主流RISC芯片及相关服务器产品

主流 RISC 芯片及相关服务器产品

1964 年 CDC 公司推出的 CDC 6600 是第一台超级计算机，具备了 RISC 的一些基本特征。

1976 年的 Cray-1 向量机使用了与 CDC 6600 类似的想法。

1968 年 John Cocke 在 IBM 的 San Jose 研究中心开始 ASC(Advanced Scientific Computer) 项目的研究， ASC 计划后来被取消。

1975 年， Cocke 到 IBM 的 Yorktown 研究中心开始研制 IBM 801 ， 801 是最早开始设计的 RISC 处理器，是 PowerPC 的前身。

比 801 稍晚开始的有 Patterson 在 Berkeley 的 RISC-I 及 RISC-II ， Hennessy 在 Standford 的 MIPS 项目， RISC-II 是 SPARC 的前身， MIPS 项目是 MIPS 处理器前身。

801 的项目经理 Joel Birnbaum 到 HP 创立了 PA-RISC 。

1994 年 Intel 和 HP 宣布使用相同的系统结构。

早些时候，著名的大型机制造商（如 IBM ）、超大型机生产商（如 Cray ），还有大量涌现的中小型机厂商都忙于结构复杂的高性能算法。他们为技术和商业市场提供了快速、离散逻辑、性能价格多样的复杂系统，但是没有一家涉足微处理器，而将这项技术留给了开发批量芯片产品的半导体厂商。

这种局面一直维持到 80 年代初。 70 年代末，受摩尔定律的制约，在大规模集成电路向超大规模集成电路技术的进步过程中，集成晶体管的数目持续倍增。先是出现了 16 位微处理器，接着， 80 年代中出现 32 位微处理器。

在半导体厂商和计算机厂商各行其是的时候，有人看到嫁接 PC 机性能优势和微处理器价格优势的可能性，于是创造了工作站。工作站提供了相对便宜的台式系统，可满足商业和技术市场的主要处理需求。但是，二者刚一结合，矛盾就暴露出来了，这就是基础算法结构设计和应用这些设计系统之间的矛盾。处理器是由半导体厂商设计的，而系统则由工作站公司开发，双方对芯片和系统的认识有很大的分歧。半导体厂商开发研制的 32 位芯片不能满足工作站的需求。

不久，一种新的微处理器设计思路解决了这一问题，它就是 RISC( 精简指令集计算 ) 。它的中心思想是简化硬件设计，硬件只执行很有限的一部分最常用的指令，大部分复杂的操作则使用成熟的编译技术，由简单指令合成。 RISC 出现的结果是，相对少的晶体管可设计出极快的微处理器。

自从 20 世纪 70 年代 RISC （ Reduced Instruction Set Computing ，精简指令集计算）技术推出以来，高性能微处理器设计的中心从半导体厂商转向了系统厂商。由于其优化的指令系统带来的运算速度的提高等优势，使得 RISC 技术在 80 年代后期，逐渐在高端服务器和工作站领域中取代了 CISC （ Complex Instruction Set Computing ，复杂指令集计算）成为主流的微处理器设计架构之一。随着 RISC 架构的提出，各个具备一定技术实力的厂家开始在这个架构的基础上研发出自己的处理器，经过近二十年的发展，生产芯片的厂家经历了各种分分合合，到目前为止，我们见到的主流 RISC 芯片主要有 PowerPC 、 SPARC 、 PA-RISC 、 MIPS 等，这些芯片分别由重要的服务器厂商用来作为其高端服务器产品和工作站的核心。几乎无一例外地，各种大型计算机和超级服务器都采用 RISC 架构的处理器， RISC 处理器已经逐渐成为高性能计算机的代名词，这也就是我们平时所指的 Unix 服务器阵营。下面，我们主要介绍 PowerPC 、 SPARC 、 PA-RISC 、 MIPS 几款主流 RISC 芯片以及相关的服务器产品。

