PowerPC G4

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 13:38, 2 июня 2017.
iBook G4
Emac.jpg
iBook G4 (12 inch)
Разработчики: Apple Computer
Выпущена: October 22, 2003
Веб-сайт {{#property:P856}}

PowerPC G4 — обозначение, используемое в Apple Computers для описания четвертого поколения 32-битных микропроцессоров PowerPC. Применяется к различным (хотя и тесно связанным) моделям процессора Freescale, бывшего частью Motorola [Источник 1] .

Компьютеры Macintosh, такие как ноутбуки PowerBook G4 и iBook G4, а также персональные компьютеры Power Mac G4 и Power Mac G4 Cube взяли своё название от процессора. PowerPC G4 был также использован в eMac, первом поколении Xserves, первом поколении Mac Mini, а также в iMac до введения PowerPC 970.

Компания Apple полностью прекратила серию G4 для настольных моделей после того, как в качестве основы для своей PowerPC G5 был выбран 64-разрядный процессор PowerPC 970 производства IBM . Последней моделью, использовавшей G4, был Mac Mini, который теперь поставляется с процессором Intel. PowerBook G4 был заменен на MacBook Pro на основе Intel.

Процессоры PowerPC G4 также популярны и в других компьютерных системах, таких как Amiga, Pegasos или Genesi. Помимо настольных компьютеров, PowerPC G4 популярен во встраиваемых средах, таких как маршрутизаторы, телекоммуникационные коммутаторы, изображения, медиа-обработка, авионика, а также применяется в войсках, где пользуются возможностями AltiVec и SMP.

PowerPC

PowerPC (или сокращённо PPC) — микропроцессорная RISC-архитектура, созданная в 1991 году альянсом компаний Apple, IBM и Motorola, известным как AIM.

История PowerPC

История PowerPC начинается с прототипа микросхемы 801, созданного в IBM в конце 1970-х на основе идей Джона Кока о RISC-архитектуре. Далее она была продолжена 16-регистровым дизайном IBM RT-PC (англ.) в 1980-х годах, который в дальнейшем развился в архитектуру POWER, представленную RS/6000 в начале 1990-х. Дизайн POWER был основан на архитектуре предшествующих RISC-процессоров, таких как IBM 801, и архитектуре MIPS. Настоящий микропроцессор POWER, одно из первых суперскалярных воплощений архитектуры RISC, был высокопроизводительным и многоядерным. В IBM скоро поняли, что им требуется одночиповый дизайн, в котором не были бы воплощены некоторые инструкции POWER, чтобы линия процессоров RS/6000 включала решения всех уровней производительности, и работа над одночиповым микропроцессором POWER началась.

IBM предложила Apple сотрудничество в разработке семейства одночиповых процессоров, основанных на архитектуре POWER. Вскоре после этого Apple, как один из крупнейших заказчиков микропроцессоров класса настольных систем Motorola, попросила Motorola присоединиться к этому сотрудничеству. Apple считала, что Motorola, с её длинной историей работы с Apple, будет способна производить большее количество микропроцессоров, чем IBM. Этот тройственный союз стал известен как AIM, по первым буквам Apple, IBM, Motorola.

Для Motorola вступление в этот союз было чрезвычайно выгодным. Это позволяло им продавать хорошо протестированный и мощный RISC-процессор, не тратя денег на его разработку. У них также был крупный покупатель этих процессоров — Apple, и ещё один — потенциальный — в лице IBM, которая могла бы не производить свои младшие версии POWER, а покупать их у Motorola.

У Motorola уже был собственный RISC-процессор, 88000 (англ.), продававшийся чрезвычайно плохо. Одной из причин его провала была плохая совместимость с предыдущей версией, популярной серией 68000, также использовавшейся в компьютерах Apple Macintosh. Основной же причиной была задержка вывода на рынок из-за проблем с разработкой и изготовлением, из-за чего Motorola упустила возможность успешно конкурировать с другими производителями.

Тем не менее, производство 88000 уже началось, и Data General продавал компьютеры на основе 88k. У Apple уже был работающий прототип компьютера с 88k. Было решено сделать новый одночиповый POWER-процессор совместимым по шине с 88000, что позволило бы Apple и Motorola начать продавать машины намного быстрее, не занимаясь переделкой материнских плат.

В результате сочетания всех этих требований появилась спецификация PowerPC (Performance Computing). В выигрыше были все:

  • IBM практически бесплатно получила желанный одночиповый процессор;
  • Apple получила один из самых мощных RISC-процессоров на рынке, а заодно бесплатную рекламу в виде имени IBM в публикациях;
  • Motorola бесплатно получила современный чип RISC, помощь в дизайне которого оказывала ей IBM, и возможность продавать его множеству компаний — включая Apple и IBM.

Т.е. со слов автора никто не потратил денег, а все получили все бесплатно [Источник 2] .

