IBM Power8处理器全解析

　　在ibm的计算大家族中，power处理器是其中 核心的一员，是 ibm 的很多服务器、工作站和超级计算机的主要处理器。不过，2010年power 7发布之后ibm便一直没有甚么大动作，反观英特尔的表演可就要热闹许多。面对intel的大军压境，ibm不拿出点真本事是不行了。在日前举行的hot chip会议上，ibm终于正式发布了新一代power 8处理器，规格强大得令人瞠目结舌，堪称蓝色巨人实力的 佳体现！
12核心96线程


　　power 8处理器搭载有12个内核，每颗核心拥有64kb的数据缓存、32kb的指令缓存以及512kb的二级缓存，包含有16个执行单元，分别是2个fxu、2个lsu、2个lu、4个fpu、2个vmx、1个crypto、1个dfu、1个cr以及1个br。[简写都给点文字解释]相比power 7系列来说，power8单线程性能 大提升60%。而且power 8超线程技术从上代产品的4-way smt提高到了8-way smt，也就说其 大能够支持96线程，即便是intel也只能对此望洋兴叹了。但是power 8所谓的smt同步多线程，并不是真正的多内核多线程，只是通过不断的状态切换，以提升内核利用率的一种方式。这样的设计在并行度很高的应用中能获得立竿见影的效果。但在数据库等应用中往往会出现性能下降。过去我们大多采用手动打开、关闭smt同步多线程的方法“因地制宜”，在power 8上，ibm引入了智能线程技术，可以根据工作负载要求进行设置不同的多线程模式，系统可以自动选择，也可以由管理员进行手动设置，这样就能在并发线程和执行效率中获得良好的平衡。
　　同时12颗核心还配备96mb的三级缓存，但power 8中三级缓存是用edram实现的，而非传统cpu中的sram。和sram相比，edram能极大地节省晶体管数量和降低芯片面积，并且提供更高的传输带宽。在96mb三级缓存中，power 8处理器的每个内核都在l3 缓存中有自己的高速本地l3缓存区，但每个内核之间，却依然能通过l3 缓存共享数据。根据ibm的资料，power 8 的96mb l3 缓存中，有一部分缓存的速度快、延迟低，提供的性能介乎于l1和l2之间，由此来确保处理器在众多内核并行工作时仍然有较好的性能。而且power7芯片取消了四级缓存，power8芯片又恢复了，支持128mb芯片外部的四级缓存，不过这l4缓存是配合内存控制器充当每个内核的数据缓存使用。


　　那么“12核心、96线程”将为power8带来多大的爆发力呢？如果结合power8单线程性能 大提升60%及smt增加规模来估算， power 8提供 大的峰值浮点运算能力将超过600gflops（注：1gflops等于每秒10亿次的浮点运算），比power 7的两倍还多，将当今市场上的一切cpu都远远的抛在身后。我们都知道，在高性能计算领域，近年来几乎所有厂商都在为万亿次计算努力。而要降低超级电脑跨入petascale的门槛，提升cpu的峰值浮点运算能力是不二的法门。nvidia、amd等图形卡制造商力挺的异构计算，虽然能够达到更高的峰值浮点运算，但在交付使用后往往需要改写大量的代码，才能完全发挥异构体系的力量。而用传统cpu架构堆砌起来的超级计算机，显然更符合ibm percs结构。从浮点运算能力来说，power 8即便面对nvidia/amd的gpu架构处理器也不遑多让。
　　
22nm soi制程
　　2010年发布的power 7处理器采用的还是45nm制造工艺，而今年的power 8处理上ibm直接跳过了30nm的阶段，使用了22nm soi工艺进行制造。相对于之前的45nm soi工艺， 22nm soi制程节点开始使用全耗尽型soi技术——fd-soi技术。这种工艺仍然基于传统的平面型晶体管结构，是另一种类似于英特尔3d晶体管的有效降低漏电的晶体管技术。与英特尔的技术不同，fd-soi技术在基底和通道之间加入了一个绝缘的氧化层，即buried oxide（box）氧化埋层，它可以保证基底上只有特定的区域可以成为电子流动的通道，有效地阻止了漏电现象。该技术可以护送传统的平面型晶体管进入14nm时代。但由于这个绝缘的氧化层的材质与硅晶圆不一样，这意味着在生产时需要一个引入氧化埋层的非传统晶圆，使得晶圆生产成本过高，不过这对于ibm而言，已经不再是问题了。倒是amd仍在22nm soi制程中摸索、还有找到其中的道道。


　　虽是22nm制程，但由于规格实在是太强大的，因此power 8核心面积依然达到了650平方毫米，相比之下，上代power 7处理器的核心面积也不过是567平方毫米而已。在主频方面power8与上代基本持平，将会保持在4ghz左右，但由于power 8拥有更多的内核、更强的并发多线程能力，所以在性能上power 7可以实现倍数的跨越。而且即便是4ghz,在英特尔、amd眼里似乎也是仍难再突破的高度——近年来一般人只看见处理器大厂amd跟intel都在拼命推广多核心，频率却游走在3.5ghz附近。实际上商用主机的领域和家用主机是不同的世界，商用主机需要更高精度的计算，更可靠的结果，还要能够承受使用者同时上线提供服务。而能够以4ghz的频率正式出货，中间经过的投资开发，研究除错， 后量产出货，付出的心血和成本也是相当大的。不过，考虑到此前power 6的主频就已经高达5ghz，“4ghz”相信并不是power8的 终频率

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