​曾是英特爾X86的殺手,PowerPC的芯酸往事

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在晶片界,蘋果可以說是最負盛名的客戶。而做蘋果的客戶可謂是既“瑟瑟發抖”又“無限榮光”的事情。達則走向巔峰,敗則跌落谷底。蘋果近日的換芯計劃,不禁讓人聯想起2005年的PowerPC。曾經被當做是英特爾X86的殺手,受到蘋果桌上型電腦、各類消費類遊戲機、網路伺服器以及航空航天和國防應用之類的擁護首選的PowerPC處理器,經歷過高光時刻,但如今,市面上已鮮有它的身影了。PowerPC發生了什麼?又在哪裡?你還記得它嗎?

PowerPC的起源和輝煌時刻

PowerPC是AIM聯盟的產物,AIM聯盟是指蘋果,IBM和摩托羅拉。在1990年,蘋果,IBM和摩托羅拉決定實施一種新的RISC架構處理器,以適應他們未來的新硬體和軟體需求。具體而言的話,IBM需要一種將POWER變成在伺服器櫃外使用的更廣泛的計算產品的方式,摩托羅拉需要高階RISC微處理器才能在RISC市場上競爭,而Apple需要用於個人計算機的CPU,該處理器與68K都可以同時向後相容。

因此,AIM聯盟誕生了,這個聯盟一直持續到2005年左右。這個所謂的AIM小組的每個成員都做出了貢獻:蘋果將在其高階mac電腦系列中使用PowerPC,最終取代它從一開始就使用的680 * 0處理器,並且蘋果使用PowerPC CPU有近十年時間,直到2005年切換到英特爾處理器;IBM為其新的RS/6000商用計算機提供了大部分的架構;摩托羅拉在知道其68K處理器行將破產,而其新的88K系列看起來也不確定的情況下,將負責製造晶片。

Power Apple配備了G5 PowerPC CPU(圖源:蘋果)

PowerPC的根源是IBM 801,它是最早的基於RISC的處理器之一。在90年代,Power體系結構及其在大眾市場上出售的PowerPC處理器被認為是當時英特爾的殺手ers。

1993年,AIM通過以66MHz的初始速度釋出32位PowerPC 601揭開了PowerPC的序幕。601基於IBM的RISC單晶片處理器(RSC),將IBM的POWER架構與摩托羅拉開發的60x匯流排結合在一起,可與它們的88000一起使用,601被設計為從POWER架構到PowerPC架構的過渡處理器。PowerPC 601處理器通過支援大多數PowerPC和POWER指令,在POWER和PowerPC體系結構之間架起了一座橋樑。PowerPC處理器於1994年首次出貨。

第二臺PowerPC處理器是603,603與601的設計截然不同。603在設計時考慮的是低功耗,因為蘋果需要為PowerBook系列提供晶片。但603較小的16K split L1快取意味著它無法模仿遺留的68K程式碼,而68K程式碼構成了蘋果作業系統和應用程式基礎的很大一部分。因此,603被降到蘋果產品線的最低端。不過此後釋出了直到釋出了32K split快取的微調版本(603e)。603e在模擬的68K程式碼上效能更好,因此在PowerBook系列中得到了廣泛的應用。

在603e走向市場的同時,604也正在醞釀之中。604原本是蘋果的高階PPC桌上型電腦處理器,因此其功率和電晶體預算比603e高得多。真正使604與其他600系列PPC脫穎而出的另一個因素是設計其更廣泛的執行核心。憑藉更大的快取,更高的排程和釋出率,更廣泛的執行核心以及更深層次的流水線使RISC效能穩定,604可以輕鬆地與x86競爭對手保持同步。

老實說,有那麼一段時間,PowerPC獲得了巨大的成功。摩托羅拉68000系列晶片是Apple PC以及許多種類和數百萬個嵌入式控制器的核心。除了蘋果之外,索尼的PlayStation3、任天堂的Wii、Wii U、GameCube、微軟的Xbox 360和3DO M2都使用了PowerPC處理器。

