蓝色巨人的怒吼 IBM Power 7处理器浅析

毫不夸张地说，Power 7处理器的问世，让IBM重新夺回了高性能计算领域的制高点，以恐怖的性能和突破性的规格将Intel、AMD远远甩开。究竟蓝色巨人给Power 7注入了什么样的魔法？现在就让我们一起探个究竟。

高性能计算再起风云

短短几年时间，高性能计算领域就已经发生了翻天覆地的变化—先是SUN在SPARC处理器上开发不力，逐步淡出。然后是Intel至强和AMD皓龙处理器的低价渗透。

就在2009年，NVIDIA甚至试图借助GPU架构的Tesla进军高性能计算领域—就在我们以为高性能计算领域也会像台式机、服务器领域那样回归Intel、AMD、NVIDIA三家斗法之时，盟主IBM终于按耐不住，在2010年2月8日拿出了密谋许久的Power 7处理器。

冲击千万亿次计算

你可别以为Power 7处理器会像其他几家的CPU和GPU那样，一年就能够换代，事实上关于Power 7的研发从2006年就开始了。2006年11月，IBM赢得了美国国防高级研究计划署(DARPA)研发每秒千万亿次计算(Petascale)超级电脑的研发合同。合同中规定，在2010年底IBM必须拿出达到千万亿次运算规模的超级计算机供DARPA使用。在合同中还规定，这样的计算机架构，必须能在日后实现商业化和规模量产化。其中IBM还提出，新的架构要完全符合PERCS(Productive,Easy-to-use,Reliable Computer System)—即高效易用可靠运算架构。在这个价值2.4亿美元的项目中，IBM当时就预计交付美国国防高级研究计划署的电脑将会使用Power 7处理器、AIX操作系统以及通用并行文件存储系统。从2006年11月开始，IBM就和美国国防高级研究计划署就新的处理器架构进行合作研发，目标很简单—让千万亿次计算触手可及。

如果你经常看到Intel和NVIDIA的宣传，应该还记得Intel的80核处理器计划，目标是实现单芯片上万亿次计算(Terascale)级别的计算。事实上在高性能计算领域，几乎所有厂商都在为万亿次计算努力。而2008年IBM为美国国家核能安全管理部设计的Roadrunner(走鹃)超级计算机，才首次达到1.026PetaFLOPS(每秒千万亿次浮点运算)，成为人类首部达到千万亿次计算级别的电脑。在当时，IBM Roadrunner动用了6912颗AMD双内核Opteron处理器和12960颗IBM PowerXCell 8i处理器，并且配备了51.8TB内存，耗资1.33亿美元。而Roadrunner之所以如此庞大，究其原因就在于单个处理器所提供的运算能力相当有限—双内核Opteron处理器只有5.2GFLOPS浮点运算能力，IBM PowerXcell 8i处理器的浮点运算能力为102.4GFLOPS。而NVIDIA的高性能运算卡Tesla C2070 也只能提供630GFLOPS浮点运算能力。

IBM Roadrunner超级计算机

毫无疑问，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。

Power 7 CPU

根据IBM的数据，Power 7将会提供大264.96GFlops的峰值浮点运算能力，将当今市场上的一切CPU都远远的抛在身后。Power 7即便面对NVIDIA/AMD的GPU架构处理器也不遑多让。更让人惊讶的是，IBM在Power 7上引入了智能核心、智能线程、智能缓存、智能功耗和智能内存技术，解决了困扰当今PC许久的运行效率与功耗等至关重要的问题。

打造史上大CPU

如今热卖的Intel Core i7 处理器采用了45nm制程工艺，芯片面积为270mm2。而同样采用45nm工艺的Power 7处理器，芯片面积却高达567mm2—是Intel Core i7的两倍。究竟IBM用567mm2的核心和12亿个晶体管干了些什么？Power 7处理器将会有4、6、8内核三种规格。其中每个内核都能实现4路同步并发线程。这意味着在8内核Power 7中，可以并行执行32条线程！而我们熟悉的Core i7处理器每个内核通过超线程技术只能提供两个并发线程。

