IBM Power4 Regatta

Regatta的涵義

2000年1月，微處理器論壇（Microprocessor Forum）的主辦單位Micro Design Resource經過嚴謹的評鑑，IBM的Power4拿下了1999年的最佳新技術獎項，也在2002年4月，拿下該組織微處理機報導（Microprocessor Report）2001年分析師精選大獎的最佳工作站/伺服器處理器獎項。在今天，作為處理器業界效能指標的SPEC CPU 2000，已是由IBM Power4和Intel Itanium 2互爭龍頭的局面。既然PowerPC G5是沿用Power4核心的產品，所以，要了解PowerPC G5，就必須先了解Power4。

IBM將應用Power4 處理器的伺服器產品線命名為Regatta，字面原意為「兩艘並行的船隻」，實際上卻包含了多個意涵，除了代表IBM在伺服器市場的兩大競爭對手Sun和HP外，就是Power4的雙核心架構，一顆處理器包含了兩個核心。另外，IBM將4顆Power4晶片封裝在一起，所以一顆多晶片封裝模組（MCM），就可以達成8顆處理器的SMP環境，堪稱技術上的創舉，也是藍色巨人技術實力的展現。RISC亦有包袱

IBM的Power指令集架構，早已是1990年的產物，所以也留下了不少以今日的角度而言，有些複雜指令並不理想。這些複雜指令，除了會提升硬體動態指令排程機制的設計複雜度，也會降低指令平行執行機制的使用效率。

為此，IBM除了選擇類似新型x86 處理器的設計方式，也就是指令分層（Instruction Layering）的概念，將簡單指令及複雜指令的資料路徑予以分離，針對簡單指令最佳化，讓最常用的簡單指令執行效率提升、複雜指令則由無分支微碼引擎執行。拜處理器和對應作業系統均為IBM發展之所賜，例如某些在PowerPC指令集制定時就刪除掉的最複雜指令，在執行時，就直接透過例外處理機制，交由軟體模擬執行。換言之，現有軟體的二進位執行檔可以不必修改，但是新軟體在編譯時，就可以針對此種特性進行最佳化，以達成最好的效能。

「讓最常出現的運算加快，而不常用的部分，不必刻意追求其效率，只確保執行結果正確性即可」，這是RISC觀念的重點之一，IBM就是基於這種想法，設計Power4的架構。往高時脈邁進

在商業化的微處理器市場，提升時脈一直都是維持產品價格，進行市場區隔最簡單有效的方法。IBM在設計Power4時，除了雙核心外，達成高時脈就是極為重要的目標。但是，要兼顧因高時脈考量所帶來的更深指令管線深度，以及日益增加的平行執行單元數量，控制單元的設計，就是一個很大的挑戰。

為此，IBM選擇了有別於傳統超純量（Superscalar）架構的實作方式，導入資料流（Dataflow）的設計觀念，在指令管線的前端，先完成指令之間相依性的判斷，然後將彼此不相依的不同種類運算指令，打包歸類成直接對應各逸序執行（Out-Of-Order Execution）執行單元、類似超長指令集（VLIW）的微指令格式，再將其分派（Dispatch）。被打包在一起的微指令，必須等待內部的運算全部完成，才能將整個執行結果予以退返（Retire）。如此一來，控制單元只需追蹤被打包的超長微指令，而非個別的被解碼指令，大幅降低了控制單元的複雜度。根據IBM所發表的資料，逸序執行核心可以同時處理20個超長微指令，相當於100個獨立指令，而相較於前代的Power3，Power4的控制單元複雜度僅有其一半，這對於提升時脈頗有貢獻。大型化且高效率的快取記憶體

隨著處理器時脈和記憶體頻寬的差距持續加大，新型處理器對於快取記憶體的倚賴也越來越高。但是，大型化的快取記憶體設計，如何降低存取的延遲（Latency）就是一個重要的課題。另外，對於多處理器系統而言，維持快取記憶體資料一致性（Cache Coherency）也會降低快取記憶體的效能。

Power4的1.5MB第二階快取同時被雙核心所共用，由三塊0.5MB獨立區塊所組成，各自擁有獨立的快取控制器，所以各自獨立運作，這對同時應付來自雙核心以及其他處理器的資料存取需求，有著相當的助益。此外，快取控制器也各自擁有透過仲裁器連接的四組快取一致性處理器（Coherency Processor），大幅降低維持快取一致性所造成的效能傷害。第一階快取對第二階快取各自有獨立的連接埠，擁有超過100GB/s的驚人頻寬。Power4亦整合了外部第三階快取控制器，記憶體介面寬度為256位元，以處理器的三分之一時脈運作，快取容量為32MB，單顆Power4時可提供超過10GB/s頻寬，在四顆Power4多晶片模組下，更擁有超過40GB/s的頻寬及128MB的容量。藍色巨人高階RISC架構的主力

除了PowerPC G5，IBM近期於IEEE Hot Chips 論壇發表的Power5，其實就是Power4架構的改良，重點集中於同步多執行緒技術的導入。據了解，IBM極可能延續G5模式，以高階伺服器應用的Power5為基礎，發展桌上型電腦專用的G6，甚至延續至未來的Power6。形容Power4是藍色巨人最強大的RISC核心，奠定其未來高階處理器的技術基礎，實當之無愧。文⊙劉人豪