但是PowerPC在計算機領域卻沒有流行起來。除了PowerMacs和一些不知名的桌面機器之外,PowerPC沒有多少落腳之地。後來,摩托羅拉將目光從桌面處理器轉向了嵌入式晶片。IBM(當它還在銷售微處理器的時候)也做了同樣的事情,生產了PowerPC 403、405和相關的低端裝置。

PowerPC漸漸淡出視線,走向開源的悲哀結局

如今,世界上最快的500臺計算機中有13臺執行的是Power處理器,PowerPC的遺產僅存在於某些IBM處理器和Freescale(從摩托羅拉剝離出來的晶片公司)的嵌入式處理器中。然而在輝煌的時候該數字曾經接近200。此後,它的主導地位一直在下降。

2005年,蘋果聯合創始人史蒂夫·喬布斯宣佈蘋果將轉向英特爾處理器。當蘋果放棄PowerPC時,其實就數量而言,他們並沒有失去大量客戶,但他們失去了最負盛名的客戶。然後遊戲機也放棄了PowerPC,而典型的嵌入式系統也放棄了。

在20世紀90年代和21世紀初,授權處理器IP可謂風靡一時,這是實現大規模採用的最可靠途徑。其實從一開始,IBM就仿效了ARM、MIPS、SPARC等架構,走了PowerPC的授權路線。但是IBM的條款太苛刻了,PowerPC許可證比MIPS或ARM的許可證貴得多。PowerPC未能在市場普及很大的原因是開放不足、IBM的高價授權費。智慧手機時代後,PowerPC 因成本問題逐漸被邊緣化。

據相關報道,IBM希望保持其許可證持有者的規模較小,以減少內部競爭。所以,最終總共有近24家公司買了PowerPC的授權許可,這聽起來很多,但其中只有少數公司生產了知名的晶片,包括Applied Micro、思科、索尼、意法半導體和東芝。早前Altera和Xilinx都提供了PowerPC風格的FPGA。而許多其他被許可方都是初創公司,他們原本希望能能趕上PowerPC的早期浪潮,但可惜PowerPC從未能稱霸市場。

據瞭解,PowerPC 聯盟曾進軍臺灣,但由於蘋果的作業系統 Mac OS 和 IBM 的作業系統 OS/2 沒有移植到 PowerPC 參考平臺(Power PC Reference Platform),軟體開發進度也嚴重延遲, PowerPC 體系的商業化發展受到嚴重限制。

後來,財團開始出來支援PowerPC的發展。先是Power.Org小組成立於2004年,不過現在已經停業。又因為當時摩爾定律的衰落,需要更強大的系統來支援HPC,人工智慧和資料分析,於是OpenPower於2013年成立。OpenPower後來被合併到Linux基金會中,與RISC-V和其他一百多個大小專案並存。通過將所有權轉讓給Linux Foundation,IBM實質上放棄了對該體系結構或至少其許可版本的控制。

但是,即使採取了正確的商業措施,PowerPC也無法獲得大家的青睞。主要有兩方面原因導致:一部分原因是早期的PowerPC晶片上市時間較晚,還有一部分原因是英特爾非常善於利用其製造技術來加快其裝置的執行速度。 其結果就是PowerPC一系列晶片比同等的x86更貴,但功能卻不及X86更弱。

2019年8月,藍色巨人IBM又決定放棄高價授權費,將引以為傲的PowerPC架構和指令集開源,從此後任何公司都可以免費使用這個架構及相關專利,並生產自己的CPU。對於ISA來說,這是一個免費的、免版權費的許可證,就像RISC-V和其他開源處理器的許可證一樣。從現在開始,您可以設計自己的PowerPC處理器,而無需先支付高額的許可證費用。

然而,與RISC-V不同的是,它沒有現成的IP核供您使用。IBM已經演示了PowerPC在Xilinx FPGA上的執行,但它在很大程度上只是一個演示,而不是一個商業實現,更多的是所謂的指導方針。

OpenPower基金會執行董事Hugh Blemings直截了當地說:“ Power架構的未來從未如此光明。” 生意興隆時,您不會將價格降為零。儘管如此,對於Power作為一種體系結構而言,這一舉動可能是一個不錯的選擇。對於全世界的設計師來說,這是一個不錯的選擇,因為他們現在有一個重要的新選擇要考慮。

