Martin Kukaˇ c Struˇcn a historie Praha, 2011

Transkript

1 Martin Kukač Stručná historie Praha, 2011

2

3 Obsah 1 Úvod 5 2 Počátky vývoje 5 3 První generace 6 4 Druhá generace PowerPC PowerPC PowerPC Třetí generace 9 6 Čtvrtá generace 10 7 Pátá generace 11 8 Herní konzole 13 9 Závěr 13

4

5 2 POČÁTKY VÝVOJE 1 Úvod Následující text je kompilátem příspěvků na téma historie procesorové platformy PowerPC, které jsem v průběhu posledních pěti let zveřejnil na svém blogu a které byly pouze poupraveny pro účely této publikace. Klade si za cíl seznámení čtenáře s více než dvanáctiletou historií těchto procesorů v desktopových počítačích. Nejedná se o text odborný ale spíše o populárně naučný, čemuž odpovídá zejména logika členění textu ale i použitý jazyk. 2 Počátky vývoje Po větší část osmdesátých let si udržovaly procesory řady Motorola 680x0 technologický náskok před konkurenčními procesory Intel x86. Zatímco procesory od Intelu byly nasazeny v IBM PC a kompatibilních počítačích, dlouhou dobu omezených jen na textové uživatelské rozhraní, procesory od Motoroly se nacházely ve zejména v multimediálních strojích a unixových pracovních stanicích. Počítače Apple Macintosh, Commodore Amiga, Atari ST nebo Sun-1 až Sun-3 vděčily za své schopnosti právě těmto procesorům. Procesory Intel již ale byly taktovány na relativně vysokých frekvencích (až 100 MHz), k nimž se v té době nejvýkonnější Motorola ani zdaleka nepřibližovala (nejvyšší prodávaný model byl taktován na 40 MHz). Tohoto vývoje si byli vědomi zejména odběratelé procesorů, například Sun proto v roce 1987 uvedl pracovní stanici SPARCstation, osazenou vlastními procesory SPARC. V podobné situaci se ocitla i společnost Apple. Ve spolupráci s IBM a Motorolou vytvořila AIM alianci (Apple IBM Motorola) a ta dala vzniknout procesorové platformě PowerPC. Počátkem 90. let padlo v IBM rozhodnutí implementovat vlastní serverovou architekturu POWER (Performance Optimization With Enhanced RISC) do desktopového procesoru, aby se zaplatil nákladný vývoj této architektury. Ve stejné době stál Apple před rozhodnutím, jaké procesory používat v budoucích modelech počítačů Macintosh, aby si uchovaly patřičnou konkurenceschopnost. Existovaly sice již prototypy počítačů s procesory nové generace řady Motorola 88000, ale vývoj neprobíhal s patřičnou rychlostí. Záhy proto došlo k dohodě, která postupně vyústila v řešení výše uvedeného problému. IBM poskytlo architekturu POWER, Motorola procesorovou sběrnici navrženou původně pro řadu a Apple výsledek použil ve svých prototypech. Na rozdíl od většiny v té době rozšířených procesorů, které měly instrukční sadu typu CISC (Complete Instruction Set Computing), bylo PowerPC vybaveno instrukční sadou typu RISC (Reduced Instruction Set Computing). CISC procesory mají tradičně velké množství instrukcí, pokrývající nejrůznější výpočetní operace. RISC naproti tomu má instrukční sadu omezenou, tvoří ji jen základní nezbytné instrukce a složitější operace se skládají z několika těchto jednoduchých instrukcí. Značným přínosem pak je, že se instrukce vykonávají rychleji, stejně dlouho a navíc jsou stejně dlouhé (tedy všechny v paměti zabírají stejný počet bajtů). Nová instrukční sada pro Apple znamenala nezbytnost portace operačního systému počítačů Macintosh na nové procesory a vytvoření emulační vrstvy, která by umožnila i nadále spouštět starý software. Díky výše zmíňeným vlastnostem RISC instrukcí byl ovšem emulátor poměrně efektivní a pro většinu uživatelů jeho použití prakticky nepostřehnutelné. 5

