Cell (微处理器)

Cell微处理器架构(Cell Broadband Engine Architecture,通常简称Cell BE[1]CBEA[2])由索尼索尼电脑娱乐东芝国际商业机器(IBM)公司联合开发[3]。它是以RISC指令体系的Power架构为基础来设计的,并具有高时脉频率、高执行效率等特点。主要应用于PlayStation 3刀锋服务器之上。而CELL处理器的第二代版本,提高了双精度浮点运算性能。以往的CELL处理器,双精度的性能只有单精度的十分之一。而新的CELL处理器,可以使到双精度性能有五倍的提升。[4]

Cell Broadband Engine (Cell)
搭载于PlayStation 3上的Cell
产品化2006年
设计团队SCESONYIBM东芝
指令集架构Power Architecture
制作工艺/制程90奈米 至 45奈米
核心数量9
应用平台电子游戏机超级计算机电视机

发展历史

 
Peter Hofstee[5], Cell微处理器的主要架构设计师之一。

在2000年年中,索尼电脑娱乐东芝公司和IBM结成一个被称为“STI”的联盟,用以设计和制造的处理器[6]

STI设计中心于2001年3月开业。Cell使用POWER4处理器的设计工具的增强版本,其设计期间为期四年。有三家公司超过400名的工程师一起在奥斯汀工作,并有11个IBM设计中心的重要支援。[7]在此期间,IBM提出了Cell架构,制造工艺和软体环境有关的多项专利。早期专利版本的Broadband Engine被证实是一个晶片封装,包括“处理单元(Processing Elements)”,这是该专利的描述,是目前已知的Power Processing Element(PPE)。目前在Broadband Engine晶片上,每个“处理单元”包含8个加速处理单元,而它被简称为SPE。[8]

2007年3月,IBM将Cell微处理器由第一代产品的90奈米制程推进到65奈米制程,由位于美国纽约州 East Fishkill 的12吋晶圆厂展开65奈米制程Cell微处理器的生产。制程推进到65奈米之后,Cell的晶片面积与耗电量将可进一步压低,有利于数位家电等相关应用的发展。[8][9]

2008年2月,IBM宣布该公司将开始制造的45奈米制程的Cell处理器。[10][11]2009年8月,轻薄版PlayStation 3-PS3 Slim同时采用45奈米Cell处理器。[12]

2008年5月,IBM推出了高效能的的双精度浮点版本的Cell处理器,以65奈米为主要尺寸的PowerXCell 8i。[13]

2008年5月,以一个Opteron处理器和PowerXCell 8i为基础的超级电脑,IBM走鹃系统,成为世界上第一个达成PetaFLOPS的系统[14],它当时是世界上最快的电脑,而此纪录一直维持到2009年第3季。

2009年,IBM于SC09高性能计算会议上宣布,放弃基于Cell架构处理器的开发[15][16],Cell架构及设计理念将融合到IBM的其他处理器产品中。[17]该公司原计划开发 PowerXCell-8i 处理器的后续产品,内含双PowerPC处理器核心,并设置了32个 SPE 单元的下一代Cell处理器将已被取消。[18]

概要

  • Cell包含9个核心:1个64位的PPE英语Power Processing Element控制核心和8个完全一样的SPE运算核心。
  • 拥有2亿5千万个晶体管(DD2量产版)。核心面积为235平方毫米,采用IBM的SOI 90纳米铜互连工艺制造,在此之后采用65纳米工艺制造。
  • 首批工程样品工作频率为4.06 GHz,工作电压1.1伏特;此后有4.6 GHz。
  • 每秒可进行2560亿次浮点计算(256 GFlops)。
  • 支持网格运算,具备灵活的并行分布式的计算结构。

2005年8月25日,IBMSONYSCEI东芝等 4 家公司正式公开“Cell”,该次所公布的规格资料参考文件,共分为 5 份,包括 1 份说明 Cell 基于分散式处理与多媒体应用所定义的整体架构,另外 4 份则是关于 Cell 独立浮点数运算单元 SPU 的指令集架构,低阶组合语言,高阶 C/C++ 程式语言扩充规格,以及应用程式二进位介面(Application Binary Interface)的规格书与说明文件。[19]

Cell结合了通用的Power Architecture内核,适中的性能与流线型的协处理器,大大加快多媒体向量处理的应用程序,以及许多其他形式的专用计算。[20]