Основы архетиктуры PowerPC

PowerPC спроектирован в соответствии с принципами RISC, в рамках концепции возможна суперскалярная реализация. Существуют версии дизайна как для 32-, так и для 64-разрядных вариантов. Помимо базовых спецификаций POWER, PowerPC обладает:

  • возможностью, отсутствующей в PowerPC G5, работать в двух режимах — big-endian и little-endian, переключаясь между режимами во время вычислений;
  • однопроходными формами некоторых инструкций для вычислений с плавающей запятой, в добавление к двухпроходным;
  • дополнительными инструкциями для вычислений с плавающей запятой, разработанными Кейтом Дифендорфом из Apple;
  • обратной совместимостью с 32-разрядным режимом в 64-разрядных версиях;
  • отсутствием некоторых особо специфических команд POWER, некоторые из которых могут эмулироваться операционной системой, если понадобятся.

iBook

iBook — модельный ряд портативных компьютеров Apple на базе процессоров PowerPC, выпускавшаяся c 1999 года и заменённая на MacBook x86 в 2006-м. iBook G3 Clamshell, выпущенный в 1999 году, отличался от конкурирующих моделей броским дизайном и поддержкой WiFi (при помощи платы расширения AirPort) [Источник 3] .

iBooks G4

Apple добавила чип архитектуры PowerPC G4 в линейке ibook от 23 октября 2003 года, и в конце концов использовать Apple чипа Процессор G3. С щелевой загрузкой Оптический привод заменен на лоток для диска. Ноутбук ibook G4 также имеет непрозрачный белый чехол, отделку и клавиатуру и дисплей на пластиковом шарнире.

PowerPC 7400

PowerPC 7400 был представлен миру в августе 1999 года и стал первым процессором, который получил клеймо "G4". Процессор разрабатывался альянсом AIM , основные разработки велись компанией Motorola в тесном сотрудничестве с IBM. По задумке, производить процессор должна была IBM, но они отказались, в итоге производством процессора занималась Motorola. Motorola обещала Apple, что процессор PPC7400 будет работать на частоте 500МГц , однако в связи с некоторыми трудностями удалось предоставить лишь 450МГц. Apple пришлось резко изменить характеристики своих будущих Маков и отозвать большую часть своей рекламы, что привело к резкому охлаждению отношений между Motorola и Apple и заставило последнюю обратить свои просьбы к IBM. В итоге 500МГц модель была произведена в феврале 2000 года. Power PC 7400 работал на частотах от 350МГц до 500МГц, в зависимости от модели. Так же процессор содержал модуль AltiVec, и, помимо этого, обладал суперскалярностью, что сильно повышало его производительность на фоне моделей от Intel. Помимо всего этого, у процессора была достаточно высокая поддержка симметричной мультипроцессорности. Использовался в PowerMac G4 [Источник 4] .

PowerPC 7410

PowerPC 7410 "Nitro"-это маломощная версия 7400, но он был изготовлен на 180 мм вместо 200 мм. Как и версмя 7400, имеет 10,5 млн транзисторов. Он дебютировал в ноутбуке powerbook G4 9 января 2001 года.

Чип добавил возможность использовать всю или половину своего кэша, как высокоскоростной, и по желанию без кэширования памяти физического процессора в адресное пространство. Эта функция используется встроенными поставщиков систем, таких как компьютерные системы Меркурий.

PowerPC 7450

PowerPC 7450 — последняя модель четвертого поколения (G4) микропроцессоров PowerPC — обещает намного более высокие значения тактовой частоты и общей производительности по сравнению с предшественниками.

Похоже, Motorola удалось обеспечить бесперебойный выпуск новых процессоров. С прежними PowerPC проблемы начались осенью 1999 года, когда компания не справилась с поставками 500-МГц PowerPC 7400 из-за конструктивных ошибок. Вплоть до января 2000 года продолжался выпуск более низкочастотных версий микрочипов.

По словам генерального менеджера отделения Motorola Computing Platform Брайана Уилка (Brian Wilke), новые микропроцессоры производятся с декабря 2000-го года и поставляются во всех четырех версиях. «Главная трудность при выпуске по-настоящему успешного продукта заключается в том, чтобы быстро обеспечить достаточный объем производства, — говорит он. — По-моему, в данном случае нам это удалось» [Источник 5] .

Новая архитектура

Несмотря на близкий к Power PC 7400 номер модели, процессор 7450 имеет принципиально новую архитектуру. Он рассчитан на более высокую тактовую частоту и снабжен целым рядом механизмов повышения производительности. Наиболее важной конструктивной особенностью 7450 является удлиненный конвейер. В нем семь ступеней — вместо четырех в PowerPC 7400. Это позволило компании сразу повысить тактовую частоту процессора на 233 МГц. Микрочип поставляется в четырех версиях с тактовой частотой от 466 до 733 МГц. Сейчас Apple принимает заказы на «Макинтоши» с процессорами PowerPC 7450 466 МГц и 533 МГц.

