硬科技:歷史上著名的逆轉秀IBM Power5

2021.04.06 02:27PM
照片中提到了8888888、Boss、DOODOD,包含了華盛頓廣場公園、Advanced Micro Devices公司、多芯片模塊、圖形處理單元、電腦

2004年第二季,除了NVIDIA在NV40表演了一場華麗的逆轉秀,那年的夏天,在高階伺服器CPU市場更上演了一場空前絕後的「效能大屠殺」:藍色巨人IBM在7月14日發表了採用Power5(代號”Squadron”)處理器的伺服器,包括雙處理器的p5-520、四處理器的p5-550和16處理器的p5-570(當然後來又追加一堆機種,像「開放」的OpenPower 720)。

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IBM早在2003年的HotChips 15初步公開Power5的技術概要,2003年底的Microprocessor Forum發布規格細節,大家也都很清楚Power5是以Power4為基礎的延伸加強版。但世人萬萬沒想到的是:結合同時多執行緒(SMT)和大翻修後的記憶體子系統,Power5的效能表現竟然會「剌麼厲害」,把所有擂台上的競爭對手通通轟到了觀眾席。

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照片中提到了IBM's POWER5 Micro Processor Design and Methodology、POWER5、The Next Step,包含了電源5、工程、軟件、線、儀表

博學的科科一定會很好奇:1999年底披露、2001年上市的Power4(代號”Regatta”),是計算機工業史上首顆原生雙核心泛用CPU,不僅相容了IBM所有的商用RISC指令集(RS/6000、AS/400、PowerPC),也有大量個人電腦無緣一親芳澤的尖端技術,那為何Power5會如此令人感到震撼?

照片中提到了POWER4 Chip Floorplan、FPU、ISU,跟IBM公司有關,包含了電源4、屏幕截圖、顯示裝置、軟件、線

答案很簡單:因為Power4的效能表現實在有點讓人感到差強人意,並沒有替當時的IBM帶來明顯的優勢,而Power5橫空出世的好戲,也清楚告訴大家Power4的弱點究竟在哪裡,也充分彰顯了後來x86處理器的幾個重要的技術趨勢。

首先,Power5導入同時多執行緒(SMT),每個處理器核心等同於2個邏輯處理器。科科們也許會馬上反應:Intel的HyperThreading也不就這樣嗎?但IBM畢竟是那個領導計算機工業數十年的伺服器王者,做出來的東西也絕非「區區個人電腦背景」的Intel AMD所能比擬,除了在AIX作業系統可「動態」啟動關閉SMT模式,當無須第二條執行緒時,就將資源集中給單一執行緒(你的眼睛絕對沒看錯),更可藉由分配「8個」指令解碼器給2條執行緒,調控執行緒的效能優先權(你的眼睛還是沒看錯)。

相較於Intel在Pentium 4實做HyperThreading僅增加5%功能電路,為了充分提高效能,Power5比Power4整整多出了24%,如更充沛的實體暫存器檔案等等。

照片中提到了IBM's POWER5 Micro Processor Design and Methodology、Changes Going From ST to SMT Core、SMT easily added to Superscalar Micro-architecture,包含了角度、同時多線程、中央處理器、電源5、微處理器

其次,記憶體子系統更是Power5的重頭戲,L3快取記憶體控制器直通處理器核心,變相成為L2的延伸,並整合了記憶體控制器,也提昇了不同Power5晶片之間的匯流排(和多處理器延展性息息相關的快取資料一致性協定、和大型多處理器架構層面的改善項目,就不須在這裡解釋了)。2003年底Microprocessor Report那句 “Power5 Tops On Bandwidth” 標題,堪稱最好的註腳。

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照片中提到了IBM's POWER5 Micro Processor Design and Methodology、Modifications to POWER4 System Structure、P,包含了圖、IBM公司、500強、IBM POWER微處理器、電源5

照片中提到了IBM's POWER5 Micro Processor Design and Methodology、POWER4 and POWER5 Storage Hierarchy、POWER4,包含了線、產品、字形、儀表、數學

大幅縮減的L3快取與記憶體延遲,有如激增效能的威而剛。

照片中提到了存取延遲( latency)、從POWER4到POWER5的改進幅度、POWER4,包含了音樂、黑與白、線、字形、儀表

L3快取記憶體也透過多晶片封裝跟處理器包在一起,整合度更高,也精簡系統架構的複雜度。

照片中提到了IBM、Multi Chip Module (MCM) Architecture、· POWER4:,包含了圖、黑與白、線、儀表、字形

從1964年的S/360為起點的IBM大型主機,其虛擬化領域的獨門絕活,也陸續「下放」到Power體系,Power5具備微分割區(Micro-Partitioning),最多配置10個分割區,以1%為基本單位,可精細的設定每個分割區的資源比例與使用權限(別再懷疑了,你的眼睛沒有問題),可將所有運算能量都砸在刀口上,毫無一絲一毫浪費。這些看似外星科技的特性,也一直存在於IBM的高階伺服器並持續進化中。

什麼是「大型主機」?

好啦,前面扯了這麼多,那Power5到底是厲害到什麼程度?

在TPC-C公佈的測試數據,16顆雙核心Power5的p5-570,足以抗衡「64顆」Intel Itanium 2的HP Integrity SuperDome。SAP SD-2 Tier測試,8顆Power5勝過「32顆」Itanium 2和「36顆」Sun UltraSPARC IV。至於SPEC CPU,Power5一舉創下浮點項目的歷史新高,單核心效能更是Intel Itanium 2的「2倍」。更扯的還在後面,2004年11月的p5-595(32顆Power5),創下TPC-C世界紀錄,效能相當於「二、三、四名的總和」,和同級產品相比,不是人家的2倍3倍,就是4倍5倍,甚至快要6倍。

簡而言之,就是「1個核心打對方2個還有剩」的概念。同樣擁有SMT和整合記憶體控制器,IBM和Intel/AMD相比,同樣是肝藥處方,相同提煉,做法不同,成本效果也不同,斯斯保肝... 呃,總之就是天差地遠。

最後,那Power4的弱點是哪些?說穿了不外乎「佈署龐大執行單元但使用效益不佳」和「記憶體子系統不夠有力」,IBM就對症下藥,在2004年的夏天,再次確立其伺服器王者的地位。順便講一下,Power4的總工程師叫做Chuck Moore,後來跳槽到AMD主動並操刀推土機的研發... 然後?就沒有然後了。

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照片中提到了Power4、Power5、Power5,包含了角度、黑與白、線、字形、儀表

不過,想必科科們一定會好奇,像Power5這種各方面都強到誇張的高階伺服器CPU,1顆大概要多少錢?筆者只能說,當年IBM的替料維修報價,Power5都是「10000美元為基本單位」起跳,保證讓你看到連科科笑都笑不出來,也難怪IBM Power10敢用外界質疑良率不佳的Samsung 7nm製程了。科科。

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