Cell (微处理器)
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]
![]() 搭载于PlayStation 3上的Cell | |
产品化 | 2006年 |
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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 |
发展历史
编辑在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
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,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
编辑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
编辑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
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
编辑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
编辑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
编辑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
编辑PS3
编辑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
编辑东芝推出基于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
编辑东芝公司推出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
编辑参考资料
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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。
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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。
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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 相关设计与程序撰写有兴趣的信息工作者参考。
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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......
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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。
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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。
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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性能微处理器“Cell”的性能测试报告,供玩家参考。
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- ^ 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).
- ^ 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
编辑- (英文) Cell Broadband Engine resource center(页面存档备份,存于互联网档案馆)
- (英文)(日语) 索尼电脑娱乐 Cell处理器专属网站
- (日语) Cellブロードバンド・エンジン・マイクロプロセッサ向けにLinux机能拡张を含む主要ソフトウェア开発ツールを公开(页面存档备份,存于互联网档案馆)
- (英文) Cmpware Configurable Multiprocessor Development Kit for Cell BE(页面存档备份,存于互联网档案馆)
- (英文) ISSCC 2005: The CELL Microprocessor(页面存档备份,存于互联网档案馆)
- (英文) The little broadband engine that could: Reviewing the newest little SDK that installs natively on PS3(页面存档备份,存于互联网档案馆)
- (英文) Introducing the IBM/Sony/Toshiba Cell Processor ? Part I: the SIMD processing units(页面存档备份,存于互联网档案馆)
- (英文) Introducing the IBM/Sony/Toshiba Cell Processor -- Part II: The Cell Architecture(页面存档备份,存于互联网档案馆)