Cell (微處理器)
Cell微處理器架構(Cell Broadband Engine Architecture,通常簡稱Cell BE[1]或CBEA[2])由索尼、索尼電腦娛樂、東芝、國際商業機器(IBM)公司聯合開發[3]。它是以RISC指令體系的Power架構為基礎來設計的,並具有高時脈頻率、高執行效率等特點。主要應用於PlayStation 3和刀鋒服務器之上。而CELL處理器的第二代版本,提高了雙精度浮點運算性能。以往的CELL處理器,雙精度的性能只有單精度的十分之一。而新的CELL處理器,可以使到雙精度性能有五倍的提升。[4]
![]() 搭載於PlayStation 3上的Cell | |
產品化 | 2006年 |
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設計團隊 | SCE、SONY、IBM、東芝 |
指令集架構 | Power Architecture |
製作工藝/製程 | 90奈米 至 45奈米 |
核心數量 | 9 |
應用平台 | 電子遊戲機、超級計算機、電視機 |
發展歷史
編輯在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奈米製程的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於SC09高性能計算會議上宣布,放棄基於Cell架構處理器的開發[15][16],Cell架構及設計理念將融合到IBM的其他處理器產品中。[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
編輯- Cell包含9個核心:1個64位的PPE控制核心和8個完全一樣的SPE運算核心。
- 擁有2億5千萬個晶體管(DD2量產版)。核心面積為235平方毫米,採用IBM的SOI 90納米銅互連工藝製造,在此之後採用65納米工藝製造。
- 首批工程樣品工作頻率為4.06 GHz,工作電壓1.1伏特;此後有4.6 GHz。
- 每秒可進行2560億次浮點計算(256 GFlops)。
- 支持網格運算,具備靈活的並行、分布式的計算結構。
2005年8月25日,IBM、SONY、SCEI與東芝等 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,大大加快多媒體和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
編輯PPE 可以作為資源管理使用,SPE 可以作為數據處理器使用。PPE 上的程序可以將任務分解到 SPE 上完成,然後相互傳輸數據。SPE 缺少一般處理器中的大部分通用特性,它們根本不能執行常見的操作系統任務,沒有虛擬內存的支持,不能直接訪問計算機的RAM,中斷支持也非常有限。將 SPE、PPE 和主存控制器連接在一起的是一個名為 Element Interconnect Bus 的總線,這是數據傳輸的主要通道。[21]
PPE
編輯Power Processor Element(簡稱為PPE):PPE 包含一個64位元雙執行緒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
編輯Synergistic Processing Elements,簡稱SPE。[21]每個 SPE 包括:
- 一個向量處理器,稱為 Synergistic Processing Unit,或 SPU
- SPU 中的一個私有內存區域,稱為本地存儲(PS3 上這個區域的大小是 256K)
- 用來聯繫外部世界的一組通信通道
- 一組 128 個寄存器,每個 128 位寬(每個寄存器通常都可以用來同時保存 4 個 32 位的值)
- 一個記憶體流控制器(MFC),它負責管理 SPU 的本地存儲和主存之間的 DMA 傳輸
EIB
編輯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
編輯Cell BE內置2.5兆字節內存,通過Rambus的XDR和FlexIO技術,每秒可與外部內存交換100吉位元組Gbytes的數據。XDR記憶體控制器介面(XIO)為72位元寬,可以在3.2Gbps資料速率下運作並提供25.6GB/s的總記憶體頻寬。[24]
PowerXCell 8i
編輯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]花費超過一億美元的 走鵑 是世界第一台 Linpack 達成 1 petaflops 的超級電腦,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
編輯PS3
編輯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
編輯東芝推出基於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-2和H.264的硬件編解碼器。它可以用來加速圖片和視頻播放(包括MPEG-2和H.264),並有自己的XDR記憶體。接口方面,可以採用PCI-E x1或者x4。東芝的平板電視都會採用相關的處理器,將標清分辨率插值至1080p。並同時進行細節修補,改善色彩,邊緣銳利化等工作[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
編輯東芝公司推出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]這是東芝以Cell為核心開發的首款產品,重點顯然是將電視機作為一個範例,用來說明硬件和軟件工程師能夠合力開發出什麼樣的產品。例如:利用Cell電視機的連網功能建立一種商業模式,這款電視機顯然可以成為一大批付費服務的載體。[37]
參見
編輯參考資料
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- ^ What does CBEA stand for? Cell Broadband Engine Architecture (IBM). [2013-04-06]. (原始內容存檔於2013-10-06).
