Технология PowerPC

RISC-процессор AS/400 для коммерческих расчетов

В 1990 году была разработана новая архитектура RISC-процессора для будущих моделей AS/400. Первоначальная архитектура процессора, получившая неуклюжее название Internal Microprogrammed Interface (IMPI)^{7Я дал это имя внутреннему интерфейсу System/38 в середине 70х, предполагая, что оно будет изменено перед объявлением системы. Этого не случилось, и сразу же возникла терминологическая путаница: стали говорить об "интерфейсе IMPI". Между тем, понятие "интерфейс" в данном контексте, конечно же, избыточно. Кстати, и с MI ѕ та же проблема. Затем однажды кто-то решил, что последнее "i" в IMPI должно расшифровываться как "instruction". Это тоже не корректно, поскольку мы говорим об инструкциях IMPI. Наконец, поступали предложения выбросить последнюю "i", чтобы устранить дублирование. Тогда оказалось, что IMP не имеет смысла и вызывает в воображении картину маленького шаловливого демона внутри системы. Так могло продолжаться долго, но слава Богу, переход на PowerPC наконец-то решил проблему названия.} была разработана в середине 70-х для System/38 и предназначалась для поддержки интерактивных коммерческих систем обработки транзакций.

IMPI была преимущественно архитектурой память-память. С помощью одной команды данные могли быть выбраны из памяти, изменены процессором и записаны обратно. Обычно, интерактивные приложения обработки транзакций перемещают много данных, но изменяют лишь их малую часть. Рассмотрим типичную операцию обновления инвентарной описи.

Пользователь делает заказ по телефону. Наше приложение должно обновлять инвентарную запись для каждой проданной им единицы товара. Инвентарная запись выбирается из памяти, или, что вероятнее всего, с диска. Размер заказа сравнивается с полем количества в записи, и если это количество достаточно, то оно уменьшается на число проданных единиц товара. Наконец, обновленная запись помещается обратно в память, и к ней может обратиться другой пользователь системы.

Описанная операция может считаться отдельной транзакцией, или быть частью более крупной транзакции. В любом случае, мы имеем дело с обработкой транзакций. Кроме того, данное приложение интерактивно, так как им управляет человек за терминалом (приемщик заказа). Этому человеку исключительно важно получить ответ быстро. Следовательно, для создания интерактивной системы обработки транзакций абсолютно необходим процессор, который в состоянии перемещать большие объемы данных и выполнять операции в короткое время. AS/400 отлично подходит для приложений такого типа.

На протяжении многих лет мы исследовали тысячи коммерческих приложений, написанных для AS/400 и других многопользовательских систем Рочестера. Все они имеют ряд общих характеристик. Рассмотрим некоторые из них.

• Возможность поддерживать параллельную работу сотен и даже тысяч пользователей.
• Длинные последовательные цепочки команд, причем большая часть длины такой цепочки приходится на код операционной системы, а не приложения. Приложения выполняют множество обращений к операционной системе за различными видами обслуживания, например, для ввода-вывода.
• Адресация структур данных в AS/400 выполняется посредством указателей, что требует использования целочисленной арифметики для обновления адресов.
• При обработке данных используются, в основном, строковые или целочисленные сравнения, обновления и вставки. Арифметика с плавающей точкой используется редко.
• Циклы в приложениях для AS/400 встречаются реже, а нециклические переходы чаще, чем в приложениях для научных расчетов.
• Обрабатываемые данные разбросаны по большому объему дискового пространства. Объем данных, выбираемых за одно обращение к диску, относительно невелик, а последовательные обращения с большой вероятностью будут обращены к разным дискам.

Сравним приложение данного типа с типичным приложением для инженерных или научных расчетов, выполняемом на специализированной рабочей станции. Последние часто называют вычислительными (compute-intensive), так как они выполняют большие объемы вычислений с относительно малыми объемами данных. Обычно, такие приложения имеют малые рабочие наборы команд с большим числом компактных циклов вычислений с плавающей точкой. Ввод-вывод в них чаще последовательный, а не прямой. Сеймур Крей показал, что для приложений такого типа наилучшим будет процессор, который обрабатывает данные только в регистрах, как RISC-процессоры.