6 3 PRVNÍ GENERACE 3 První generace Prvním procesorem nové architektury je PowerPC 601. Prototypy procesoru byly hotovy už v roce 1992, nicméně v prvních počítačích Apple se objevily až v roce 1994, poté co na podzim předcházejícího roku debutovaly v pracovních stanicích od IBM. Obrázek 1: PowerPC 601. Taktovací frekvence procesorů byla v rozmezí od 60 do 120MHz. Díky dvojnásobné velikosti L1 cache (32kB) proti první generaci procesorů Intel Pentium, PowerPC 601 této vlajkové lodi firmy Intel svým výkonem velmi obstojně konkurovaly. Počítač Operační systém CPU MHz MIPS (1.1) MIPS (2.1) PC Escom MS DOS Pentium ,5 132,6 PowerMac 8100 System PowerPC ,7 113,3 NoName PC SCOUNIX 5.00a Pentium ,9 PowerMac 7100 System PowerPC ,6 93,1 Tabulka 1: Vybrané hodnoty benchmarku Dhrystone MIPS[2]. Jako hlavní desktopový procesor byly PowerPC 601 v počítačích značky Apple pouze jeden rok (modely PowerMacintosh 6100, 7100 a 8100). O rok později již hrály roli low-end procesorů (PowerMacintosh 7200 a 7500) a v roce 1996 je Apple s výjimkou Workgroup Serveru 7250 (přepracovaný PowerMacintosh 7200 pro použití v roli sít ového serveru) kompletně nahradil novou generací. PowerPC 601 byl totiž pouze první vývojový stupeň nové platformy, obsahoval některé instrukce serverových POWER procesorů a měl sloužit k hladkému přechodu serverových IBM aplikací z těchto procesorů právě na PowerPC. Další generace tyto instrukce už emulovaly pomocí instrukcí jiných (jedná se asi o 5% instrukčního souboru). PowerPC 601 Výrobní proces 0,60 µm Počet tranzistorů 2,8 milionu Plocha jádra 121 mm 2 Cache unifikovaná L1 32 kb Tabulka 2: Základní vlastnosti procesoru PowerPC 601[1]. 6

7 4 DRUHÁ GENERACE 4 Druhá generace V rámci této generace se na trhu objevily dva hlavní procesory: PowerPC 603 a PowerPC 604 a jejich varianty. 4.1 PowerPC 603 Tento procesor našel mezi lety 1994 a 1997 uplatnění zejména v low-end desktopech a také v přenosných počítačích. I když se jedná o první procesor, který kompletně implementuje původní specifikaci 32-bitové PowerPC architektury, byl od počátku vyráběn jako nejlevnější možná implementace. Proti PowerPC 601 postrádá například podporu symetrického multiprocessingu (SMP) a má i mnohem menší L1 cache, jejíž velikost v prvních modelech byla pouze 2x8 kb. Tyto nevýhody byly vyváženy vynikajícími parametry spotřeby elektrické energie, ve sleep režimu procesor potřebuje pouhé 2 mw a při plné spotřebě 3 W na frekvenci 80 MHz. Obrázek 2: PowerPC 603. Zmenšená pamět cache způsobila velké potíže emulační vrstvě operačního systému od Apple. Tato vrstva se do cache nevešla a práce se starými aplikacemi se proto na procesorech 603 velmi zpomalila. PowerPC 603 Apple prakticky nenasadil, rozšíření v desktopech PowerMacintosh a laptopech PowerBook se dočkaly až dvě modernizované varianty 603e a 603ev které přinesly dvojnásobnou cache (16+16 kb). Tyto varianty se vyráběly na mnohem vyšších taktovacích frekvencích, s maximem až na hranici 300 MHz (spotřeba 60 W). PowerPC 603/e/ev se také rozšířilo za hranice AIM aliance, ve svých pracovních stanicích BeBox jej nasadila americká společnost Be a německý výrobce Phase5 na nich založil akcelerační karty BlizzardPPC pro počítače Commodore Amiga. PowerPC 603 PowerPC 603e Výrobní proces 0,50µm 0.50µm Počet tranzistorů 1,6 milionu 2,6 milionu Plocha jádra 81mm 2 98mm 2 Cache oddělená L1 8kB+8kB oddělená L1 16 kb+16 kb Tabulka 3: Základní vlastnosti procesorů PowerPC 603 a PowerPC 603e[1]. 7

