| 2004 年 4 月 01 日 在最近 10 年中，IBM 在半導體領(lǐng)域實(shí)現了一個(gè)又一個(gè)的突破：銅技術(shù)，絕緣硅，硅鍺合金，應變硅和 low-k 絕緣體。所有這些技術(shù)都滋生于 IBM 肥沃的研究土壤。這種對現代芯片制造知根知底的能力并非是空穴來(lái)風(fēng)，而是來(lái)自于半導體工業(yè)中最先進(jìn)的 R & D 部門(mén)的封閉且潔凈的實(shí)驗室。 最初，每個(gè)計算機的中央處理單元（或稱(chēng)為 CPU）都是惟一的。每個(gè) CPU 都有自己的指令集，且與其他 CPU 的指令集不兼容。這種情況的變化要回溯到 1964 年引入 IBM S/360 產(chǎn)品線(xiàn)的電子管年代：突然之間，我們不需要每次新買(mǎi)一臺計算機時(shí)都丟棄原來(lái)的代碼并重新設計代碼了?，F在的 IBM 大型機依然保持著(zhù)對 1962 年這種革命性的指令集的向后兼容性。IBM 其他的 CPU 產(chǎn)品線(xiàn)也保持著(zhù)相同的兼容性。 從用戶(hù)模式來(lái)看，PowerPC? 系列處理器對應用提供了完全的兼容性：從最底層的自動(dòng)交通指示燈到功能強大的 Apple Xserve G5。另外，PowerPC 微處理器還與 IBM 的其他 RISC 處理器產(chǎn)品線(xiàn) POWER? 和 Star 共用一大組通用指令集，這樣就使得這三條產(chǎn)品線(xiàn)保持著(zhù)“近似”的兼容性。在很多情況中，這等價(jià)于二進(jìn)制兼容；在有些情況中，則意味著(zhù)需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的重編譯；不論如何，這都意味著(zhù)程序移植已經(jīng)是小菜一碟了。 IBM 的四條處理器產(chǎn)品線(xiàn) -- POWER 體系結構，PowerPC 系列的處理器，Star 系列，以及 IBM 大型機上所采用的芯片 -- 都有一個(gè)共同的祖先：IBM 801。
當時(shí)的大部分計算機，例如 IBM S/360 大型機，都有復雜的冗余指令集，我們今天稱(chēng)之為 CISC（復雜指令集計算機）。計算機的趨勢是日益小型化，而 1947 年開(kāi)始的晶體管的變革更加加劇了這一趨勢的變化。隨著(zhù)集成電路越來(lái)越小，設計人員可以利用更多的空間在芯片中實(shí)現更多指令。到 20 世紀 70 年代，芯片的復雜度已經(jīng)發(fā)展到芯片可以實(shí)現非常不可思議的事情（例如日益復雜的數字鐘表）。但是另外一個(gè)事實(shí)是芯片執行指令時(shí)需要更多的機器時(shí)間，這使得 801 項目組無(wú)法實(shí)現自己的性能指標。 IBM 的 John Cocke 在實(shí)現復雜性領(lǐng)域并不是生手，他早就從事于 IBM Stretch 計算機的研究，IBM Stretch 計算機是 IBM 704大型機的一個(gè)競爭對手，它的繼承者是 ACS （高級計算機系統）；而 704 的繼承者是 S/360，二者也是競爭對手。
他對指令集進(jìn)行了拆分，并設計了一臺只有當時(shí)同類(lèi)計算機一半電路的機器，但是其運行速度卻是同類(lèi)計算機的兩倍?？焖俚暮诵暮透俚碾娐穾?lái)的不僅僅是性能的提升，而且功耗也更少（這對于現在的很多用戶(hù)來(lái)說(shuō)都是最重要的一個(gè)問(wèn)題），成本也更低。這種體系結構稱(chēng)為 RISC（精簡(jiǎn)指令集計算機）。有些人喜歡稱(chēng) RISC 為“l(fā)oad-store”，意思是想強調 RISC 計算機只有 100 多條指令（POWER 體系結構也是如此）。其他的 RISC 計算機并沒(méi)有采用一套精簡(jiǎn)指令集，而是采用一組精簡(jiǎn)過(guò)的指令：CISC 的每條復雜指令都被拆分成更小的基本單元，然后再組合起來(lái)實(shí)現復雜指令的功能。 無(wú)論如何，CPU 中的復雜性并沒(méi)有簡(jiǎn)單地消失，而是轉嫁到編譯器中了。為了更好地實(shí)現這種功能，John Cocke 不僅成為編譯器領(lǐng)域的專(zhuān)家，而且在編譯器的優(yōu)化方面特有專(zhuān)長(cháng)。