多核之路(一) - 高度整合的架构
作者/vi　时间/2006-4-26 10:20:00　类别/技术 查看/
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标签：CPU
    P.A.Semi公司的PWRficient处理器在去年微处理器论坛（MPF2005）上正式揭晓。对于P.A.Semi这个名字，相信所有人都感到陌生，这家专门从事RISC处理器设计的技术型企业成立于2003年，创始者都是微处理器业界的顶尖人物。其CEO曾负责Alpha服务器芯片和StrongARM手持机芯片的开发；负责技术的副总裁科勒也曾从事Alpha芯片的开发，后来进入AMD公司帮助定义了Opteron芯片的架构；另一负责架构的副总裁皮特同样曾为Alpha架构服务，在DEC公司发生的数次并购中先后进入康柏、惠普和英特尔。在MPF2005论坛上，P.A.Semi公司对外公布其设计的双核心PWRficient处理器，高度整合的设计令外界耳目一新，并兼具低功耗和高性能两大特性。该公司同时表示，PWRficient弹性的架构可被方便扩展到八核心或用于超级计算机系统，在高端服务器领域颇具竞争力。

    在设计PWRficient之时，P.A.Semi面临的第一个问题就是指令系统的选择，X86无疑更加流行、市场更广阔，但该领域被英特尔、AMD把持，机会有限，加上X86指令系统复杂低效，与PWRficient的高端定位相悖。P.A.Semi最终选择了IBM的Power架构，这样PWRficient处理器便成为IBM Power大家族中的一个新成员。但除此之外，PWRficient与IBM的Power芯片并没有太多的共同点，它拥有一套极富弹性的架构、高度整合以及低功耗特性。PWRficient主要定位在刀片服务器和低运营成本的服务器集群，P.A.Semi公司将英特尔的Sossaman Xeon处理器（Yonah架构）作为主要的竞争对手。

    我们先来看看PWRficient的系统架构，如图1，我们可以看到，PWRficient与通常的处理器逻辑非常不同，除了CPU内核和二级缓存外，它还包括一个名为ENVIO的智能型I/O子系统。换句话说，PWRficient上包含CPU和ENVIO I/O子系统等两大逻辑，两者通过一个名为CONEXIUM Interchage的高速交换总线联结为一个有机系统。CPU部分为两个代号为PA6T的64位Power CPU内核，运行频率为2GHz。与其他双核芯片不同的是，PWRficient的每一个 PA6T内核都拥有自己的DDR2内存控制器，但两者是以相互独立的模式而非组成共享的双通道。此种设计的好处在于每个CPU内核都能拥有属于自己的内存资源，最大限度降低内存抢占的几率。每个CPU内核都可支持64位或32位模式运作，具有诸如超标量、乱序执行、三发射等技术特性。另外，PA6T内核也都直接整合了硬件级的虚拟技术支持，可以在多套系统同时运行时仍保持出色的性能。PA6T内核整合了64KB指令缓存和64KB数据缓存，而两个PA6T核心再共同分享2MB容量的二级缓存。PWRficient并没有采用类似Xeon的大缓存方案，原因就在于它的每个核心都有自己的内存，出现内存抢占的几率远低于共享总线的落后设计。

    两个PA6T核心、2MB二级缓存和两个DDR2内存控制器都是通过CONEXIUM Interchage交换总线联结为一体，如果未来有需要，也可以在这条交换总线上联结四个内核甚至八个内核。但CONEXIUM的功能不仅于此，PWRficient处理器中的ENVOI I/O子系统也是通过这套总线与CPU逻辑直接通讯。与我们通常所见的固定模式不同，ENVOI相当灵活且富有弹性，它直接整合了八个PCI Express控制器（每个控制器提供4GBps带宽）、两个10GbE网络控制器（万兆以太网）和四个GbE（千兆以太网）控制器，这三部分I/O逻辑共享24对串行传输线路。设备制造商可根据自身情况对这24对串行线路进行灵活配置，例如在NAS网络存储系统中，可以让连接磁盘系统的PCI Express传输获得更多线路资源，如果需要多端口的网络访问，那么便可以将线路资源朝向10GbE和GbE系统倾斜。这种高度弹性的架构让制造商拥有宽松的设计空间，可以根据企业的不同需要定制出最科学的服务器系统。而这种高度整合设计还有一个益处在于：无论是PCI Express系统还是网络系统，数据传输时的总线延迟都极短，进而获得卓越的数据传输效能。尽管PWRficient专门针对服务器应用，但它的设计思想对于X86产品仍然十分有借鉴意义。AMD计划在下一代处理器架构中引入类似的高度整合设计，直接内建PCI Express控制器，以提高系统的数据传输性能。事实上，整个芯片组的功能都可以被处理器所整合，这对于芯片组厂商而言显然不是什么好消息。

    除了高度整合设计外，卓越的每瓦性能也是PWRficient处理器的主要卖点之一。PWRficient的核心频率为2GHz，芯片最高能耗区区25瓦，平均运行能耗甚至仅有5W的超低水平。IBM公司将重点放在高性能的Power 5/6和游戏机领域，对低功耗芯片重视不足，PWRficient便不会与IBM的产品有什么冲突。P.A.Semi公司将英特尔Sossaman核心的低功耗型Xeon作为主要对手，尽管Sossaman基于效率出众的Yonah架构，但它的能源效率远无法同PWRficient相提并论。PWRficient 2GHz的实际性能略高于Sossaman Xeon 2.5GHz，但后者的能耗达到73瓦，整整比PWRficient高出两倍。对服务器系统而言，低功耗芯片的意义不仅在于散热更佳，最大的好处在于能够节约出可观的运营成本。P.A.Semi公司作出了详细的对比：如果要构建一套运算速度达到32TFLOPS标准的服务器集群，需要使用6400枚Sossaman Xeon处理器，连带配套芯片组、万兆网卡等组件，整套集群的能耗将达到467200瓦；而如果转用PWRficient平台，只需4000枚芯片就能够实现相同的性能，由于主要功能都被CPU直接集成，配套的芯片组也变得简单，整个集群的功耗只有92000瓦，相当于英特尔Sossaman Xeon平台的1/5，集群的空间占用、散热系统费用也更为低廉。如果选择PWRficient平台，集群系统的运营费用可以被大幅度削减，对本例的32TFLOPS集群系统而言，就是每年可节约出至少100万美元运营费用，PWRficient的优势十分明显。

    PWRficient将采用IBM的65纳米SOI工艺进行制造，P.A.Semi公司计划在下半年推出处理器样品，2007年正式上市。该芯片的主要销售对象包括服务器厂商、网络设备厂商，甚至还包括家电厂商，尤其在刀片服务器和服务器集群系统中，PWRficient具有明显的优势。但光有优秀的产品不足以说明问题，P.A.Semi只是一家小规模的技术型公司，自身没有服务器制造和推广力量，只有获得服务器厂商的支持才能够将PWRficient推向实用化。而对IBM来说，既然没有更多的精力来开发低功耗Power芯片，将P.A.Semi收归旗下不失为一个好选择。

 



图1 PWRficient处理器的逻辑架构，整合了大量的I／O功能，堪称一款SOC（片上系统）型芯片。
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