8 4 DRUHÁ GENERACE 4.2 PowerPC 604 PowerPC 604 byl výkonný superskalární procesor určený pro desktopy a pracovní stanice, schopný zpracovat až 6 instrukcí v jednom cyklu. Narozdíl od PowerPC 603 podporoval symetrický multiprocessing, a proto se po jeho uvedení na podzim 1994 začínají i u Apple objevovat víceprocesorové konfigurace. PowerPC 604 a jeho modernizované varianty 604e/ev se vyráběly na frekvencích od 100 MHz až po 400 MHz, cache v průběhu vývoje tohoto procesoru stoupla z kb u 604 na kb u 604e/ev. Příkon se přitom pohyboval maximálně kolem hodnoty 20 W. Obrázek 3: PowerPC 604. Všechny hi-end desktopy Apple, například PowerMacintosh 8600 a 9600, byly vybaveny právě těmito procesory, stejně jako nejvýkonnější řada akceleračních karet CyberStormPPC pro počítače Commodore Amiga. PowerPC 604 PowerPC 604e Výrobní proces 0,50 µm 0.35 µm Počet tranzistorů 3,6 milionu 5,1 milionu Plocha jádra 197 mm mm 2 Cache oddělená L1 16 kb+16 kb oddělená L1 32 kb+32 kb Tabulka 4: Základní vlastnosti procesorů PowerPC 604 a PowerPC 604e[1]. 4.3 PowerPC 620 V úvodu k popisu druhé generace jsem se zmínil, že na trhu se objevily dva úspěšné procesory druhé generace PowerPC, proč zde tedy zmiňuji třetí? PowerPC 620 bylo prvním plně 64-bitovým procesorem rodiny PowerPC a měly být směřovány do segmentu nejvýkonnějších pracovních stanic. Bohužel ale jejich výkon nebyl v reálných podmínkách tak oslnivý, jak tomu bylo v papírových specifikacích a velmi brzy se před ně dostaly procesory 604e/ev. Jediný, kdo nasadil tyto procesory ve svých pracovních stanicích Escala tak byla francouzská společnost Groupe Bull. 8

9 5 TŘETÍ GENERACE 5 Třetí generace Třetí generaci procesorů PowerPC se jako první dostalo velké marketingové pozornosti. V roce 1997, kdy byla uvedena na trh se totiž do společnosti Apple po delší době vrátil jeden z jejích zakladatelů, Steve Jobs, a společnost zahájila agresivní marketingovou strategii založenou na přednostech těchto procesorů. Právě v rámci této marketingové strategie byly všechny procesory této generace tedy PowerPC 740/750/745/755 a jejich varianty označeny jako PowerPC G3. Obrázek 4: PowerPC G3 (750). Procesory PowerPC G3 vznikly jako nástupci PowerPC 603e. I přesto, že se jedná o pokračovatele low-end procesorů určených zejména do laptopů se brzy ukázalo, že jsou natolik výkonné, že k vývoji nástupce high-end PowerPC 604 nebylo vůbec přistoupeno. Vzhledem k těmto okolnostem byl PowerPC 740 plně pinově kompatibilní s PowerPC 603, což značně usnadnilo vývoj základních desek. Na stejné byl frekvenci výrazně rychlejší než konkurenční Intel Pentium II, přičemž si ale ponechal velmi nízkou spotřebu elektrické energie. PowerPC 750 navíc nabízel externí (backside) L2 cache až do velikosti 1 MB, díky čemuž byl jeho výpočetní výkon v některých výpočtech ještě o třetinu vyšší. Obrázek 5: Ukázka z reklamní kampaně počítače PowerMacintosh G3. Na procesoru PowerPC 750 byla kolem roku 1998 založena celá produktová nabídka Apple: PowerMacintosh G3, imac G3, PowerBook G3 a později i ibook G3. Počínaje MacOS 8.5 výrazně ubylo emulovaného kódu, který v předchozích čtyřech letech nejvíce spotřebovával výkon procesorů PowerPC, a tak se výkon G3 mohl projevit naplno. Není se proto co divit, že tento procesor ve své modifikaci 750fx byl v produktech Applu (konkrétně v ibooku) ještě v létě roku 2003, tedy šest let poté, co byl poprvé uveden v počítači PowerMacintosh G3. 9

