在IBM的计算大家族中，Power处理器是其中最核心的一员，是 IBM 的很多服务器、工作站和超级计算机的主要处理器。不过，2010年Power 7发布之后IBM便一直没有甚么大动作，反观英特尔的表演可就要热闹许多。面对Intel的大军压境，IBM不拿出点真本事是不行了。在日前举行的Hot Chip会议上，IBM终于正式发布了新一代Power 8处理器，规格强大得令人瞠目结舌，堪称蓝色巨人实力的最佳体现！
　　
12核心96线程


　　Power 8处理器搭载有12个内核，每颗核心拥有64KB的数据缓存、32KB的指令缓存以及512KB的二级缓存，包含有16个执行单元，分别是2个FXU、2个LSU、2个LU、4个FPU、2个VMX、1个Crypto、1个DFU、1个CR以及1个BR。[简写都给点文字解释]相比Power 7系列来说，Power8单线程性能最大提升60%。而且Power 8超线程技术从上代产品的4-Way SMT提高到了8-Way SMT，也就说其最大能够支持96线程，即便是Intel也只能对此望洋兴叹了。但是Power 8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”，在Power 8上，IBM引入了智能线程技术，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。
　　同时12颗核心还配备96MB的三级缓存，但Power 8中三级缓存是用eDRAM实现的，而非传统CPU中的SRAM。和SRAM相比，eDRAM能极大地节省晶体管数量和降低芯片面积，并且提供更高的传输带宽。在96MB三级缓存中，Power 8处理器的每个内核都在L3 缓存中有自己的高速本地L3缓存区，但每个内核之间，却依然能通过L3 缓存共享数据。根据IBM的资料，Power 8 的96MB L3 缓存中，有一部分缓存的速度快、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。而且Power7芯片取消了四级缓存，Power8芯片又恢复了，支持128MB芯片外部的四级缓存，不过这L4缓存是配合内存控制器充当每个内核的数据缓存使用。


　　那么“12核心、96线程”将为Power8带来多大的爆发力呢？如果结合Power8单线程性能最大提升60%及SMT增加规模来估算， Power 8提供最大的峰值浮点运算能力将超过600GFLOPS（注：1GFLOPS等于每秒10亿次的浮点运算），比Power 7的两倍还多，将当今市场上的一切CPU都远远的抛在身后。我们都知道，在高性能计算领域，近年来几乎所有厂商都在为万亿次计算努力。而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。从浮点运算能力来说，Power 8即便面对NVIDIA/AMD的GPU架构处理器也不遑多让。
　　
22nm SOI制程
　　2010年发布的Power 7处理器采用的还是45nm制造工艺，而今年的Power 8处理上IBM直接跳过了30nm的阶段，使用了22nm SOI工艺进行制造。相对于之前的45nm SOI工艺， 22nm SOI制程节点开始使用全耗尽型SOI技术——FD-SOI技术。这种工艺仍然基于传统的平面型晶体管结构，是另一种类似于英特尔3D晶体管的有效降低漏电的晶体管技术。与英特尔的技术不同，FD-SOI技术在基底和通道之间加入了一个绝缘的氧化层，即Buried Oxide（BOx）氧化埋层，它可以保证基底上只有特定的区域可以成为电子流动的通道，有效地阻止了漏电现象。该技术可以护送传统的平面型晶体管进入14nm时代。但由于这个绝缘的氧化层的材质与硅晶圆不一样，这意味着在生产时需要一个引入氧化埋层的非传统晶圆，使得晶圆生产成本过高，不过这对于IBM而言，已经不再是问题了。倒是AMD仍在22nm SOI制程中摸索、还有找到其中的道道。


　　虽是22nm制程，但由于规格实在是太强大的，因此Power 8核心面积依然达到了650平方毫米，相比之下，上代Power 7处理器的核心面积也不过是567平方毫米而已。在主频方面Power8与上代基本持平，将会保持在4GHz左右，但由于Power 8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。而且即便是4GHz,在英特尔、AMD眼里似乎也是仍难再突破的高度——近年来一般人只看见处理器大厂AMD跟Intel都在拼命推广多核心，频率却游走在3.5GHz附近。实际上商用主机的领域和家用主机是不同的世界，商用主机需要更高精度的计算，更可靠的结果，还要能够承受使用者同时上线提供服务。而能够以4GHz的频率正式出货，中间经过的投资开发，研究除错，最后量产出货，付出的心血和成本也是相当大的。不过，考虑到此前Power 6的主频就已经高达5GHz，“4GHz”相信并不是Power8的最终频率

 

独特的内存控制器

　　如同Power7、至强E系列一样，Power8也将内存控制器收纳入“核”内。只不过Power8的做法有点不太一样：并不是将DDR3控制器放入在晶圆中，而是创建了一个“类”内存控制器，通过高速总线传输到内存缓冲区——该“类内存控制器芯片”被称为“Centaur”，控制着一半的L4缓存和一半的内存控制器。


　　在Power8中，Centaur充当主内存控制器的角色功能——所有内存调度逻辑单元、缓存指令单元和能源管理单元，都被嵌入在Centaur芯片上。连接Power8封装包和Centaur内存缓存区的内存通道延迟为40ns，带宽为9.6GB/s，更为独特的是Centaur芯片还包括有16MB缓存以供处理器当作L4缓存使用。Power8处理器一共有8个Centaur芯片，总共有128MB容量的L4缓存可供使用。由于L4缓存部分独立于内核心，Power8的12个内核需通过三条PCI-E 3.0高速通道与L4缓存进行数据传输：在4GHz频率下允许用户从外部L4缓存中以128GB/s的速率传输至L3缓存中、L3缓存中以64GB/s速率传出，数据也可以128GB/s的速率传输至L2缓存。从设计上，Power8整个内存控制器的8个内存通道内存带宽达到230GB/s，最高可提供410GB/s峰值带宽。而在内存容量上，如果采用32GB DDR3单个内存条的话，每个Power8处理器可支持扩展至1TB DDR3内存容量。
　　需要说明的是，为了配合OpenPOWER联盟战略，Power8整合的PCI-E 3.0通道还支持CAPI(Coherence Attach Processor Interface)接口连接外部组件标准，可通过第三方授权的方式，将网络、图形处理器、加速器以及其他功能添加到Power处理器当中。如作为OpenPOWER联盟成员之一的英伟达正在为Power8处理器开发一种外部图形处理器。
　　当然，面对一个运算怪兽，也许不少人更担心Power 8的功耗。功耗管理方面，Power 8处理器和Haswell有些相似，在芯片内部直接集成了VRM模块来实现更精细的功耗控制，同时IBM在Power 8上还引入了智能核心、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。不过，IBM目前仍没有公布Power 8的具体功耗，这反倒让我们对Power 8的功耗控制效果有点期待……


写在最后
　　经过20来年的发展，目前IBM Power 处理器已经成为应用最广泛的处理器架构。尽管RISC架构已经远不如当初的辉煌，但从目前高端服务器市场的销售收入看，基于IBM Power架构的服务器仍然位居首位。这一次，Power8强大的性能再一次体现了IBM的芯片制造水准。它的到来，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。未来基于Power8处理器的超级系统将在大数据挖掘与分析、云计算部署、HPC、科研、金融、能源等多个领域，满足对更高性能的需求。