IBM Power

IBM Power — это семейство микропроцессорных архитектур и серверных платформ, разработанных и производимых компанией IBM (International Business Machines Corporation). Архитектура IBM Power (также известная как POWER) представляет собой систему команд с сокращённым набором инструкций (RISC), ориентированную на высокопроизводительные вычисления, корпоративные серверы и суперкомпьютеры. Основным отличием данной архитектуры является поддержка многопоточности (SMT) и масштабируемости до сотен ядер в одной системе. Семейство включает как микропроцессоры (POWER4, POWER5, POWER6, POWER7, POWER8, POWER9, POWER10), так и серверные решения на их основе, работающие под управлением операционных систем AIX, IBM i и Linux.

История

Разработка и первые поколения (1990—2000)

Разработка архитектуры POWER началась в конце 1980-х годов в рамках проекта IBM «America». Первый процессор POWER1 (RISC System/6000) был представлен в 1990 году. Он стал основой для рабочих станций и серверов IBM RS/6000. В 1993 году на базе POWER1 был создан суперкомпьютер IBM Deep Blue, который в 1997 году обыграл чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова. В 1998 году вышло второе поколение — POWER2, отличавшееся увеличенным кэшем и производительностью.

Эра POWER3 и POWER4 (2000—2005)

POWER3 (1998) стал первым 64-битным процессором в семействе, совместимым с архитектурой PowerPC. POWER4 (2001) стал первым двухъядерным процессором в мире, объединив два ядра на одном кристалле. Он также поддерживал технологию «multi-chip module» (MCM), позволяя объединять до четырёх процессоров в одном корпусе. POWER4 использовался в серверах IBM eServer pSeries и суперкомпьютерах, таких как ASCI White.

POWER5 и POWER6 (2005—2010)

POWER5 (2004) ввёл поддержку одновременной многопоточности (SMT), позволяя одному ядру обрабатывать два потока команд. Это повысило эффективность использования ресурсов. POWER6 (2007) достиг тактовой частоты 5 ГГц, что было рекордом для своего времени. Он также поддерживал десятичную арифметику с плавающей запятой (DFP) и виртуализацию на аппаратном уровне (PowerVM).

POWER7 и POWER8 (2010—2015)

POWER7 (2010) увеличил количество ядер до 8 на одном чипе, а также ввёл технологию TurboCore, позволяющую динамически отключать часть ядер для повышения тактовой частоты оставшихся. POWER7+ (2012) добавил поддержку eDRAM (embedded DRAM) в кэше. POWER8 (2013) стал первым процессором, оптимизированным для работы с большими данными (Big Data) и облачными вычислениями. Он включал до 12 ядер, поддержку до 16 потоков на ядро (SMT-8) и интерфейс CAPI (Coherent Accelerator Processor Interface) для подключения ускорителей.

POWER9 (2017—2020)

POWER9 (2017) был разработан в рамках открытой инициативы OpenPOWER Foundation, основанной IBM в 2013 году. Процессор поддерживал два варианта: для двухпроцессорных (Scale-Out) и четырёхпроцессорных (Scale-Up) систем. POWER9 стал основой для суперкомпьютера Summit (США) и Sierra (США), а также для российского суперкомпьютера «Ломоносов-2» (МГУ). Он также использовался в серверах IBM Power Systems AC922.

POWER10 (2021—настоящее время)

POWER10 (2021) построен на 7-нм техпроцессе Samsung. Он содержит до 15 ядер (24 потока на ядро, SMT-8) и поддерживает до 2 ТБ оперативной памяти на сокет. Введена поддержка технологии PowerAXON для межсоединений, а также аппаратное ускорение шифрования (AES, SHA-3). POWER10 ориентирован на гибридные облачные среды и искусственный интеллект.

Архитектура

Основные принципы

Архитектура POWER основана на RISC-принципах: фиксированная длина инструкций (32 бита), большое количество регистров общего назначения (32 целочисленных и 32 регистра с плавающей запятой), простая схема адресации. В отличие от x86, POWER использует суперскалярную обработку с возможностью выполнения нескольких инструкций за такт.

Многопоточность

Все поколения начиная с POWER5 поддерживают SMT (Simultaneous Multithreading). В POWER8 и POWER9 реализована SMT-8 (до 8 потоков на ядро), в POWER10 — SMT-8 с улучшенным управлением ресурсами. Это позволяет эффективно загружать конвейеры процессора при работе с многопоточными приложениями.