10 6 ČTVRTÁ GENERACE Procesory třetí generace se také začaly prosazovat v nejrůznějších variantách moderních nástupců počítače Commodore Amiga (Amiga One, Pegasos-1) a například i v herních konzolích (SoC procesor IBM Gekko v konzoli Nintendo GameCube atd.) PowerPC 750 PowerPC 755 Výrobní proces 0,26 µm 0.22 µm Počet tranzistorů 6,35 milionu 6,75 milionu Plocha jádra 67 mm 2 51 mm 2 Cache L1 oddělená 32 kb+32 kb oddělená 32 kb+32 kb Cache L2 externí unifikovaná až 1024 kb externí unifikovaná až 1024 kb Tabulka 5: Základní vlastnosti procesorů PowerPC 750[3] a PowerPC 755[7]. 6 Čtvrtá generace Čtvrtá generace procesorů PowerPC, označovaná jako PowerPC G4, přinesla negativní zlom ve vývoji celé architektury. Tvořily ji procesory PowerPC 7400 a odvozené (7410, 7445, 7450, 7455, 7447, 7457 a 7448), obohacené o vektorovou výpočetní jednotkou AltiVec, která jim umožnila jednoznačnou dominanci ve výpočtech, při kterých ji bylo možné použít. Obrázek 6: PowerPC G4 (7447a). Procesory této generace byly vyráběné výhradně Motorolou. IBM totiž v daném okamžiku nespatřovalo výhody vektorové jednotky a dále se zabývalo rozvojem třetí generace, z níž přešlo přímo ke generaci páté. Jediný výrobce bohužel nestačil dodávat potřebné kusové objemy pro stále populárnější počítače PowerMac G4, ale zejména nestíhal inovovat procesor tak rychle, jak tomu bylo ve světě konkurenční architektury x86, kde spolu soupeřili Intel a AMD. Procesory podávaly slušný výkon při několikanásobně menší spotřebě a tudíž i produkci odpadního tepla, ale konkurence v té době začala prudce navyšovat taktovací frekvence svých procesorů, coby hlavní marketingové lákadlo. Ve chvíli, kdy procesory G4 dosahovaly frekvence 800 MHz, pokořil Intel se svým Pentiem 4 hranici 2 GHz a i když byly pro značnou část výpočetních operací prakticky stejně rychlé, zákazníci taženi vyšším číslem více a více kritizovali Apple pro zdánlivou neschopnost držet krok s vývojem odvětví. 10