处理器架构

PPE 可以作为资源管理使用,SPE 可以作为数据处理器使用。PPE 上的程序可以将任务分解到 SPE 上完成,然后相互传输数据。SPE 缺少一般处理器中的大部分通用特性,它们根本不能执行常见的操作系统任务,没有虚拟内存的支持,不能直接访问计算机的RAM中断支持也非常有限。将 SPE、PPE 和主存控制器连接在一起的是一个名为 Element Interconnect Bus 的总线,这是数据传输的主要通道。[21]

PPE

Power Processor Element(简称为PPE):PPE 包含一个64位元执行绪PowerPC结构的RISC内核,并支援PowerPC的虚拟记忆体子系统。它具有32KB的 L1 指令快取,以及一个32 KB 资料快取,以及512 KB L2的共用快取。Cell中的PPE包含VMX指令集(Vector Multimedia eXtensions:AltiVec技术)。[22]

SPE

Synergistic Processing Elements,简称SPE。[21]每个 SPE 包括:

  • 一个向量处理器,称为 Synergistic Processing Unit,或 SPU
  • SPU 中的一个私有内存区域,称为本地存储(PS3 上这个区域的大小是 256K)
  • 用来联系外部世界的一组通信通道
  • 一组 128 个寄存器,每个 128 位宽(每个寄存器通常都可以用来同时保存 4 个 32 位的值)
  • 一个记忆体流控制器(MFC),它负责管理 SPU 的本地存储和主存之间的 DMA 传输

EIB

Element Interconnect Bus(简称 EIB):透过该汇流排,每个DMA控制器取得与SPE相关的指令和资料。DMA控制器也将结果送到通用汇流排,使其可输出到晶片外,以传送给晶片上的周边设备或PPE快取记忆体。PPE可意识到SPE所传输的资料,但SPE则完全不知道毗邻的任何流量;这将保持SPE的简易性,并限制在其执行时的中断或不必要的影响,如果SPE需要知道外部资料的变化,其各自的DMA控制器便负责撷取资讯。[23]

记忆体与I/O控制器

Cell BE内置2.5兆字节内存,通过RambusXDRFlexIO技术,每秒可与外部内存交换100吉字节Gbytes的数据。XDR记忆体控制器介面(XIO)为72位元宽,可以在3.2Gbps资料速率下运作并提供25.6GB/s的总记忆体频宽。[24]

PowerXCell 8i

2008年,IBM公布了经修订的变种Cell,它被称作PowerXCell 8i,并从IBM的刀锋伺服器QS22开始采用。[25]花费超过一亿美元走鹃 是世界第一台 Linpack 达成 1 petaflops超级电脑,采用双核 AMD Opteron 加上PowerXCell 8i 处理器混合为一个节点的设计[26]走鹃共有6563颗双核的 AMD Opteron,以及12240颗IBM PowerXCell 8i。[27]国际超级电脑大会发布的绿色超级电脑500大(Green500)名单,IBM的PowerXCell 8i独占前3名及5至7名,该排名以平均每瓦电力每秒所提供的浮点运算能力(MFLOPS/W)为基准。[28]除了QS22和超级电脑,PowerXCell也被做成一张PCI-E介面的加速处理器,并在QPACE专案作为核心处理器。[29]

商业化

PS3

STI 将 Cell 应用于高画质数位影音家电、游乐器电脑绘图科学运算等领域,其中以 SCE 所推出的 PS3 主机为相关应用中最受瞩目、规模也最为庞大的产品。第一代的 Cell 微处理器将具备1个 PPE 微处理器核心,与8个 SPE 协同处理器(保留1个 SPE 作为备援,实际可用的 SPE 为7个),由 2.5 亿电晶体所构成,PS3 则采用时脉 3.2GHz 的版本。[30]

SpursEngine

东芝推出基于CELL的辅助处理器,名为SpursEngine。[31]这与真正的CELL处理器不同,它只有1个PPE和4个SPE核心,但额外增加了MPEG-2H.264的硬件编解码器。它可以用来加速图片和视频播放(包括MPEG-2H.264),并有自己的XDR记忆体。接口方面,可以采用PCI-E x1或者x4。东芝的平板电视都会采用相关的处理器,将标清分辨率插值至1080p。并同时进行细节修补,改善色彩,边缘锐利化等工作[32]丽台已推出采用SpursEngine晶片的加速卡,用作协助电脑作影像编辑。[33][34]

