IBM POWER4

IBM POWER4 — это микропроцессорная архитектура и одноимённое семейство микропроцессоров, разработанное компанией IBM. POWER4 является четвёртым поколением архитектуры POWER (Performance Optimization With Enhanced RISC) и первым в мире коммерческим двухъядерным микропроцессором для серверов и рабочих станций. Выпущенный в 2001 году, он ознаменовал собой переход от однокристальных однопроцессорных решений к многопроцессорным системам с высокой степенью интеграции, предназначенным для корпоративных вычислений, научных расчётов и высокопроизводительных вычислительных кластеров.

История

Разработка архитектуры POWER4 началась в середине 1990-х годов в исследовательском центре IBM в Остине (штат Техас, США). Предшествующее поколение, POWER3, было однокристальным однопроцессорным решением, ориентированным на рабочие станции и серверы начального уровня. Однако к концу 1990-х годов рынок требовал повышения производительности при снижении энергопотребления и занимаемой площади. IBM решила пойти по пути интеграции нескольких ядер на одном кристалле, что позволяло повысить плотность вычислений без значительного увеличения тактовой частоты.

Первый образец процессора POWER4 был представлен в октябре 2000 года, а массовое производство началось в 2001 году. Первые коммерческие системы на базе POWER4 — серверы IBM eServer pSeries 690 (Regatta) — были анонсированы в апреле 2001 года. В последующие годы вышли модификации POWER4+ (с повышенной тактовой частотой) и POWER4-II (с улучшенным техпроцессом). Выпуск процессоров семейства POWER4 продолжался до 2004 года, когда на смену им пришла архитектура POWER5.

Архитектура и устройство

Двухъядерная структура

POWER4 стал первым коммерческим микропроцессором, в котором на одном кристалле размещались два независимых процессорных ядра. Каждое ядро было способно выполнять до четырёх инструкций за такт (суперскалярность) и поддерживало внеочередное исполнение (out-of-order execution). Ядра имели собственные кэш-память первого уровня (L1) — 32 Кбайт для инструкций и 32 Кбайт для данных. Общий кэш второго уровня (L2) объёмом 1,5 Мбайт был разделён между ядрами и работал на частоте процессора.

Кэш-память и интерфейсы

Для снижения задержек доступа к памяти процессор использовал трёхуровневую иерархию кэша:

• L1: 32 Кбайт инструкций + 32 Кбайт данных на ядро.
• L2: 1,5 Мбайт, общий для двух ядер.
• L3: внешний кэш объёмом до 32 Мбайт, реализованный на отдельных микросхемах SRAM.

Процессор поддерживал до четырёх каналов памяти DDR SDRAM (PC2100) с контроллером памяти, встроенным в системный контроллер (chipset). Для межпроцессорных соединений использовалась шина с пропускной способностью до 6,4 Гбайт/с.

Технические характеристики

• Техпроцесс: 0,18 мкм (180 нм) для POWER4, 0,13 мкм (130 нм) для POWER4+.
• Тактовая частота: от 1,0 ГГц до 1,9 ГГц (POWER4+ до 1,9 ГГц).
• Количество транзисторов: около 174 миллионов (POWER4), до 200 миллионов (POWER4+).
• Площадь кристалла: 412 мм² (POWER4), 267 мм² (POWER4+).
• Тепловыделение (TDP): от 75 до 115 Вт в зависимости от модели и частоты.
• Разрядность: 64-битная архитектура (PowerPC 64).

Многопроцессорные системы

Одной из ключевых особенностей POWER4 была возможность построения масштабируемых многопроцессорных систем без использования внешних коммутаторов. Каждый процессор содержал встроенный коммутатор (switch), позволяющий объединять до четырёх процессоров в одном модуле (MCM — Multi-Chip Module) без дополнительных чипов. Такие модули могли соединяться в кластеры, образуя системы с 8, 16, 32 и более процессорами. Максимальная конфигурация серверов pSeries 690 достигала 32 процессоров (64 ядра) в одной стойке.

Применение

Серверы и рабочие станции

Основными потребителями процессоров POWER4 стали серверы IBM eServer pSeries (позже — IBM System p) и рабочие станции IBM IntelliStation POWER. Системы на базе POWER4 использовались для:

• Высокопроизводительных вычислений (HPC) — в научных и инженерных расчётах, моделировании, симуляции.
• Корпоративных баз данных и ERP-систем (SAP, Oracle).
• Финансовых расчётов и аналитики.
• Обработки транзакций в реальном времени.

Суперкомпьютеры

Архитектура POWER4 легла в основу нескольких суперкомпьютеров, входивших в список TOP500. Например, в 2002 году суперкомпьютер ASCI White (США) на базе 8192 процессоров POWER4 (16 384 ядра) занимал первое место в рейтинге с пиковой производительностью около 12,3 Тфлопс. Другие известные системы — Blue Gene/L (на основе POWER4, но с модифицированной архитектурой) и кластеры в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (США).

Модификации

• POWER4 (2001) — базовая модель с тактовой частотой 1,0–1,3 ГГц.
• POWER4+ (2002) — улучшенная версия с частотой до 1,9 ГГц, уменьшенным техпроцессом (130 нм) и сниженным энергопотреблением.
• POWER4-II (2003) — незначительное обновление с исправлением ошибок и улучшением тепловых характеристик.

Критика и наследие

POWER4 получил высокие оценки за инновационность — двухъядерная архитектура на тот момент опережала конкурентов (Intel Xeon, AMD Opteron) на несколько лет. Однако критике подвергалась высокая стоимость систем на его основе, а также сложность программирования для многопроцессорных конфигураций. Кроме того, процессор потреблял значительное количество энергии (до 115 Вт), что в сочетании с большими размерами кристалла ограничивало его применение в компактных серверах.

Тем не менее, архитектура POWER4 заложила основы для последующих поколений POWER5, POWER6 и POWER7, которые продолжали развивать идеи многопоточности, масштабируемости и энергоэффективности. Многие решения, впервые реализованные в POWER4 (встроенный коммутатор, общий кэш L2, двухъядерность), стали стандартом для серверных процессоров в 2000-х годах.

Интересные факты

• Процессор POWER4 содержал около 174 миллионов транзисторов — больше, чем любой другой коммерческий микропроцессор на момент выпуска.
• В системах на базе POWER4 впервые в индустрии была реализована технология «виртуализации» (LPAR — Logical Partitioning) на уровне аппаратного обеспечения, позволяющая разделять один физический сервер на несколько независимых виртуальных машин.
• Название «POWER4» официально расшифровывалось как «Performance Optimization With Enhanced RISC, 4th generation», но в маркетинговых материалах IBM часто использовала аббревиатуру «POWER4» без расшифровки.

Источники

• IBM Journal of Research and Development, Vol. 46, No. 1 (2002) — «POWER4: A dual-core processor».
• «POWER4 System Microarchitecture» — IBM Technical White Paper, 2001.
• «The POWER4 Processor» — Microprocessor Report, 2001.
• «IBM eServer pSeries 690: The Regatta» — IBM Redbooks, 2002.
• TOP500 Supercomputer List (2002–2004).