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Cell (微处理器)

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Cell Broadband Engine (Cell)
搭载于PlayStation 3上的Cell
产品化2006年
设计团队SCE、SONY、IBM、东芝
指令集架构Power Architecture
制作工艺/制程90纳米 至 45纳米
核心数量9
应用平台电子游戏机、超级计算机、电视机
POWER、PowerPC，以及Power ISA（英语：Power ISA）架构
飞思卡尔（原摩托罗拉）
IBM
IBM/任天堂
其他
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Cell微处理器架构（Cell Broadband Engine Architecture，通常简称Cell BE[1]或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，并具有高时钟频率、高执行效率等特点。主要应用于PlayStation 3和刀锋服务器之上。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]

发展历史

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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设计中心的重要支持。[7]在此期间，IBM提出了Cell架构，制造工艺和软件环境有关的多项专利。早期专利版本的Broadband Engine被证实是一个芯片封装，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芯片上，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纳米制程推进到65纳米制程，由位于美国纽约州 East Fishkill 的12吋晶圆厂展开65纳米制程Cell微处理器的生产。制程推进到65纳米之后，Cell的芯片面积与耗电量将可进一步压低，有利于数字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纳米制程的Cell处理器。[10][11]2009年8月，轻薄版PlayStation 3－PS3 Slim同时采用45纳米Cell处理器。[12]

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

2008年5月，以一个Opteron处理器和PowerXCell 8i为基础的超级计算机，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

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  • 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，IBM、SONY、SCEI与东芝等 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 基于分布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，低端汇编语言，高阶 C/C++ 编程语言扩展规格，以及应用程序二进制接口（Application Binary Interface）的规格书与帮助文档。[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，大大加快多媒体和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

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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

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Power Processor Element（简称为PPE）：PPE 包含一个64比特双线程PowerPC结构的RISC内核，并支持PowerPC的虚拟内存子系统。它具有32KB的 L1 指令缓存，以及一个32 KB 资料缓存，以及512 KB L2的共享缓存。Cell中的PPE包含VMX指令集（Vector Multimedia eXtensions：AltiVec技术）。[22]

SPE

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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）
  • 一个存储器流控制器（MFC），它负责管理 SPU 的本地存储和主存之间的 DMA 传输

EIB

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Element Interconnect Bus（简称 EIB）：透过该总线，每个DMA控制器获取与SPE相关的指令和资料。DMA控制器也将结果送到通用总线，使其可输出到芯片外，以发送给芯片上的周边设备或PPE缓冲存储器。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控制器便负责截取信息。[23]

存储器与I/O控制器

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Cell BE内置2.5兆字节内存，通过Rambus的XDR和FlexIO技术，每秒可与外部内存交换100吉字节Gbytes的数据。XDR存储器控制器接口(XIO)为72比特宽，可以在3.2Gbps资料速率下运作并提供25.6GB/s的总存储器带宽。[24]

PowerXCell 8i

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2008年，IBM公布了经修订的变种Cell，它被称作PowerXCell 8i，并从IBM的刀片服务器QS22开始采用。[25]花费超过一亿美元的 走鹃 是世界第一台 Linpack 达成 1 petaflops 的超级计算机，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]国际超级计算机大会发布的绿色超级计算机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和超级计算机，PowerXCell也被做成一张PCI-E接口的加速处理器，并在QPACE项目作为核心处理器。[29]

商业化

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PS3

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STI 将 Cell 应用于高清数字影音家电、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 亿晶体管所构成，PS3 则采用主频 3.2GHz 的版本。[30]

SpursEngine

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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-2和H.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-2和H.264），并有自己的XDR存储器。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芯片的加速卡，用作协助电脑作影像编辑。[33][34]

家用电视

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东芝公司推出Cell TV，它能把2D画面转换成3D。Cell T还可升级数字视频，甚至补强像素，强化低质量的流，并测知房间的灯光，调整屏幕的显示质量。Cell TV尚有内置摄影机、麦克风与软件，可以拨打网络视频电话。[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，用来说明硬件和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

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参考资料

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  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 纳米制程 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 千万晶体管所构成，芯片面积 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 的芯片照与 SRAM 设计，透过制程与 SRAM 电源设计的改良，提升芯片最高运作主频并降低芯片耗电量。 
  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）. 
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  20. ^ Synergistic Processing in Cell's Multicore Architecture (PDF). IEEE. [2007-03-22]. （原始内容存档 (PDF)于2016-03-05）. 
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  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。对经验丰富的程序员或开发团队来说，即使是一般的微处理器也充满着各种挑战。现在，想像要从单一原始代码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、纳米线、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））. 
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  29. ^ QPACE: power-efficient parallel architecture based on IBM PowerXCell 8i
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  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）. 
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  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

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