11 7 PÁTÁ GENERACE Kvůli zmíněné nedostatečné kusové produkci se Apple dokonce dostal do situace, kdy používal procesory tří různých generací zároveň nejlevnější ibooky měly procesory třetí generace, nejvýkonnější PowerMacy měly procesory generace páté a všechny ostatní modely měly procesory G4. I tyto procesory v počítačích od Apple vydržely plných šest let ( ), bylo to však mnohem déle, než si vedení společnosti představovalo. Kromě počítačů Apple byly procesory čtvrté generace použity i v další generaci nástupců počítače Commodore Amiga (Pegasos-2). PowerPC 7400 Výrobní proces 0,20 µm Počet tranzistorů 10,5 milionu Plocha jádra 83 mm 2 Cache L1 oddělená 32 kb+32 kb Cache L2 externí unifikovaná až 2048 kb s interním řadičem Tabulka 6: Základní vlastnosti procesoru PowerPC 7400[6]. 7 Pátá generace Evoluce desktopové platformy PowerPC se zastavila na páté generaci. Tuto generaci tvořenou procesory PowerPC 970, 970fx a 970MP vyráběl opět pouze jeden výrobce, ovšem tentokrát to bylo IBM. Motorola (a později její osamostatněná procesorová divize Freescale) nebyla schopna novou generaci procesorů dodat včas a poté, co Apple jako hlavní odběratel procesorů podepsal dohodu s IBM její vývoj zastavila úplně. Obrázek 7: 64-bitový procesor PowerPC G5 (970fx). Podle Apple mělo právě IBM dostatečné vývojové kapacity na to, aby srovnalo krok s procesory Intelu a AMD. V polovině roku 2003 tak přišel na trh PowerMac G5 vybavený plně 64-bitovým procesorem PowerPC 970 na frekvenci až 2 GHz (volitelně dvojicí procesorů). Ještě dlouho po tomto datu Mac OS X neměl plnou podporu 64-bitových aplikací, ale to Apple nevadilo a PowerMac G5 byl propagován jako první 64-bitový značkový desktopový počítač na světě. Aby IBM dosáhlo u PowerPC 970 takto vysokých frekvencí, muselo sáhnout k některým krokům, ke kterým předtím sáhl Intel u Pentia 4, zejména se projevilo byly prodloužení pipeline a tím se snížení efektivity procesoru. Zvýšením frekvence se zvýšila i spotřeba procesoru a během dalších dvou let se tak nepodařilo vytvořit jeho mobilní verzi. 11

12 7 PÁTÁ GENERACE Právě spotřebu elektrické energie Apple v roce 2005 uvedl jako hlavní důvod, proč po jedenácti letech procesory PowerPC opustil. Jak je to ale se spotřebou G5 doopravdy? Frekvence (GHz) Příkon (W) 1,0 11 1,4 15 1,8 30 2,0 48 Tabulka 7: Spotřeba procesoru PowerPC 970fx dle specifikace IBM[4]. Ze specifikace výrobce tedy IBM vyplývá, že jedno jádro PowerPC 970fx taktované na maximální doporučenou frekvenci 2 GHz mělo příkon 48 W. Porovnáme-li tuto hodnotu například s jádrem Northwood od Intelu, zjistíme, že proti jeho spotřebě 55W je na tom PowerPC stále o něco lépe. Problémy se spotřebou si Apple způsobil sám, když při uvedení PowerMac G5 ohlásil, že do roka přijde model s taktem 3 GHz. IBM nezvládlo takto rychle procesor vyvinout a Apple začal procesory přetaktovávat a chladit kapalinou. Vrcholem tohoto overclockingu bylo v jedné modelové řadě zvýšení taktu až na 2,7 GHz. Proložíme-li tabulkové hodnoty výrobce vhodnou exponenciální funkcí, dostáváme se ke spotřebě 119W na jeden procesor, přičemž počítače byly standardně osazeny dvěma procesory. Obrázek 8: Vývoj spotřeby procesory PowerPC 970fx při stoupající frekvenci. IBM během roku 2004 na variantě procesoru s taktem 3 GHz pracovalo. Mělo se jednat o model 970GX a při uvedné frekvenci měl mít spotřebu přijatelných 85 W. Před jeho dokončením ale Apple změnil svoje požadavky a IBM tak vývoj ukončilo a přesměrovalo prostředky k vývoji vícejádrového procesoru 970MP. Dvoujádrový procesor PowerPC 970MP měl při taktu 2 GHz příkon 59 W, což je údaj srovnatelný s o generaci novějšími procesory. I tento procesor ovšem Apple přetaktoval na 2,5 GHz a tím všechny snahy o snížení spotřeby zmařil. PowerPC 970fx Výrobní proces 0,09 µm Počet tranzistorů 58 milionů Plocha jádra 66 mm 2 Cache L1 oddělená 64 kb+32 kb Cache L2 interní unifikovaná 512 kb Tabulka 8: Základní vlastnosti procesoru PowerPC 970fx[4]. 12

