在最近 10 年中,IBM 在半导体领域实现了一个又一个的突破:铜技术,绝缘硅,硅锗合金,应变硅和 low-k 绝缘体。所有这些技术都滋生于 IBM 肥沃的研究土壤。这种对现代芯片制造知根知底的能力并非是空穴来风,而是来自于半导体工业中最先进的 R & D 部门的封闭且洁净的实验室。
最初,每个计算机的中央处理单元(或称为 CPU)都是惟一的。每个 CPU 都有自己的指令集,且与其他 CPU 的指令集不兼容。这种情况的变化要回溯到 1964 年引入 IBM S/360 产品线的电子管年代:突然之间,我们不需要每次新买一台计算机时都丢弃原来的代码并重新设计代码了。现在的 IBM 大型机依然保持着对 1962 年这种革命性的指令集的向后兼容性。IBM 其他的 CPU 产品线也保持着相同的兼容性。
从用户模式来看,PowerPC? 系列处理器对应用提供了完全的兼容性:从最底层的自动交通指示灯到功能强大的 Apple Xserve G5。另外,PowerPC 微处理器还与 IBM 的其他 RISC 处理器产品线 POWER? 和 Star 共用一大组通用指令集,这样就使得这三条产品线保持着“近似”的兼容性。在很多情况中,这等价于二进制兼容;在有些情况中,则意味着需要进行简单的重编译;不论如何,这都意味着程序移植已经是小菜一碟了。
IBM 的四条处理器产品线 -- POWER 体系结构,PowerPC 系列的处理器,Star 系列,以及 IBM 大型机上所采用的芯片 -- 都有一个共同的祖先:IBM 801。
CPU 的族谱
IBM 801 的目标是解决 20 世纪 70 年代很多计算机面临的相同问题:电话呼叫的转换。设计小组的目标是在每个时钟周期内完成一条指令,从而每分钟可以处理 300 个电话。
IBM 的 John Cocke 在实现复杂性领域并不是生手,他早就从事于 IBM Stretch 计算机的研究,IBM Stretch 计算机是 IBM 704大型机的一个竞争对手,它的继承者是 ACS (高级计算机系统);而 704 的继承者是 S/360,二者也是竞争对手。
兼容性设计
PowerPC 体系结构的指令集分为三级,称为“books”。Book I 是基本的寄存器和指令集,所有的 PowerPC 实现都通用。Book II 定义了其他一些用户级的功能,这些功能超出了应用软件通常的一些要求。Book III 定义了一些特权操作,特别是操作系统需要的一些特权指令。要了解 PowerPC 体系结构的更详细介绍以及程序员参考手册,请参阅“ PowerPC 体系结构开发者指南”。
现在,商业计算和科学计算的聚合对处理器的设计提出了一个要求:在一个处理器上解决两方面的市场需求。因此 Star 系列正被全新设计的 POWER4 芯片所取代。
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。但是其第一个商业应用却是在桌面系统中,即 Power Macintosh 6100。
PowerPC 是 Apple、IBM 和摩托罗拉(Motorola)联盟(也称为 AIM 联盟)的产物,它基于 POWER 体系结构,但是与 POWER 又有很多的不同。例如,PowerPC 是开放的,它既支持高端的内存模型,也支持低端的内存模型,而 POWER 芯片是高端的。最初的 PowerPC 设计也着重于浮点性能和多处理能力的研究。当然,它也包含了大部分 POWER 指令。很多应用程序都能在 PowerPC 上正常工作,这可能需要重新编译以进行一些转换。
尽管 IBM 和摩托罗拉分别独自开发了自己的芯片,但是从用户层来讲,所有的 PowerPC 处理器都运行相同的关键 PowerPC 指令集,这样可以确保在之上运行的所有软件产品都保持 ABI 兼容性。从 2000 年开始,摩托罗拉和 IBM 的 PowerPC 芯片都开始遵循 Book E 规范,这样可以提供一些增强特性,从而使得 PowerPC 对嵌入式处理器应用(例如网络和存储设备,以及消费者设备)更具有吸引力。
现在,二极管和 FET 之间另外一个重要的区别是拓扑结构:二极管采用的是纵向布线,而基于 FET 的芯片则采用横向布线。因此,在基于 FET 的芯片上空间就更大。在 20 世纪 80 年代和 90 年代的早期,芯片的小型化已经使得芯片的尺寸非常之小,以至于更小的基于 FET 的芯片上可以留出更多的空间,可以放置更多的晶体管,从而实现远远高出二极管模型的性能。基于 FET 的芯片还有最后一个优点:与临近晶体管之间的电子干扰远远小于二极管。因此,尽管二极管也在进行一场日益小型化的战争,但是每次更小一点时,就会加剧了电子干扰的程度,甚至到不可接受的程度;而基于 FET 的芯片则可以变得更小,甚至可以在更大的表面区域中实现更高的布线密度。因此,大部分最新的高级纳米级的芯片都是 CMOS 芯片。
任天堂游戏机的 Gekko、Transmeta 的第一个 Crusoe 芯片、Cray 的 X1 超级计算机芯片、Xilinx Virtex-II Pro 处理器、Agilent Tachyon 芯片以及下一代的微软 XBox 处理器等有什么共性吗?这些芯片要么是由 IBM 制造的,要么也将由 IBM 制造。