Cell (微處理器)

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Cell Broadband Engine (Cell)
Cell-Processor.jpg
Cell處理器的晶片
產品化 2006年
設計團隊 SCESONYIBM東芝
制作工艺/製程 90納米 至 45納米
核心数量 9
应用/用途 電子遊戲機超级计算机电视机

Cell Broadband Engine是一種微處理器架構,Cell是「Cell Broadband Engine Architecture」的簡寫,通常簡稱CBEA[1]或部分的Cell BE[2]。Cell 处理器是由日本索尼新力電腦娛樂东芝國際商業機器(IBM)公司联合开发、用于高速运算的处理器[3]它是以RISC指令体系的Power架构来设计的,并具有高时钟频率、高执行效率等特点。主要应用于PlayStation 3刀鋒服务器之上。而CELL處理器的第二代版本,提高了双精度浮点运算性能。以往的CELL處理器,双精度的性能只有單精度的十分之一。而新的CELL處理器,可以使到双精度性能有五倍的提升。[4]

發展歷史[编辑]

Peter Hofstee[5], Cell微處理器的主要架構設計師之一。

在2000年年中,索尼電腦娛樂東芝公司和IBM結成一個被稱為「STI」的聯盟,用以設計和製造的處理器[6]

STI設計中心於2001年3月開業。Cell使用POWER4處理器的設計工具的增強版本,其設計期間為期四年。有三家公司超過400名的工程師一起在奧斯汀工作,並有11個IBM設計中心的重要支援。[7]在此期間,IBM提出了Cell架構,製造工藝和軟體環境有關的多項專利。早期專利版本的Broadband Engine被證實是一個晶片封裝,包括“處理單元(Processing Elements)”,這是該專利的描述,是目前已知的Power Processing Element(PPE)。目前在Broadband Engine晶片上,每個“處理單元”包含8個加速處理單元,而它被簡稱為SPE。[8]

2007年3月,IBM將Cell微處理器由第一代產品的90奈米製程推進到65奈米製程,由位於美國紐約州 East Fishkill 的12吋晶圓廠展開65奈米製程Cell微處理器的生產。製程推進到65奈米之後,Cell的晶片面積與耗電量將可進一步壓低,有利於數位家電等相關應用的發展。[8][9]

2008年2月,IBM宣布該公司將開始製造的45奈米制程的Cell處理器。[10][11]2009年8月,輕薄版PlayStation 3-PS3 Slim同時採用45奈米Cell處理器。[12]

2008年5月,IBM推出了高效能的的雙精度浮點版本的Cell處理器,以65奈米為主要尺寸的PowerXCell 8i。[13]

2008年5月,以一個Opteron處理器和PowerXCell 8i為基礎的超級電腦,IBM走鵑系統,成為世界上第一個達成PetaFLOPS的系統[14],它當時是世界上最快的電腦,而此紀錄一直維持到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]該公司原計劃開發 PowerXCell-8i 處理器的後續產品,內含雙PowerPC處理器核心,並設置了32個 SPE 單元的下一代Cell處理器將已被取消。[18]

概要[编辑]

  • Cell包含9个核心:1个64位的PPE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東芝等 4 家公司正式公開「Cell」,該次所公布的規格資料參考文件,共分為 5 份,包括 1 份說明 Cell 基於分散式處理與多媒體應用所定義的整體架構,另外 4 份則是關於 Cell 獨立浮點數運算單元 SPU 的指令集架構,低階組合語言,高階 C/C++ 程式語言擴充規格,以及應用程式二進位介面(Application Binary Interface)的規格書與說明文件。[19]

Cell結合了通用的Power Architecture內核,適中的性能與流線型的協處理器,大大加快多媒體向量處理的應用程序,以及許多其他形式的專用計算。[20]

處理器架構[编辑]

PPE 可以作为資源管理使用,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[编辑]

Power Processor Element(簡稱為PPE):PPE 包含一個64位元執行緒PowerPC結構的RISC內核,並支援PowerPC的虛擬記憶體子系統。它具有32KB的 L1 指令快取,以及一個32 KB 資料快取,以及512 KB L2的共用快取。Cell中的PPE包含VMX指令集(Vector Multimedia eXtensions:AltiVec技術)。[22]

SPE[编辑]

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)
  • 一个記憶體流控制器(MFC),它负责管理 SPU 的本地存储和主存之间的 DMA 传输

EIB[编辑]