Power 7 CPU内核

除此之外，在Power 7每个内核中都拥有12个执行单元。每个执行单元包含2个整数运算单元、2个存储/读取单元、4个双精度浮点运算单元、1个支持VSX的矢量执行单元、1个十进制浮点运算单元、1个分支单元、1个寄存器单元。在Power 7 CPU中每个内核都有32KB一级指令和数据缓存、256KB二级缓存。所有核心共享32MB eDRAM三级缓存。Power 7初期频率就能达到3GHz～4.14GHz，并内置了两个4通道DDR3内存控制器，以提供大100GB/s的内存带宽。值得一提的是，IBM Power 7中三级缓存是用eDRAM实现的，而非传统CPU中的SRAM。和SRAM相比，eDRAM能极大的节省晶体管数量和降低芯片面积，并且提供直逼SRAM的传输带宽—在微软XBox 360游戏机的GPU上，eDRAM就轻松提供了256GB/s的传输率。由于eDRAM的引入，Power 7在搭载32MB三级缓存时芯片面积也没有过度增长。和前辈Power 6相比，Power 7的主频已经从5GHz降低到了4.14GHz。但由于Power 7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。

智能为王 更聪明的Power 7

Power 7是一颗聪明的处理器，IBM工程师为它赋予了更多的智能技术，在性能、功耗上取得更大的突破。

能自动优化核心

在Intel推出Core i7 CPU的时候，TurboBoost功能成了产品重要卖点不断宣传。Intel的TurboBoost技术可以让CPU根据负载，在不同的内核负载下，自动提升单核频率以及整体频率以实现更快的运行速度。在Power 7上，IBM更进一步，提出了智能核心的概念。Power 7处理器拥有多8个内核，因此IBM为Power 7设计了TurboCore和MaxCore两大运行模式。TurboCore模式可以对数据库或工作负载进行高度优化，同时采用4个内核运行，并把芯片中所有8个内核大部分资源放到4个运行的内核中，以提供更大的缓存和内存带宽，提升时钟频率，提高单核性能。

Power 7 CPU内核架构

当不采用TurboCore模式时，所有Power 7处理器在MaxCore模式下，拥有多达8内核、每内核4线程，共计32线程的并行处理能力。你千万别以为智能内核只是简单的超频、关闭打开内核那么容易。在TurboCore模式下，虽然有4个内核会被关闭，但这些内核所占据的缓存和各种执行资源都会被释放，由工作中的4个内核统一调度，以实现资源利用的大化。

夸张的8核32线程并行处理能力

在Power 7中，IBM引入的SMT4技术可以在单一内核上实现4路同步多线程功能。这样一次就能吃下4条线程，极大地提升并行能力。但是所谓的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”。

Power 7提供4路同步多线程功能

在Power 7上，IBM引入了智能线程(Intelligent Threads)，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。必须指出的是，智能线程功能是需要操作系统支持的。只有在2010年4月问世的IBM AIX 6.1 TL05操作系统支持此功能—在现阶段的Linux等操作系统中，Power 7的SMT功能将完全无法使用。这些操作系统会把Power 7当作8内核普通处理器进行管理。

更智能的缓存和内存控制器

从自动控制内核开关，到自动判断SMT功能是否打开，打开多少。在处理器运算能力调度方面，Power 7已经技压群雄。不过，IBM似乎还不满足于运算能力的灵活调度，他们想让缓存和内存系统也变得更为智能高效。

Power 7处理器的L3缓存和Intel Core i7有许多相似之处— 例如每个内核都在L3 缓存中有自己的高速本地L3缓存区(Fast Local Region of L3 Cache,FLR-L3)。但每个内核之间，却依然能通过L3 缓存共享数据。根据IBM的说法，Power 7 32MB L3 Cache中，有4MB缓存的速度快和延迟低，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。

Power 7内存访问机制

为了压倒Intel在Core i7中集成的3通道DDR3内存控制器，Power 7干脆直接集成了两个4通道DDR3内存控制器，这意味着每个Power 7处理器多能支持256GB的DDR3内存。在内存控制器内部，Power 7专门设计了芯片内DDR3 内存缓冲区。这样的设计极大地增加了每个Power 7内核所能管理的内存容量，并且实现了更高级别的冗余扩展和电源管理。由于采用了4通道内存设计，所以Power 7已经取消了对单根低容量DDR3 内存的支持。在Power 7上用户少需要安装两条4GB DDR3 内存才能正常启动。