家用电视

东芝公司推出Cell TV,它能把2D画面转换成3D。Cell T还可升级数位视讯,甚至补强画素,强化低品质的串流,并测知房间的灯光,调整萤幕的显示品质。Cell TV尚有内建摄影机麦克风与软体,可以拨打网路视讯电话[35][36]这是东芝以Cell为核心开发的首款产品,重点显然是将电视机作为一个范例,用来说明硬件软件工程师能够合力开发出什么样的产品。例如:利用Cell电视机的连网功能建立一种商业模式,这款电视机显然可以成为一大批付费服务的载体。[37]

参见

参考资料

  1. ^ Linux on Cell BE-based Systems. [2013-04-06]. (原始内容存档于2013-04-07). 
  2. ^ What does CBEA stand for? Cell Broadband Engine Architecture (IBM). [2013-04-06]. (原始内容存档于2013-10-06). 
  3. ^ 陈闵扬. Cell微處理器與XDR DRAM結合 會迸出什麼樣的火花?. DIGITIMES. 2004-12-24 [2013-03-30]. (原始内容存档于2016-03-05) (中文(台湾)). 经过IBM、SONY与Toshiba 3家国际大厂历经3年的研究与开发,Cell微处理器终于即将问世!除了大众期盼已久SONY的PS3游戏机将采用Cell微处理器,SONY也将把此处理器运用在该公司大部分消费性电子产品中;Toshiba更明白表示,Cell微处理器将在其SED显示器中,扮演关键角色。 
  4. ^ 第二代Cell处理器 IBM新刀片服务器登场. [2008-05-20]. (原始内容存档于2008-06-09). 
  5. ^ The Soul of Cell: An interview with Dr. H. Peter Hofstee. [2013-04-07]. (原始内容存档于2006-03-28). 
  6. ^ Krewell, Kevin (14 February 2005). "Cell Moves Into the Limelight". Microprocessor Report英语Microprocessor Report.
  7. ^ Introduction to the Cell multiprocessor. IBM Journal of Research and Development. 2005-08-07 [2007-03-22]. (原始内容存档于2007-02-28). 
  8. ^ 8.0 8.1 IBM Produces Cell Processor Using New Fabrication Technology.. X-bit labs. [March 12, 2007]. (原始内容存档于2007年3月15日). 
  9. ^ Sam. IBM 展開 65 奈米製程 Cell 微處理器的生產. 巴哈姆特. IBM 展开 65 奈米制程 Cell 微处理器的生产 [2013-04-02]. (原始内容存档于2013-07-10) (中文(台湾)). 第一代量产版 Cell 采 IBM 90nm SOI 制程生产,由 2 亿 5 千万电晶体所构成,晶片面积 235 mm^2。IBM 于日前举办的“2007 年国际固态电路会议(ISSCC 2007)”中,曾发表 65nm 版 Cell 的晶片照与 SRAM 设计,透过制程与 SRAM 电源设计的改良,提升晶片最高运作时脉并降低晶片耗电量。 
  10. ^ Stokes, Jon. IBM shrinks Cell to 45nm. Cheaper PS3s will follow. Arstechnica.com. 2008-02-07 [2012-09-19]. (原始内容存档于2008-10-20). 
  11. ^ IBM shrinks Cell to 45nm. Cheaper PS3s will follow. [2013-04-03]. (原始内容存档于2012-12-02). 
  12. ^ Sony answears our questions about the new PlayStation 3. Ars Technica. August 18, 2009 [August 19, 2009]. (原始内容存档于2011-07-22). 
  13. ^ IBM Offers Higher Performance Computing Outside the Lab. IBM. [May 15, 2008]. (原始内容存档于2019-09-24). 
  14. ^ Military supercomputer sets record - CNET News.com. [2013-04-05]. (原始内容存档于2019-09-24). 
  15. ^ Will Roadrunner Be the Cell's Last Hurrah?. October 27, 2009 [2013年4月4日]. (原始内容存档于2009年10月31日). 
  16. ^ SC09: IBM lässt Cell-Prozessor auslaufen. HeiseOnline. November 20, 2009 [November 21, 2009]. (原始内容存档于2013-01-23). 
  17. ^ 世界第一超算“走鹃”成为绝唱 IBM放弃Cell研发. [2013-02-09]. (原始内容存档于2013-03-09). 