- ^ 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]. (原始內容存檔於2016-03-05) (中文(臺灣)).
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。
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- ^ The Soul of Cell: An interview with Dr. H. Peter Hofstee. [2013-04-07]. (原始內容存檔於2006-03-28).
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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。
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- ^ IBM shrinks Cell to 45nm. Cheaper PS3s will follow. [2013-04-03]. (原始內容存檔於2012-12-02).
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- ^ IBM Offers Higher Performance Computing Outside the Lab. IBM. [May 15, 2008]. (原始內容存檔於2019-09-24).
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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。
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- ^ S Koranne. The Power Processing Element (PPE). Springer US. [2013-04-07]. (原始內容存檔於2018-06-16) (英語).
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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......
- ^ Rambus - Sony PlayStation 3. [2013-04-09]. (原始內容存檔於2013-05-22).
- ^ IBM BladeCenter QS22. IBM. [2013-04-08]. (原始內容存檔於2014-05-17) (日語).
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、舊世代ブレードの5倍の倍精度演算性能を発揮します。
- ^ 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]. (原始內容存檔於2013-04-03) (中文(臺灣)).
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。
- ^ 陳曉莉. 綠色超級電腦評測:GPU與IBM出色. iThome Online. 2013-04-01 [2013-04-08]. (原始內容存檔於2013-06-04) (中文(臺灣)).
- ^ 沈經. 綠色超級電腦評測:GPU與IBM出色. iThome Online. 2010-07-05 [2013-04-08] (中文(臺灣)).[永久失效連結]
- ^ QPACE: power-efficient parallel architecture based on IBM PowerXCell 8i
- ^ 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]. (原始內容存檔於2011-12-28) (中文(臺灣)).
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。
- ^ Toshiba 發表 SpursEngine 圖形協同處理晶片. [2013-04-05]. (原始內容存檔於2010-06-09).
- ^ 东芝重量级ZF平板电视采用Cell处理器. [2008-09-01]. (原始內容存檔於2008-11-20).
- ^ 丽台发布Cell核心视频加速卡. [2008-09-12]. (原始內容存檔於2008-09-24).
- ^ Toshiba 的 SpursEngine. [2013-04-05]. (原始內容存檔於2017-02-04).
- ^ 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]. (原始內容存檔於2015-05-25) (中文(中國大陸)).
- ^ 東芝Cell電視可將數字視頻轉換為3D視頻. [2013-04-06]. (原始內容存檔於2015-06-19).
- ^ 商:东芝欲借Cell电视机提高品牌知名度. [2013-04-06]. (原始內容存檔於2015-06-19).
外部連結
編輯- (英文) Cell Broadband Engine resource center(頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- (英文)(日語) 索尼電腦娛樂 Cell處理器專屬網站
- (日語) 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機能拡張を含む主要ソフトウェア開発ツールを公開(頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- (英文) Cmpware Configurable Multiprocessor Development Kit for Cell BE(頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- (英文) ISSCC 2005: The CELL Microprocessor(頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- (英文) The little broadband engine that could: Reviewing the newest little SDK that installs natively on PS3(頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- (英文) Introducing the IBM/Sony/Toshiba Cell Processor ? Part I: the SIMD processing units(頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- (英文) Introducing the IBM/Sony/Toshiba Cell Processor -- Part II: The Cell Architecture(頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)