Коммерческие приложения по-прежнему преобладают, среди программ, написанных для AS/400. Но появляется все больше высокопроизводительных вычислитель ных приложений, что связано с переходом к модели клиент-сервер. В этой модели приложение разбивается между ПК или сетевым компьютером СК ( клиент ) и AS/400 ( сервер ). Серверные приложения ориентированы на увеличение числа операций, по сравнению с интерактивными приложениями. Приложения будущего, вероятно, потребуют еще большей вычислительной мощности.

С момента своего появления архитектура IMPI неоднократно расширялась и модифицировалась. Но даже и с учетом этих изменений ее нельзя признать подходящей для выполнения большого объема вычислений. Большинству специалистов в Рочестере было ясно, что для удовлетворения будущих потребностей в вычислительной мощности необходимо введение характеристик RISC-процессора.

Итак, в 1990 году мы начали проект по добавлению к IMPI свойств RISC. Сначала мы хотели использовать процессор от RS/6000, но быстро отказались от этой мысли. Архитектура POWER была разработана для технических расчетов. Ей недоставало ряда характеристик, необходимых для выполнения коммерческих вычислений. Кроме того, она не могла обрабатывать большие объемы данных с требуемой эффективностью.

В то время RISC-процессоры были, как правило, 32-разрядными (то есть ширина трактов данных и регистров процессора равна всего лишь 32 битам). Большинство имело и 64-разрядные регистры с плавающей точкой, но целочисленные регистры — те, которые используются для коммерческих расчетов, — имели только 32 разряда. А так как RISC-процессор перед обработкой данных должен сначала загрузить их в свои регистры, то при больших объемах данных 32-разрядная ширина быстро становится недостатком. Архитектуры CISC, такие как IMPI, могут выполнять команды память-память, обрабатывая данные без загрузки их в регистры, таким образом, это узкое место здесь фактически обходится.

Приняв во внимание эти соображения, мы решили, что для нашего будущего компьютера необходим полностью 64-разрядный процессор. Дополнительно на нас влияло то, что ширина адреса в AS/400 равна 48 битам, и этот адрес невозможно втиснуть в 32-разрядный регистр. 64-разрядный процессор позволял нам расширить адрес, используемый в IMPI, с 48 до 64 бит. Наши расчеты показывали, что в будущем, по мере того как системы AS/400 будут становиться все больше и больше, настанет момент, когда потребуется больший размер адреса.

Нельзя было не брать во внимание и объем микрокода, который пришлось бы изменить. Начав с IMPI, мы смогли бы минимизировать эти изменения.

Итак, было принято решение: взять IMPI, расширить его до 64 бит и добавить вычислительные операции, присущие RISC. Нам предстояло создать первый гибридный процессор CISC/RISC, предназначенный исключительно для коммерческих вычислений. Мы назвали его C-RISC — "Commercial-RISC".

Технология PowerPC для AS/400

Президентом IBM в 1991 году был Джек Кюлер (Jack Kuehler). Он привел IBM к соглашению с Apple и Motorola о создании микропроцессоров PowerPC. Джек Кюлер считал, что к концу десятилетия все компьютеры, от самых маленьких, умещающихся на ладони, до суперЭВМ будут использовать RISC-процессоры. Он также полагал, что компании, создающие такие микропроцессоры, можно будет пересчитать по пальцам одной руки, и был твердо уверен, что альянс PowerPC станет одной из таких выживших фирм.

Специалисты Рочестера знали, о чем говорят. Они понимали как делать процессоры для коммерческих вычислений, и чем эти процессоры отличались от предназначенных для технических расчетов. И все же Кюлер настоял, чтобы через 90 дней мы вернулись к нему с ответами на два вопроса: "Как изменить архитектуру PowerPC, чтобы она подошла для AS/400?" и "Сколько будет стоить перевод AS/400 на эту новую архитектуру?". Тем самым Кюлер дал нам возможность влиять на проект PowerPC. Он также изъявил желание финансировать любые дополнительные расходы, связанные с переходом на новый процессор.

В начале апреля 1991 года я возглавил группу из 10 человек, которая должна была дать ответ на оба эти вопроса. Кюлер также дал указание главе IBM Research, отвечавшему за согласование архитектуры PowerPC с Apple и Motorola, работать в тесном контакте с нами. Кроме того, наши инженеры тесно сотрудничали со своими коллегами из Остина.