他在 RISC 和編譯器優(yōu)化方面的工作為他贏(yíng)得了很多榮譽(yù)，其中包括 1987 年的圖靈獎。 就 IBM 801 而言，它從來(lái)都沒(méi)有成為一個(gè)電話(huà)轉換器。相反，IBM 801 后來(lái)成為第一個(gè) RISC 芯片，在很多 IBM 的硬件產(chǎn)品中廣泛采用 -- 曾經(jīng)有一段時(shí)間，它作為一個(gè)微控制器和處理器甚至限制了其競爭對手 IBM 大型機的發(fā)展。 RISC 體系結構在工作站和嵌入式市場(chǎng)中很快占據了主導地位，John Cocke 之后又轉入其他項目的研究之中。在 20 世紀 80 年代，他有機會(huì )在一個(gè)后來(lái)被命名為“America”的項目中重新提煉 801 的設計，這個(gè)項目后來(lái)就成為 POWER 系列的芯片。之后的幾年中，他甚至在 PowerPC 體系結構的開(kāi)發(fā)中貢獻了很大的力量。與 801 類(lèi)似，PowerPC 也被設計成為可以在任何機器上運行的一個(gè)通用微處理器，它在從最高端到最低端的機器上都可以運行。 現在，RISC 體系結構是惟一一種最通用的 CPU，它是很多平臺的基礎：從工作站到蜂窩電話(huà)，從視頻游戲終端到超級計算機，從交通指示燈到桌面系統，從寬帶調制解調器到自動(dòng)加油站和防撞系統。甚至 x86 的制造商（他們在相當長(cháng)的一段時(shí)間內都生產(chǎn) CISC 芯片）也基于 RISC 體系結構研制了他們的第五代和第六代芯片，并將 x86 的操作碼轉換成 RISC 操作，以保持向后兼容。
801 的設計非常簡(jiǎn)單。但是由于所有的指令都必須在一個(gè)時(shí)鐘周期內完成，因此其浮點(diǎn)運算和超量計算（并行處理）能力很差。POWER 體系結構就著(zhù)重于解決這個(gè)問(wèn)題。POWER 芯片采用了 100 多條指令，是非常優(yōu)秀的一個(gè) RISC 體系結構。 以下對每種 POWER 芯片簡(jiǎn)單進(jìn)行一下介紹；更詳細的內容請參考 參考資料中的鏈接。
Star 系列芯片源自于對 PowerPC 體系結構的修改，同時(shí)還從 POWER 產(chǎn)品線(xiàn)中繼承了很多特點(diǎn)。從一開(kāi)始起，這些芯片就只針對于一種應用進(jìn)行優(yōu)化：商業(yè)應用。這種專(zhuān)用化使其在 UNIX 服務(wù)器領(lǐng)域幾乎在 10 年的時(shí)間中都牢居霸主地位。 RS64 系列將諸如分支預測、浮點(diǎn)處理以及硬件預取之類(lèi)的問(wèn)題留給其兄弟 POWER3 芯片來(lái)解決，自己則專(zhuān)注于整數運算性能和大型復雜的片上、片外緩存的處理。RS64 系列從面世以來(lái)就一直是 64 位的，2000 年在 RS64 IV 中引入了多線(xiàn)程的設計。RS64 可以在一臺機器內擴展到多達 24 個(gè)處理器，功耗則只需要每個(gè)處理器 15 瓦即可，這一點(diǎn)與其兄弟 POWER 芯片有很大的區別。 這些特性使 RS64 芯片非常適合一些系統，例如聯(lián)機事務(wù)處理（OLTP）、商業(yè)智能、企業(yè)資源計劃（ERP）以及其他一些大型的、功能強大的、具有多用戶(hù)和多任務(wù)而緩存命中率很低的系統，其中包括 Web 服務(wù)。RS64 芯片只裝備在 IBM 的 eServer iSeries（RS 系列）和 pSeries（AS 系列）服務(wù)器中。
現在，商業(yè)計算和科學(xué)計算的聚合對處理器的設計提出了一個(gè)要求：在一個(gè)處理器上解決兩方面的市場(chǎng)需求。因此 Star 系列正被全新設計的 POWER4 芯片所取代。