PowerPC 微处理器

20 世纪 90 年代， IBM 、 Apple 和 Motorola 共同开发了 PowerPC ，这款 RISC 架构的芯片的主要特点是可伸缩性好、方便灵活。第一代 PowerPC 代号为 601 ，采用了 0.6 微米的生产工艺，晶体管的集成度接近 300 万个。 1998 年，铜芯片问世，开创了一个新的历史纪元。 2000 年， IBM 开始大批推出采用铜芯片的产品，如 RS/6000 的 X80 系列服务器产品等。铜技术的诞生使 CPU 的生产工艺达到了 0.2 微米的水平，单芯片集成度达到 2 亿，大大提高了服务器产品的运算性能。现在， 1GHz 的 Power4 处理器已经推出，该产品率先采用 0.11 微米工艺，晶体管集成度达到 1.7 亿。

PA-RISC 处理器

　　 PA-RISC 由于其简单精巧的设计和高效的指令集，使得这系列芯片的执行效率在其同档次 RISC 芯片中比较突出。 HP 9000 系列服务器产品原来采用 Motorola 680x0 系列芯片，后来，寄存器结构（ load/store ）的 PA-RISC （早期的芯片代号为 Spectrum ）的出现取代了早期的 16 位堆栈结构（ stack based ）的处理器。 1986 年， HP 发布了代号为 PA-8000 的第一款 64 位芯片，主频为 180MHz 。这款芯片在原来芯片系列的基础上增加了寄存器的个数，并实现了 5 个指令的无序处理，随后， 8500 的出现又在很大程度上打破了 HP 传统芯片的研发方式，主要是在芯片中增加 1.5Mb L1 缓存。新一代的 8700 芯片，采用 0.18 微米的制造工艺，其主频已经达到了 800MHz 以上。

　　另外， HP 和 Intel 在 IA-64 芯片方面的合作，将把 HP 在 PA-RISC 芯片研制过程中的技术转移到 IA-64 中，并采用称为 EPIC （清晰并行指令）的设计，这样， IA-64 每时钟周期可运行 20 条指令，相比之下， CISC 通常只能运行 1 到 3 条指令， RISC 一般是 4 条指令。 IA-64 芯片的各种优势将给传统的 RISC 架构芯片未来的发展带来不小的冲击。

MIPS 处理器

　　 MIPS 是出现最早的商业 RISC 架构芯片之一， 1986 年该公司推出了 R3000 处理器， 1999 年，又发布了 MIPS 32 和 MIPS 64 架构标准，为后来 MPIS 处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了所有原来 MIPS 指令集，并增加了许多更强大的功能。在 MIPS 芯片的发展过程中， SGI 公司在 1992 年收购了 MIPS 计算机公司， 1998 年， MIPS 公司又脱离了 SGI ，成为 MIPS 技术公司。 MIPS 最新的 R12000 芯片已经在 SGI 的服务器中得到应用，目前其主频最大可达 400MHz 。

　　除了以上的几种 RISC 芯片外，还有 DEC 公司从 1992 年开始推出的 Alpha 芯片，也是重要的 64 位处理器，到现阶段，最新一代应用到服务器产品的芯片代号是 Alpha21264 ， Alpha 指令比较简单、容易实现且主频较高，但是，与 PowerPC 比较起来， Alpha 不支持字节访问和分段，并且需要 10 条指令来完成一个循环，比 PowerPC 多 4 条。在 DEC 公司被 Compaq 收购之后， Alpha 芯片主要用于 Compaq 服务器和工作站产品。

SPARC 处理器

　　 1987 年， Sun 和 TI 公司合作开发了 RISC 架构的微处理器―― SPARC ，这是业界出现的第一款有可扩展性功能的微处理器。此后出现了 64 位高性能的 UltraSPARC 处理器，为 Sun 公司的工作站和服务器提供了发展原动力。 UltraSPARC 有三个满足特定需求的系列产品线，即可扩充“ s ”系列、集成“ i ”系列和嵌入式“ e ”系列。针对每一系列产品， Sun 公司不断推陈出新，致力开发和推出性能更强、性价比更好的产品。

　　 1998 年， Sun 公布了 Ultra SPARC 微处理器到 2002 年的未来发展规划， 预测产品频率的未来走向。该发展规划详细阐述了适用业界领先结构、具有二进制兼容性的未来处理器的性能情况。它还预测，到 2002 年初，第五代 UltraSPARC V 微处理器主频估计会达到 1.5GHz 。