Успех проекта во многом зависел от рочестерской команды, чьи инженеры были в числе самых лучших. Задача была не из легких. Сначала казалось, что требования AS/400 прямо противоположны задачам PowerPC. Затем возникло ощущение, что в результате слияния этих двух архитектур Рочестер лишится возможности создавать процессоры, оптимизированные для коммерческих расчетов. Нечего и говорить, как горячи были споры!

Было решено начать с архитектуры PowerPC в том виде, как она была определена на тот момент. К ней следовало добавить расширения, необходимые для AS/400. В результате должно было получиться нечто новое, заранее названное, в отличие от базовой архитектуры PowerPC, Amazon.

Архитектура PowerPC должна была работать как в 32-разрядном, так и в 64-разрядном режимах. Все 64-разрядные версии PowerPC должны были иметь и 32-разрядное подмножество. Мы сосредоточились только на 64-разрядном режиме, практически не изменив 32-разрядное подмножество.

По мере разработки новой архитектуры мы могли предварительно оценить ее стоимость. Работа велась напряженно и была завершена за 90 дней, но результаты не слишком впечатляли.

Многие из необходимых нам архитектурных изменений было бы трудно внести в ранние версии процессоров PowerPC, разработанные в Сомерсете. Процессоры поздних моделей AS/400 должны были обрабатывать очень большие объемы данных, и для нужной производительности требовались очень широкие шины данных. Мы даже не пытались ничего добавлять в конструкции процессоров PowerPC 601, 603 или 604, так как они поддерживали только 32-разрядный режим. Было также крайне сомнительно, сможем ли мы усовершенствовать первый разработанный в Сомерсете 64-разрядный процессор (его окончательное название ѕ 620), так как плотность упаковки элементов на этом кристалле была недостаточна для того, чтобы сделать его подходящим для наших моделей — пришлось бы разработать многокристальную версию архитектуры.

Даже в отношении младших моделей AS/400 у нас не было полной ясности. Некоторое время мы предполагали применить усовершенствованный вариант 620, который мы назвали 621, но в конце концов решили, что проще всего разрабатывать процессоры для AS/400 внутри IBM.

Одновременно с нами разработчики RS/6000 также пришли к заключению, что не смогут использовать ранние версии процессоров PowerPC в своих старших моделях. Для младших моделей подходил однокристальный процессор разработанный в Сомерсете, но для более высокопроизводительных моделей требовался многокристальный процессор. Кроме того, наши коллеги хотели включить в свой проект некоторые коммерчески выгодные возможности технических вычислений, а именно, NIC (numerically intensive computing), большинство из которых отсутствуют в обычном PowerPC. Также было добавлено больше конвейеров и новые вычислительные команды. Созданное в результате расширение первоначальной архитектуры POWER получило название POWER2.

Впервые процессоры архитектуры POWER2 были применены в RS/6000 в 1993 году. Они также использовались в RS/6000 Scalable POWERparallel System (RS/6000 SP). Последняя система ознаменовала выход IBM на рынок компьютеров параллельных вычислений. В RS/6000 SP может работать параллельно много таких процессоров. Параллельные машины очень хороши для ряда научно-технических и некоторых коммерческих приложений, например, для просмотра больших баз данных.

Первоначально архитекторы AS/400 и RS/6000 хотели добиться общей конструкции процессоров, решив включить в архитектуру Amazon все необходимые для них расширения. Мы планировали создать один процессор, который мог бы поддерживать специфические требования обеих систем.

У первого общего процессора PowerPC, предназначенного как для AS/400, так и для RS/6000, было несколько названий. Разработчики RS/6000 часто называли его POWER3, или PowerPC 630. Мы дали ему внутреннее имя Belatrix. Беллатрикс - это звезда в созвездии Ориона. Немногие знают, что ее называют также звездой Амазонки (Amazon Star). Belatrix должен был стать звездой архитектуры Amazon.

Как и многие предыдущие проекты, проект Belatrix был слишком амбициозным и всеохватывающим и не имел успеха. Мы решили, что целесообразнее иметь несколько версий процессоров PowerPC, оптимизированных для разных вычислительных сред. Каждый процессор PowerPC должен был реализовывать базовый набор команд и функций, а также поддерживать необязательные расширения.

Рочестер должен был сделать первые процессоры PowerPC применимыми для коммерческих задач. Первоначально они предназначались исключительно для AS/400. Позже было принято решение: начиная с 1997 года использовать новое поколение 64-разрядных процессоров PowerPC, разработанных в Рочестере, и для RS/6000.