  18. ^ 天驕的隕落:IBM放棄Cell處理器開發計劃. [2013-04-05]. (原始内容存档于2012-11-16). 
  19. ^ Sam. Cell 微處理器詳細規格資料公布. 巴哈姆特. 2005-08-25 [2013-03-30]. (原始内容存档于2011-10-28) (中文(台湾)). IBM、SONY、SCE 与东芝等 4 家公司,于今日(8 月 25 日)正式公开其所共同研发的新一代微处理器“Cell”的详细规格资料参考文件,供所有对 Cell 相关设计与程式撰写有兴趣的资讯工作者参考。 
  20. ^ Synergistic Processing in Cell's Multicore Architecture (PDF). IEEE. [2007-03-22]. (原始内容存档 (PDF)于2016-03-05). 
  21. ^ 21.0 21.1 在 Cell BE 处理器上编写高性能的应用程序. [2013-04-08]. (原始内容存档于2013-03-06). 
  22. ^ S Koranne. The Power Processing Element (PPE). Springer US. [2013-04-07]. (原始内容存档于2018-06-16) (英语). 
  23. ^ 杜立 (Jim Turley). Cell處理器開啟多重處理架構的新紀元. EET电子工程专辑. 2006-07-24 [2013-04-09]. (原始内容存档于2007-11-04) (中文(台湾)). 还记得第一次对一款处理器进行编程?那一定是既兴奋又具有挑战性的过程。对经验丰富的程式设计师或开发团队来说,即使是一般的微处理器也充满著各种挑战。现在,想像要从单一原始程式码串流突然为九个不同的处理器进行编程,并使其全部能协同工作;而当处理器运作时,它仍能出乎意外的顺利执行。要使这些微处器能协同工作,最重要的就是技巧。这便是IBM...... 
  24. ^ Rambus - Sony PlayStation 3. [2013-04-09]. (原始内容存档于2013-05-22). 
  25. ^ IBM BladeCenter QS22. IBM. [2013-04-08]. (原始内容存档于2014-05-17) (日语). BladeCenter QS22は、IBM PowerXCell 8i プロセッサーを搭载した先进的なブレード・サーバーです。Cell Broadband Engine アーキテクチャーの拡张版を土台とするQS22は、旧世代ブレードの5倍の倍精度演算性能を発挥します。 
  26. ^ Andy Yang. 傳奇性的 IBM Roadrunner 超級電腦正式退役. engadget中文版. 2013-04-01 [2013-04-08]. (原始内容存档于2013-04-03) (中文(台湾)). Roadrunner 在 2008 年 6 月到 2009 年 11 月间曾经是世界最快的电脑(2006 年刚上线时没有 PowerXCell 的配置,那是在之后加装的),除了进行核弹内能量流动的计算之外,也在 HIV、奈米线、和宇宙模拟等方面进行了研究。 
  27. ^ 陈晓莉. 綠色超級電腦評測:GPU與IBM出色. iThome Online. 2013-04-01 [2013-04-08]. (原始内容存档于2013-06-04) (中文(台湾)). 
  28. ^ 沈经. 綠色超級電腦評測:GPU與IBM出色. iThome Online. 2010-07-05 [2013-04-08] (中文(台湾)). [永久失效链接]
  29. ^ QPACE: power-efficient parallel architecture based on IBM PowerXCell 8i
  30. ^ Sam. IBM 公布 PS3 微處理器 Cell 效能測試報告. 巴哈姆特. 2005-11-30 [2013-04-01]. (原始内容存档于2011-12-28) (中文(台湾)). IBM 于今日公布了由 SONY、TOSHIBA 与 IBM(合称 STI)所共同研发、预定用于 PS3 主机以及科学运算与多媒体运算等领域的新一代高效能微处理器“Cell”的效能测试报告,供玩家参考。 
  31. ^ Toshiba 發表 SpursEngine 圖形協同處理晶片. [2013-04-05]. (原始内容存档于2010-06-09). 
  32. ^ 东芝重量级ZF平板电视采用Cell处理器. [2008-09-01]. (原始内容存档于2008-11-20). 
  33. ^ 丽台发布Cell核心视频加速卡. [2008-09-12]. (原始内容存档于2008-09-24). 
  34. ^ Toshiba 的 SpursEngine. [2013-04-05]. (原始内容存档于2017-02-04). 
  35. ^ 东芝推出2D画面变3D的新电视Cell TV. 2010-01-08. 原文发表日期 [2013-04-06]. (原始内容存档于2015-05-25) (中文(中国大陆)). 
  36. ^ 東芝Cell電視可將數字視頻轉換為3D視頻. [2013-04-06]. (原始内容存档于2015-06-19). 
  37. ^ 商:东芝欲借Cell电视机提高品牌知名度. [2013-04-06]. (原始内容存档于2015-06-19). 

外部链接