從數百萬美元的許可證到免費的幾年之內。對於PowerPC及其建立者IBM而言,這無疑是一大悲哀。

PowerPC的中國故事

2005年2月28日, 資訊產業部軟體與積體電路促進中心(CSIP)與飛思卡爾半導體公司(Freescale)聯合宣佈將在北京共建CSIP-Freescale Linux系統實驗室,支援國家軟體與積體電路公共服務平臺的建設。在此次合作中,飛思卡爾和第三方合作伙伴將為該實驗室提供基於PowerPC處理器的開發板和工作站。

此後飛思卡爾半導體公司也與清華大學簽訂過許可授權協議,後者將獲權使用飛思卡爾e200z6-z3核心。飛思卡爾與中國最高學府的攜手合作也將成為推進Power架構技術在中國發展步伐的里程碑,同時清華大學也表示,今後會在飛思卡爾e200核心的基礎上研發新產品,併為學生提供Power架構技術培訓。

前文所提到的Power.org聯盟成立之初,除了Freescale、Cadence、Synopsys等電子設計領域的著名廠商外,也有中國企業的身影,上海貝嶺股份就是其中一家。此後蘇州國芯、華芯飛也成為該組織的成員。不過相關的晶片成品並不多,僅蘇州國芯有較多的成果。

蘇州國芯科技股份有限公司成立於2001年,2001年在資訊產業部指導下蘇州國芯接受摩托羅拉先進水平的低功耗、高效能32位RISC嵌入式CPU M*Core 技術及設計方法,2010年又接收了IBM較先進的PowerPC技術。根據IBM和蘇州國芯科技的技術轉移協議,IBM同意將 PowerPC嵌入式CPU的技術轉移給中國,這也是IBM第一次將 PowerPC技術正式許可給中國企業使用,並且中國企業可以在此基礎上開展創新研究和開發,技術成果歸中國企業所有。

基於PowerPC的指令集和架構開發高階嵌入式C*Core CPU,蘇州國芯以此為高起點,經過多年的開發與自主創新,公司成功開發了C0、C200、C300、C400、C2000、C8000、C9000等7個系列43款高效能嵌入式CPU系列。基於C*Core核心已有80多款SoC晶片完成設計,並在SMIC、HHNEC、聯電/和艦、巨集力和TSMC等工藝線上驗證及生產。基於C*Core CPU及設計平臺的系列技術廣泛應用於在資訊保安、智慧電網、金融安全、電子政務、工業控制、辦公自動化等領域。2018年有超過億顆內嵌 C*Core CPU 的 SoC 晶片獲得量產應用。

再就是成立於2013年的蘇州中晟巨集芯資訊科技有限公司(下稱“中晟巨集芯”),其員工主要來自中科院計算所和IBM,2014年中晟巨集芯在工信部電子司和蘇州政府的扶持下,加入IBM發起的OpenPOWER基金會,獲得IBM POWER CPU的授權,並且得到了IBM、中科院計算所提供的技術支援。並在2015年6月釋出了第一款IBM授權POWER架構的伺服器晶片產品CP1。

2016年6月,中晟巨集芯宣佈又拿到了IBM伺服器處理器晶片POWER 8晶片架構和指令系統的永久授權,並可以基於該晶片進行自主創新。中晟巨集芯董事長鄭茳此前曾表示,引進Power 8之後,需要結合政府部門要求和廠商遷移需求重新設計中國自主標準的安全模組。初期在掌握原始碼的基礎上學習IBM技術,做出可控晶片,後期則在IBM幫助下自主定義晶片結構。當時IBM做出了很大的讓步,為了符合中國政府在安全方面的監管要求,IBM甚至同意中晟巨集芯可以刪除POWER 8的安全模組,更換為國產的安全模組系統。

後記:

回看PowerPC的發展,尤其是在進入國內的這些年,他們扮演了一個非常重要的角色,這是當前包括RISC-V在內的很多架構所不能比擬的。在本文中,我們只是粗淺談了一下PowerPC的前世今生。接下來,我們將對PowerPC的中國發展進行更深入的溯源報道,歡迎知情者在文章下面留言,為我們的文章提供支援,一起記錄下這段永遠不應該被磨滅的歷史。

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