Element Interconnect Bus(簡稱 EIB):透過該匯流排,每個DMA控制器取得與SPE相關的指令和資料。DMA控制器也將結果送到通用匯流排,使其可輸出到晶片外,以傳送給晶片上的週邊設備或PPE快取記憶體。PPE可意識到SPE所傳輸的資料,但SPE則完全不知道毗鄰的任何流量;這將保持SPE的簡易性,並限制在其執行時的中斷或不必要的影響,如果SPE需要知道外部資料的變化,其各自的DMA控制器便負責擷取資訊。[23]

記憶體與I/O控制器[编辑]

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記憶體控制器介面(XIO)為72位元寬,可以在3.2Gbps資料速率下運作并提供25.6GB/s的總記憶體頻寬。[24]

PowerXCell 8i[编辑]

2008年,IBM公佈了經修訂的變種Cell,它被稱作PowerXCell 8i,並從IBM的刀鋒伺服器QS22開始採用。[25]花費超過一億美元走鵑 是世界第一台 Linpack 達成 1 petaflops超級電腦,採用雙核 AMD Opteron 加上PowerXCell 8i 處理器混合為一個節點的設計[26]走鵑共有6563顆雙核的 AMD Opteron,以及12240顆IBM PowerXCell 8i。[27]國際超級電腦大會發布的綠色超級電腦500大(Green500)名單,IBM的PowerXCell 8i獨占前3名及5至7名,該排名以平均每瓦電力每秒所提供的浮點運算能力(MFLOPS/W)為基準。[28]除了QS22和超級電腦,PowerXCell也被做成一張PCI-E介面的加速處理器,並在QPACE專案作為核心處理器。[29]

商業化[编辑]

PS3[编辑]

STI 將 Cell 應用於高畫質數位影音家電、遊樂器電腦繪圖科學運算等領域,其中以 SCE 所推出的 PS3 主機為相關應用中最受矚目、規模也最為龐大的產品。第一代的 Cell 微處理器將具備1個 PPE 微處理器核心,與8個 SPE 協同處理器(保留1個 SPE 作為備援,實際可用的 SPE 為7個),由 2.5 億電晶體所構成,PS3 則採用時脈 3.2GHz 的版本。[30]

SpursEngine[编辑]

东芝推出基於CELL的輔助處理器,名為SpursEngine。[31]這與真正的CELL處理器不同,它只有1個PPE和4個SPE核心,但額外增加了MPEG-2H.264的硬件编解码器。它可以用來加速图片和視頻播放(包括MPEG-2H.264),並有自己的XDR記憶體。接口方面,可以採用PCI-E x1或者x4。东芝的平板电视都會採用相關的處理器,将标清分辨率插值至1080p。並同時進行細節修補,改善色彩,边缘锐利化等工作[32]麗台已推出採用SpursEngine晶片的加速卡,用作協助電腦作影像編輯。[33][34]

家用電視[编辑]

東芝公司推出Cell TV,它能把2D畫面轉換成3D。Cell T還可升級數位視訊,甚至補強畫素,強化低品質的串流,並測知房間的燈光,調整螢幕的顯示品質。Cell TV尚有內建攝影機麥克風與軟體,可以撥打網路視訊電話[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]