PowerPC 是 Apple、IBM 和摩托羅拉（Motorola）聯(lián)盟（也稱(chēng)為 AIM 聯(lián)盟）的產(chǎn)物，它基于 POWER 體系結構，但是與 POWER 又有很多的不同。例如，PowerPC 是開(kāi)放的，它既支持高端的內存模型，也支持低端的內存模型，而 POWER 芯片是高端的。最初的 PowerPC 設計也著(zhù)重于浮點(diǎn)性能和多處理能力的研究。當然，它也包含了大部分 POWER 指令。很多應用程序都能在 PowerPC 上正常工作，這可能需要重新編譯以進(jìn)行一些轉換。 盡管 IBM 和摩托羅拉分別獨自開(kāi)發(fā)了自己的芯片，但是從用戶(hù)層來(lái)講，所有的 PowerPC 處理器都運行相同的關(guān)鍵 PowerPC 指令集，這樣可以確保在之上運行的所有軟件產(chǎn)品都保持 ABI 兼容性。從 2000 年開(kāi)始，摩托羅拉和 IBM 的 PowerPC 芯片都開(kāi)始遵循 Book E 規范，這樣可以提供一些增強特性，從而使得 PowerPC 對嵌入式處理器應用（例如網(wǎng)絡(luò )和存儲設備，以及消費者設備）更具有吸引力。 除了兼容性之外，關(guān)于 PowerPC 體系結構的最大一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它是開(kāi)放的：它定義了一個(gè)指令集（ISA），并且允許任何人來(lái)設計和制造與 PowerPC 兼容的處理器；為了支持 PowerPC 而開(kāi)發(fā)的軟件模塊的源代碼都可以自由使用。最后，PowerPC 核心的精簡(jiǎn)為其他部件預留了很大的空間，從新添加緩存到協(xié)處理都是如此，這樣可以實(shí)現任意的設計復雜度。 IBM 的 4 條服務(wù)器產(chǎn)品線(xiàn)中有兩條與 Apple 計算機的桌面和服務(wù)器產(chǎn)品線(xiàn)同樣基于 PowerPC 體系結構，分別是 Nintendo GameCube 和 IBM 的“藍色基因（Blue Gene）”超級計算機。 現在，三種主要的 PowerPC 系列是嵌入式 PowerPC 400 系列以及獨立的 PowerPC 700 和 PowerPC 900 系列。由于歷史的原因，我們介紹獨立的 PowerPC 600 系列，因為它是第一個(gè) PowerPC 芯片。
雖然最初考慮用作一個(gè)桌面系統的芯片，但是 PowerPC 的低功耗使其成為嵌入式領(lǐng)域中很好的一個(gè)替代品，其高性能又對高級應用很有吸引力?，F在，PowerPC 已經(jīng)是很多東西的大腦：從視頻游戲終端、多媒體娛樂(lè )系統，到數字助手和蜂窩電話(huà)，再到基站和 PBX 開(kāi)關(guān)。我們家中的寬帶的調制解調器、hub 和路由器、自動(dòng)化子系統、打印機、復印機以及傳真中也都可以找到 PowerPC。當然，桌面系統中也會(huì )有 PowerPC。
原因之一是與其他類(lèi)型的機器相比，大型機對于 CPU 的依賴(lài)程度更少，而對于系統體系結構和 I/O 通道的依賴(lài)程度則更多。S/360 系列大型機是一個(gè)創(chuàng )新，它引入了對業(yè)界機器的兼容性的概念，現在有些磁心仍然支持當時(shí)的功能。當它在 1971 年名字換成 S/370 時(shí)，就成為業(yè)界第一個(gè)切換為芯片的大型機。當然，它們使用的是 CISC 芯片：具體地講，是具有 CISC 體系結構的二極管。大約 10 年之后，當 RISC 體系結構出現時(shí)，它又切換為 RISC 芯片，令人驚奇的是，其性能獲得了顯著(zhù)的提升。然而更重要的一次變化是采用 CMOS 來(lái)替代二極管；第一代（G1）CMOS 大型機芯片于 1985 年面世，直到 1997 年 IBM 宣布此后所有的大型機都將只配備 CMOS 而不再采用二極管。實(shí)際上不只大型機切換到了 CMOS：盡管二極管統治了早期的芯片制造世界，但是現在大部分處理器都是使用 CMOS。 那么這些 CMOS 芯片究竟是什么呢？哦，CMOS（互補金屬氧化物半導體）芯片使用金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET），顯然它是一種 FEI（場(chǎng)效應晶體管）。這是與二極管的根本區別，有關(guān)這些區別的影響的詳細信息請參閱 參考資料。 雖然二極管的速度很快，但是功耗也高，即使處于備用狀態(tài)或恒態(tài)時(shí)也是如此。相反，FET 的速度較慢，但是在恒態(tài)下根本不消耗能源。因此，對于那些需要長(cháng)期供電（而系統性能并不重要）的系統來(lái)說(shuō)，FET 才是正確的選擇。因此，當計算還很原始時(shí)，人們想出數字鐘表來(lái)就是很好的一種思路，現在是 CMOS 芯片來(lái)驅動(dòng)。