Power 7内存控制器

值得一提的是，IBM Power 7中引入了新的低电压差分信号传输方式，这样让Power 7在支持海量内存和8个以上DIMM内存插槽时，主板布线不至于太过复杂。

强大的智能功耗管理功能

几乎所有新的CPU都在电源管理上狠下功夫。Power 7也不例外。在Power 7上，IBM提出了智能功耗(Intelligent Energy)的概念，并在Power 7中延续了Power 6 CPU上大获好评的EnergyScale功能。Power 7处理器内部构建的EnergyScale单元能不断地搜集整个电脑的功耗数据，然后将其汇报给IBM Systems Director Active Energy Manager功耗管理软件。在Power 7运行的时候，IBM的功耗管理软件就能即时提供功耗数据和运行状态。用户甚至可以直接设定整部Power 7电脑多能使用的功耗，以及少能使用的功耗，以调整机房的耗电量。在智能功耗功能的帮助下，我们甚至可以让Power 7在夜晚以50%的功耗工作，在白天繁忙时段才满负荷工作。而Power 7处理器在空闲时，也将会自动进入“Nap”状态，关闭执行单元的供电、降低频率和电压以实现更低的功耗。

IBM电源管理工具IBM Systems Director Active Energy Manager

根据IBM的测试，Power 7在引入一系列“智能”技术后，每瓦性能大幅提高，Power 7比相似的Intel x86系统提升2倍，比Sun SPARC服务器和相似的HP安腾服务器分别高出4倍和8倍。

无限虚拟 内存倍增 Power 7独门秘籍

内存倍增术—Active Memory Expansion

无需操作系统支持，无需做任何硬件改动。可用内存容量就能多50%？这可不是什么内存清理软件的广告词，而是IBM在Power 7上引入的Active Memory Expansion内存实时压缩技术的魔力。Active Memory Expansion功能可以通过Power 7电脑管理程序打开或者关闭。在打开Active Memory Expansion功能后，CPU将会实时压缩内存中的数据，以获得更大的可用内存空间。在IBM的测试数据中，Power 7打开Active Memory Expansion功能后，将会在SAP程序里面多出50%的可用内存空间，从而极大的提升系统性能。

打开AME功能后，内存会被分成压缩数据和非压缩数据两大区域

Power 7将会自动压缩不被反复调用的数据，以实现可用内存空间加大。数据被压缩之后，将无法由程序实时调用，因此Active Memory Expansion内存压缩功能并无法适应所有类型的程序。

AME打开和关闭后的性能对比

由于Active Memory Expansion功能完全由硬件实现，因此该功能对性能的影响微乎其微。由于打开内存压缩之后，可用内存有所增加，所以在高负载情况下，Active Memory Expansion对性能提升有明显的帮助。Active Memory Expansion可以针对每个内存逻辑分区打开或者关闭，操作系统将会自动分析哪些数据能被压缩后放入压缩数据池，哪些数据无法压缩。现阶段，要打开Power 7的AME功能，必须使用IBM AIX 6.1 TL4 SP2或更高版本的操作系统。

PowerVM—1000个虚拟机的威力

在服务器和高性能计算领域，虚拟化已经成了标准配备。AMD和Intel CPU大多只能提供不到10个虚拟机同时运行的硬件虚拟化支持。而在Power 7上，IBM祭出的PowerVM虚拟化技术能让Power 7 CPU每个内核都能硬件支持10个虚拟机镜像。目前的8路64核系统可支持单系统高640个虚拟机同时运行。今年年内，他们还将推出32路256核Power 7系统，高同时运行1000个虚拟机—这个数量足足比Power 6提升了4倍。

结语：高性能计算硝烟再起

就在Power 7问世以前，许多人都认为Roadrunner使用了Opteron+PowerXCell这样的异构设计，绝对是未来高性能计算的主流。而NVIDIA、AMD凭借GPU提供的海量并行能力，也有希望在其中分一杯羹。在IBM Power 7问世以后，我们才猛然发现，在高性能计算领域，循规蹈矩的提升CPU性能并非绝无可能。Power 7以强横的处理能力和突破性的功能似乎在向世界证明—传统CPU的生命力依然旺盛。在可以遇见的未来，高性能计算领域仍将是CPU集群主导、异构架构竞争的时代。