Однако, способствуя повышению тактовой частоты, длина конвейера может отрицательно сказаться на общей производительности кристалла. «Безусловно, такое влияние имеет место, — говорит Уилк. — Но даже при этих значениях тактовой частоты конвейер нашего процессора остается гораздо более коротким, чем у конкурентов». Длина конвейера Intel Pentium III — 10 ступеней, а у Pentium 4 она еще вдвое больше. В результате на обычных приложениях повышение производительности почти незаметно; оно проявляется лишь на некоторых мультимедийных задачах. «Чем больше ступеней, тем выше вероятность задержек при выполнении операций, — поясняет главный аналитик Mercury Research Майк Фейбус (Mike Feibus). — Но можно добиться и обратного эффекта, как это удалось AMD. К процессору Athlon в плане производительности нет никаких претензий».

Motorola встроила в новый процессор кэш L2 емкостью 256 Кбайт и увеличила пропускную способность внешней шины до 133 МГц, что вдвое выше, чем у предшественников. Кроме того, компания удвоила число мультимедийных инструкций AltiVec, выполняемых четырьмя механизмами AltiVec за один такт: с одной инструкции до двух.

PowerPC MPC 7447 и MPC 7457

10 февраля 2003, Motorola объявила о давно ожидаемом начале поставок образцов процессоров MPC7447 и MPC7457, которые сама компания позиционирует как экономичные производительные и предназначает прежде всего для использования во встраиваемых приложениях, сетевых и телекоммуникационных устройствах. Новые чипы продолжают линейку PowerPC G4, так что все преимущества этого семейства (и в первую очередь хорошо зарекомендовавший себя SIMD-модуль AltiVec) сохраняются. Более того, с процессорами предыдущих версий (MPC7445 и MPC7455) обеспечивается и совместимость по выводам. MPC745x отличаются от MPC744x наличием встроенного контроллера внешней кэш-памяти третьего уровня, ее объем может составлять 1 или 2 Мб. Как и ранее, выпускаются не только “производительные”, но и “экономичные” версии чипов, напряжение питания которых несколько понижено, что приводит к значительному уменьшению потребляемой мощности за счет падения рабочих частот [Источник 6] .

Преймущества

Новые PowerPC G4 имеют два основных преимущества перед предшественниками - увеличенный вдвое (до 512 Кб) встроенный кэш второго уровня и заметно более высокие тактовые частоты. Достигнуто это благодаря переходу на новые технологические нормы (0,13 мкм вместо 0,18 мкм) и некоторой доработке самого техпроцесса (впрочем, он по-прежнему остается техпроцессом типа КМОП с использованием SOI). Кроме того, снижены и значения напряжения питания ядра процессоров (с 1,6/1,3 В до 1,3/1,0 В для “производительных” и “экономичных” версий соответственно). Возросла также и частота 64-разрядной шины процессора (со 133 до 166 МГц).

Важно отметить, что при работе на частоте 1,0 ГГц экономичная версия MPC74x7 потребляет всего 7,5 Вт, что открывает широкие перспективы для ее применения в портативных компьютерах. Но надо сказать, что и производительная версия чипа греется не слишком сильно - на той же частоте она потребляет 12,6 Вт. Процессоры предыдущей версии MPC74x5 потребляли 21,3 и 10,3 Вт соответственно.

Сегодня считается, что рабочая частота “производительной версии” новых чипов при их выпуске в серию достигнет значения 1,3 ГГц, а “экономичной” - 1 ГГц. По некоторым данным, компания Motorola без особых проблем способна уже в ближайшие месяцы выпустить 1,6 ГГц версии новых PowerPC G4, а вот потом возможны очередные проблемы с наращиванием частоты.

Источники

  1. PowerPC G4 // Wikipedia. [2017-2017]. Дата обновления: 11.05.2017. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/PowerPC_G4 (дата обращения 08.03.2017).
  2. PowerPC // Wikipedia. [2017-2017]. Дата обновления: 11.05.2017. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/PowerPC (дата обращения 08.03.2017).
  3. iBook // Wikipedia. [2017-2017]. Дата обновления: 11.05.2017. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/IBook (дата обращения 08.03.2017).
  4. PowerPC G4 // En.Wikipedia. [2017-2017]. Дата обновления: 11.05.2017. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/PowerPC_G4#PowerPC_7400 (дата обращения 08.03.2017).
  5. Motorola удалось воскресить семейство микропроцессоров G4 // Algonet. [2017-2017]. Дата обновления: 11.05.2017. URL: http://www.algonet.ru/?ID=22128 (дата обращения 08.03.2017).
  6. Motorola обновляет процессоры PowerPC G4 //PCWEEK live. [2017-2017]. Дата обновления: 11.05.2017. URL: https://www.weekit.ru/themes/detail.php?ID=63612 (дата обращения 08.03.2017).