Кэш-память

Процессоры POWER имеют многоуровневую кэш-память:

• L1: 32 КБ для инструкций и 32 КБ для данных на ядро.
• L2: 512 КБ на ядро (POWER9) или 2 МБ на ядро (POWER10).
• L3: до 120 МБ (POWER9) или до 120 МБ (POWER10) с использованием eDRAM.

Система команд

Система команд POWER включает базовые операции (сложение, вычитание, умножение, деление), операции с плавающей запятой (одинарной и двойной точности), векторные инструкции (VMX/VSX) и криптографические инструкции. Начиная с POWER6 добавлена поддержка десятичной арифметики (DFP).

Программное обеспечение

Операционные системы

Основными операционными системами для серверов IBM Power являются:

• AIX (Advanced Interactive eXecutive) — проприетарная UNIX-система IBM, оптимизированная для POWER.
• IBM i — операционная система для среднего бизнеса, ранее известная как OS/400.
• Linux — поддерживаются дистрибутивы Red Hat Enterprise Linux, SUSE Linux Enterprise Server, Ubuntu Server, а также CentOS и Rocky Linux.

Гипервизоры и виртуализация

IBM Power поддерживает аппаратную виртуализацию через технологию PowerVM (ранее — Power Hypervisor). Она позволяет создавать до 1000 логических разделов (LPAR) на одном сервере. PowerVM включает поддержку динамического перемещения ресурсов (DLPAR) и миграции виртуальных машин.

Применение

Корпоративные серверы

Серверы IBM Power Systems используются в крупных корпорациях для работы с базами данных (Oracle, DB2), ERP-системами (SAP, Oracle E-Business Suite) и транзакционными системами. Благодаря высокой надёжности (до 99,999% времени безотказной работы) они применяются в банковском секторе, страховании и телекоммуникациях.

Суперкомпьютеры

Архитектура POWER лежит в основе нескольких суперкомпьютеров из списка TOP500:

• Summit (IBM Power9 + NVIDIA Volta) — 1-е место в 2018–2020 годах.
• Sierra (IBM Power9 + NVIDIA Volta) — 2-е место в 2018 году.
• Lomonosov-2 (IBM Power8) — использовался в МГУ имени М. В. Ломоносова.

Искусственный интеллект и машинное обучение

POWER9 и POWER10 поддерживают аппаратное ускорение для нейросетей через интерфейс CAPI и NVLink (для связи с GPU). IBM также предлагает библиотеки PowerAI для глубокого обучения.

Критика и ограничения

Закрытость экосистемы

До 2013 года архитектура POWER была полностью проприетарной. IBM контролировала производство, лицензирование и программное обеспечение. Это ограничивало конкуренцию и приводило к высокой стоимости решений. После создания OpenPOWER Foundation (2013) архитектура стала открытой, но на практике большинство коммерческих серверов по-прежнему производятся IBM.

Конкуренция с x86

Серверы на базе x86 (Intel Xeon, AMD EPYC) доминируют на рынке благодаря низкой стоимости и широкой совместимости с программным обеспечением. POWER сохраняет позиции в нишевых сегментах (высоконадёжные системы, большие данные), но уступает x86 по объёму продаж.

Сложность миграции

Переход на POWER с других платформ требует перекомпиляции приложений и адаптации инфраструктуры. Это создаёт барьеры для новых пользователей.

Интересные факты

• Первый процессор POWER1 (1990) содержал 800 тысяч транзисторов, а POWER10 (2021) — 18 миллиардов.
• Суперкомпьютер Summit на базе POWER9 потребляет 13 МВт электроэнергии и занимает площадь 520 м².
• В России серверы IBM Power Systems используются в «Сбербанке», «Газпроме» и РЖД.

Источники

• IBM Power Systems: Architecture and Performance (IBM Redbooks, 2020)
• OpenPOWER Foundation: Technical Specifications (2013–2024)
• TOP500 List: Summit, Sierra, Lomonosov-2 (2018–2022)
• «Архитектура POWER: от POWER1 до POWER10» (журнал «Открытые системы», 2021)
• IBM Power10: Next-Generation Processor for Hybrid Cloud (IBM, 2021)