13 9 ZÁVĚR 8 Herní konzole Již od konzole Nintendo GameCube, která byla uvedena na trh v roce 1999 se procesory PowerPC začaly prosazovat v herním průmyslu. Vzhledem k tomu, že mají herní konzole vývojový cyklus proti stolním počítačům zhruba dvakrát až třikrát delší, je vývoj procesorů pro ně pro IBM přijatelnější a méně nákladný. V současné době mají všechny tři mainstreamové konzole, tedy Microsoft XBox360, Sony Playstation 3 i Nintendo Wii procesory založené na této architektuře. První dvě jmenované mají vícejádrové procesory odvozené od páté generace PowerPC, Nintendo Wii pak disponuje procesorem o několik generací starším. V červnu 2011 představená konzole nové generece Nintendo Wii U má podle specifikací také procesor založený na této architektuře, z čehož lze usuzovat, že zde, narozdíl od trhu desktopů, má PowerPC stále budoucnost. 9 Závěr Ačkoliv byly od počátku navržené pro trh osobních počítačů, ukázaly se v posledních několika letech procesory PowerPC jako špičkové procesory pro herní konzole a další průmyslová a spotřební zařízení. Procesory PowerPC najdeme ve výkonných sít ových prvcích, digitálních set-top-boxech, laserových tiskárnách, automobilech či družicích (například výzkumná vozidla Oportunity a Spirit). Bohužel však na svém původním trhu již nad vší pochybnost skončily. Existují sice menší výrobci, kteří stále vyrábí základní desky založené na těchto procesorech (zejména další nástupci počítačů Commodore Amiga), ale jedná se o komerčně nevýznamné počty a některé z těchto desek jsou vyráběny i v průmyslových variantách, které finančně ospravedlňují jejich vývoj. Vzhledem k tomu, že se jednalo o moderní architekturu, která byla od počátku navržena v 32-bitové i 64-bitové specifikaci je jejího nevyužitého potenciálu škoda. 13

14 REFERENCE Reference [1] PowerPC on Apple: An Architectural History, Part I [online]. [cit ]. Historie prvních tří generací procesorů PowerPC ve spojení s počítači firmy Apple. Dostupné z: [2] PDS: The Performance Database Server [online]. [cit ]. Tabulka výsledků benchmarku Dhrystone MIPS. Dostupné z: html/dhrystone.data.col0.html. [3] PowerPC 750 Microprocessor - IBM Electronics [online]. [cit ]. Knihovna dokumentace procesorů PowerPC 740/750. Dostupné z: techlib/techlib.nsf/products/powerpc 750 Microprocessor. [4] IBM PowerPC 970FX RISC Microprocessor Datasheet [online]. [cit ]. Kompletní specifikace procesoru IBM PowerPC 970fx. Dostupné z: chips/techlib/techlib.nsf/techdocs/1de505664d202d d9c006b90a5/$file/ PPC970FX DS DD3.X V2.5 26MAR2007 pub.pdf. [5] Procesory PowerPC (1. díl) - Historie a vývoj PowerPC [online]. [cit ]. Přehled historie procesorů PowerPC zejména ve spojením s počítači Commodore Amiga. Dostupné z: [6] MPC7400 RISC Microprocessor Hardware Specifications [online]. [cit ]. Kompletní specifikace procesoru Freescale MPC7400. Dostupné z: 32bit/doc/data sheet/mpc7400ec.pdf. [7] MPC755 Product Summary Page [online]. [cit ]. Knihovna dokumentace procesorů PowerPC 755. Dostupné z: summary.jsp?code=mpc

15 INDEX Index Motorola 88000, 5 PowerPC 601, 6, 7 PowerPC 603, 7 9 PowerPC 603e, 7, 9 PowerPC 603ev, 7 PowerPC 604, 7 9 PowerPC 604e, 8 PowerPC 604ev, 8 PowerPC 620, 8 PowerPC 740, 9 PowerPC 7400, 10 PowerPC 750, 9 PowerPC 970, 11 PowerPC 970fx, 11, 12 PowerPC 970MP, 11, 12 15