速计算密集型的应用，例如多媒体和图形。这种芯片用于 Apple 的桌面系统、Xserve 服务器、图像系统以及日益增长的网络系统中。Apple Xerve G5 是第一个装备 PowerPC 970FX 的机器，这是第一个采用应变硅和绝缘硅技术制造的芯片，可以只需更低的功耗就实现更高的速度。 PowerPC 400 系列 这是 PowerPC 处理器中的嵌入式系列产品。PowerPC 的灵活性体系结构可以实现很多的专用系统，但是从来没有其他地方会像 400 系列一样灵活。从机顶盒到 IBM 的“蓝色基因”超级计算机，到处都可以看到它的身影。在这个系列的一端是 PowerPC 405EP，每个嵌入式处理器只需要 1 瓦的功耗就可以实现 200 MHz 的主频；而另一端是基于铜技术的 800 MHz 的 PowerPC 440 系列，它可以提供业界最高端的嵌入式处理器。每个子系列都可以专用，例如，PowerPC 440GX 的双千兆以太网和 TCP/IP 负载加速可以减少报文密集型应用对 CPU 的占用率 50% 以上。大量的产品都是在对 PowerPC 400 系列的核心进行高度修改而构建的，其中“蓝色基因”超级计算机就在每个芯片中采用了两个 PowerPC 440 处理器和两个 FP（浮点）核心。 POWER 是 Power Optimization With Enhanced RISC 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 |