После прекращения работ над Belatrix в Остине начали разработку новой версии 630 — 64-разрядного процессора PowerPC, который должен был обеспечить вычислительную производительность, необходимую для будущих систем. Мы в Рочестере также стали разрабатывать свою версию Belatrix, которая предназначалась для серии AS/400 1998 года. Так как Belatrix назван по имени звезды, а Миннесота известна как штат Серверной звезды (North Star), то мы назвали новый процессор Northstar^{8Это кодовое имя использовалось нами не впервые. Перед объявлением в 1975 году System/32 также называлась системой North Star. На этот раз, мы предпочли название, состоящее из одного слова.}.

В области программного обеспечения ситуация с PowerPC была гораздо хуже, по сравнению с тем, что мы обещали Кюлеру. Все прикладное и системное программное обеспечение, работавшее поверх MI, было защищено благодаря независимой от технологии архитектуре AS/400. Однако, поскольку PowerPC сильно отличается от IMPI, то микрокод, расположенный ниже MI, было необходимо переделать под новый процессор. Это нелегкая задача, несмотря на то, что часть ее можно было осуществить с помощью автоматизированных средств. Между тем наши программисты должны были заниматься выпуском новых версий AS/400. Мы подсчитали, что для работы с RISC-процессором потребуется нанять несколько сотен новых системных программистов.

Наконец, мы были ограничены по времени. Первоначально планировалось выпустить новые процессоры C-RISC в середине 1994 года, мы уже мечтали о них для Advanced Series. При использовании PowerPC нам пришлось бы изменить планы и передвинуть выпуск RISC-процессоров на 1995 год - именно столько времени потребовалось бы для разработки нужных расширений и переписывания внутреннего кода. Пришлось бы оснащать Advanced Series процессорами IMPI и обеспечить возможность их модернизации процессорами PowerPC, когда последние будут готовы.

В начале июля 1991 года мы вновь нанесли визит Джеку Кюлеру. Большинство из нас полагали, что он поблагодарит за проделанную работу, сделает вывод, что переход на процессор PowerPC будет слишком дорогим и отправит обратно заниматься созданием C-RISC. Но Кюлер ничего такого не сделал. Вместо этого он попросил нас ускорить работу и предоставил необходимые для этого ресурсы. Так, внезапно для нас, пришлось полностью изменить направление работ над Advanced Series как в области аппаратного, так и программного обеспечения.

В конце июля мы завершили реорганизацию лаборатории для работы над новой системой. Ответственность за разработку новой модели процессора, названной Muskie, была возложена на Рочестер. Этот многокристальный процессор был предназначен для коммерческих вычислений на очень больших компьютерах. Разработка младших моделей серии AS/400 была переведена в лабораторию IBM в Эндикотте. Эта линия получила наименование Cobra, и ее процессоры должны были быть однокристальными и полностью 64-разрядными.

Как уже упоминалось, первоначально мы планировали только 64-разрядный режим процессора. В конце концов, AS/400 не использует 32-разрядный режим, да и никто более не собирался использовать ранние 32-разрядные процессоры, так что реализовывать эту архитектуру в полном объеме, как нам казалось, не имело смысла. Но примерно через год, когда стало ясно, что AS/400 необходимо поддерживать все прикладное программное обеспечение, написанное для процессоров PowerPC, это решение было изменено. Поскольку большая часть таких программ написана для 32-разрядных процессоров, то и нам пришлось включить во все свои процессоры 32-разрядное подмножество. Это также должно было обеспечить возможность использовать наши новые PowerPC на других системах IBM.

Одновременно активизировалась работа по переносу микрокода AS/400 на новые процессоры. Это была возможность ревизии внутренностей операционной системы AS/400, чего не делалось с момента разработки System/38. Поскольку мы собирались перекраивать самые основы, то было решено идти до конца и использовать новейшие объектно-ориентированные методологии программирования. Мы планировали получить самую современную операционную систему.

Прежде чем перейти к более подробному рассмотрению архитектуры PowerPC, хочу напомнить о нашей "перечной" системе рейтинга. Оставшаяся часть этой лекции — лишь для тех, кому нужны дополнительные подробности. Обратите внимание, что когда мы начнем обсуждение реализации процессора, материал станет еще "острее". Если "попробовав этой информации Вы найдете ее "чересчур", просто пролистайте книгу, пока не дойдете до тех разделов, где меньше специй.