參見[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ What does CBEA stand for? Cell Broadband Engine Architecture (IBM)
  2. ^ Linux on Cell BE-based Systems
  3. ^ 陳閔揚. 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查閱] (中文(台灣)‎). "經過IBM、SONY與Toshiba 3家國際大廠歷經3年的研究與開發,Cell微處理器終於即將問世!除了大眾期盼已久SONY的PS3遊戲機將採用Cell微處理器,SONY也將把此處理器運用在該公司大部分消費性電子產品中;Toshiba更明白表示,Cell微處理器將在其SED顯示器中,扮演關鍵角色。" 
  4. ^ 第二代Cell处理器 IBM新刀片服务器登场
  5. ^ The Soul of Cell: An interview with Dr. H. Peter Hofstee
  6. ^ Krewell, Kevin (14 February 2005). "Cell Moves Into the Limelight". en:Microprocessor Report.
  7. ^ Introduction to the Cell multiprocessor. IBM Journal of Research and Development. 2005-08-07 [2007-03-22]. 
  8. ^ 8.0 8.1 IBM Produces Cell Processor Using New Fabrication Technology.. X-bit labs. [March 12, 2007]. 
  9. ^ Sam. IBM 展開 65 奈米製程 Cell 微處理器的生產. 巴哈姆特. IBM 展開 65 奈米製程 Cell 微處理器的生產 [2013-04-02查閱] (中文(台灣)‎). "第一代量產版 Cell 採 IBM 90nm SOI 製程生產,由 2 億 5 千萬電晶體所構成,晶片面積 235 mm^2。IBM 於日前舉辦的「2007 年國際固態電路會議(ISSCC 2007)」中,曾發表 65nm 版 Cell 的晶片照與 SRAM 設計,透過製程與 SRAM 電源設計的改良,提昇晶片最高運作時脈並降低晶片耗電量。" 
  10. ^ Stokes, Jon. IBM shrinks Cell to 45nm. Cheaper PS3s will follow. Arstechnica.com. 2008-02-07 [2012-09-19]. 
  11. ^ IBM shrinks Cell to 45nm. Cheaper PS3s will follow
  12. ^ Sony answears our questions about the new PlayStation 3. Ars Technica. August 18, 2009 [August 19, 2009]. 
  13. ^ IBM Offers Higher Performance Computing Outside the Lab. IBM. [May 15, 2008]. 
  14. ^ Military supercomputer sets record - CNET News.com. 
  15. ^ Will Roadrunner Be the Cell's Last Hurrah?. October 27, 2009. 
  16. ^ SC09: IBM lässt Cell-Prozessor auslaufen. HeiseOnline. November 20, 2009 [November 21, 2009]. 
  17. ^ 世界第一超算“走鹃”成为绝唱 IBM放弃Cell研发
  18. ^ 天驕的隕落:IBM放棄Cell處理器開發計劃
  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查閱] (中文(台灣)‎). "IBM、SONY、SCE 與東芝等 4 家公司,於今日(8 月 25 日)正式公開其所共同研發的新一代微處理器「Cell」的詳細規格資料參考文件,供所有對 Cell 相關設計與程式撰寫有興趣的資訊工作者參考。" 
  20. ^ Synergistic Processing in Cell's Multicore Architecture (PDF). IEEE. [2007-03-22]. 
  21. ^ 21.0 21.1 在 Cell BE 处理器上编写高性能的应用程序
  22. ^ S Koranne. The Power Processing Element (PPE). Springer US. [2013-04-07查閱] (英文). 
  23. ^ 杜立 (Jim Turley). Cell處理器開啟多重處理架構的新紀元. EET電子工程專輯. 2006-07-24 [2013-04-09查閱] (中文(台灣)‎). "還記得第一次對一款處理器進行編程?那一定是既興奮又具有挑戰性的過程。對經驗豐富的程式設計師或開發團隊來說,即使是一般的微處理器也充滿著各種挑戰。現在,想像要從單一原始程式碼串流突然為九個不同的處理器進行編程,並使其全部能協同工作;而當處理器運作時,它仍能出乎意外的順利執行。要使這些微處器能協同工作,最重要的就是技巧。這便是IBM......" 
  24. ^ Rambus - Sony PlayStation 3
  25. ^ IBM BladeCenter QS22. IBM. [2013-04-08查閱] (日文). "BladeCenter QS22は、IBM PowerXCell 8i プロセッサーを搭載した先進的なブレード・サーバーです。Cell Broadband Engine アーキテクチャーの拡張版を土台とするQS22は、旧世代ブレードの5倍の倍精度演算性能を発揮します。" 
  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查閱] (中文(台灣)‎). "Roadrunner 在 2008 年 6 月到 2009 年 11 月間曾經是世界最快的電腦(2006 年剛上線時沒有 PowerXCell 的配置,那是在之後加裝的),除了進行核彈內能量流動的計算之外,也在 HIV、奈米線、和宇宙模擬等方面進行了研究。" 
  27. ^ 陳曉莉. 綠色超級電腦評測:GPU與IBM出色. iThome Online. 2013-04-01 [2013-04-08查閱] (中文(台灣)‎). 
  28. ^ 沈經. 綠色超級電腦評測:GPU與IBM出色. iThome Online. 2010-07-05 [2013-04-08查閱] (中文(台灣)‎). 
  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查閱] (中文(台灣)‎). "IBM 於今日公布了由 SONY、TOSHIBA 與 IBM(合稱 STI)所共同研發、預定用於 PS3 主機以及科學運算與多媒體運算等領域的新一代高效能微處理器「Cell」的效能測試報告,供玩家參考。" 
  31. ^ Toshiba 發表 SpursEngine 圖形協同處理晶片
  32. ^ 东芝重量级ZF平板电视采用Cell处理器
  33. ^ 丽台发布Cell核心视频加速卡
  34. ^ Toshiba 的 SpursEngine
  35. ^ 东芝推出2D画面变3D的新电视Cell TV. 2010-01-08. 原文發表日期 [2013-04-06查閱] (中文(中国大陆)‎). 
  36. ^ 東芝Cell電視可將數字視頻轉換為3D視頻
  37. ^ 商刊:东芝欲借Cell电视机提高品牌知名度

外部链接[编辑]