它們還需要滿(mǎn)足其他需要更少功耗和并不要求太高性能的系統（例如存放個(gè)人計算機的 BIOS 信息）的要求。 這就是為什么它這么慢! 現在，二極管和 FET 之間另外一個(gè)重要的區別是拓撲結構：二極管采用的是縱向布線(xiàn)，而基于 FET 的芯片則采用橫向布線(xiàn)。因此，在基于 FET 的芯片上空間就更大。在 20 世紀 80 年代和 90 年代的早期，芯片的小型化已經(jīng)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間，可以放置更多的晶體管，從而實(shí)現遠遠高出二極管模型的性能?；?FET 的芯片還有最后一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：與臨近晶體管之間的電子干擾遠遠小于二極管。因此，盡管二極管也在進(jìn)行一場(chǎng)日益小型化的戰爭，但是每次更小一點(diǎn)時(shí)，就會(huì )加劇了電子干擾的程度，甚至到不可接受的程度；而基于 FET 的芯片則可以變得更小，甚至可以在更大的表面區域中實(shí)現更高的布線(xiàn)密度。因此，大部分最新的高級納米級的芯片都是 CMOS 芯片。 關(guān)于大型機芯片另外一個(gè)真正有意義的指標是芯片的冗余度。大型機芯片通常會(huì )將 20 或 30 甚至更多個(gè)芯片封裝在一個(gè)多芯片模型（MCM）中：其中一半用作備用芯片，以便在活動(dòng)芯片失效時(shí)立即接管這些芯片的工作。更詳細地說(shuō)，大型機會(huì )將自己接收到的每條指令都在獨立的芯片上執行兩次，并在返回結果之前對其進(jìn)行校驗。每個(gè)芯片集成 10 億個(gè)晶體管是芯片制造業(yè)中的一個(gè)里程碑，當我們達到這個(gè)水平時(shí)，可以發(fā)現這種穩定性對于消費用的處理器也同樣適用。
在最近幾年中，IBM 逐漸向外界開(kāi)始開(kāi)放自己的制造工廠(chǎng)和研發(fā)中心，這在以前是從未有過(guò)的事情。芯片用戶(hù)包括 Sony、Qualcomm 甚至 AMD。 圖 1. 薄晶片：300mm 的晶片生產(chǎn)出了更多芯片  原因之一是 IBM 在紐約的頂級 Fishkill 工廠(chǎng)。Fishkill 工廠(chǎng)如此先進(jìn)，可以生產(chǎn)幾乎所有最新的芯片：從銅 CMOS XS 到絕緣硅、硅鍺合金以及l(fā)ow-k 絕緣體，所有這些都可以在 300mm 的晶片上生產(chǎn)。Fishkill 工藝是如此先進(jìn)，以至于工人甚至無(wú)需穿“兔形套裝”，因為晶片從頭到尾都是在封閉的 FOUP 中生產(chǎn)的。最后，Fishkill 操作非常優(yōu)秀，服務(wù)器中只運行 Linux。 Fishkill 以及 IBM 的大部分其他工藝都花費了大量的時(shí)間來(lái)使用 PowerPC 核心生產(chǎn)芯片。這是因為 PowerPC 核心速度非?？?，而且非常?。ㄟ@樣可以在芯片上為定制留出更多空間）；另外一個(gè)原因是由于 PowerPC 體系結構可以與多個(gè)協(xié)處理器組合使用。這也是為什么 PowerPC 會(huì )在諸如機頂盒、游戲機和 Playstation2 視頻游戲控制臺等高度專(zhuān)用化的環(huán)境中如此成功的原因。 IBM 工廠(chǎng)也是世界上領(lǐng)先的 ASIC（專(zhuān)用集成電路）的供應商，業(yè)務(wù)范圍從可定制控制處理器（CCP，這種芯片中很大一部分設計是固定的，但是要留下足夠的空間進(jìn)行定制）到 IBM 專(zhuān)家對現有產(chǎn)品進(jìn)行裁減從而為新應用制造芯片，到對其他供應商的處理器和協(xié)處理器提供技術(shù)支持。簡(jiǎn)而言之，他們任何事都可以做。
每個(gè)芯片集成了 10 億個(gè)晶體管的芯片現在已經(jīng)不入主流，業(yè)界觀(guān)察家認為到 2010 年，芯片主頻將達到 100 GHz。 同時(shí)，我們期望看到 POWER5 和細胞超級芯片的發(fā)布，后者是由 Sony、Toshiba 和 IBM 共同開(kāi)發(fā)的。
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