[原创] PowerPC的芯酸往事
2020-07-08
14:00:05
来源: 半导体行业观察
在芯片界，苹果可以说是最负盛名的客户。而做苹果的客户可谓是既“瑟瑟发抖”又“无限荣光”的事情。达则走向巅峰，败则跌落谷底。苹果近日的换芯计划，不禁让人联想起2005年的PowerPC。曾经被当做是英特尔X86的杀手，受到苹果台式机、各类消费类游戏机、网络服务器以及航空航天和国防应用之类的拥护首选的PowerPC处理器，经历过高光时刻，但如今，市面上已鲜有它的身影了。PowerPC发生了什么？又在哪里？你还记得它吗？
PowerPC是AIM联盟的产物，AIM联盟是指苹果，IBM和摩托罗拉。在1990年，苹果，IBM和摩托罗拉决定实施一种新的RISC架构处理器，以适应他们未来的新硬件和软件需求。具体而言的话，IBM需要一种将POWER变成在服务器柜外使用的更广泛的计算产品的方式，摩托罗拉需要高端RISC微处理器才能在RISC市场上竞争，而Apple需要用于个人计算机的CPU，该处理器与68K都可以同时向后兼容。
因此，AIM联盟诞生了，这个联盟一直持续到2005年左右。这个所谓的AIM小组的每个成员都做出了贡献：苹果将在其高端mac电脑系列中使用PowerPC，最终取代它从一开始就使用的680 * 0处理器，并且苹果使用PowerPC CPU有近十年时间，直到2005年切换到英特尔处理器；IBM为其新的RS/6000商用计算机提供了大部分的架构；摩托罗拉在知道其68K处理器行将破产，而其新的88K系列看起来也不确定的情况下，将负责制造芯片。
Power Apple配备了G5 PowerPC CPU（图源：苹果）
PowerPC的根源是IBM 801，它是最早的基于RISC的处理器之一。在90年代，Power体系结构及其在大众市场上出售的PowerPC处理器被认为是当时英特尔的杀手ers。
1993年，AIM通过以66MHz的初始速度发布32位PowerPC 601揭开了PowerPC的序幕。601基于IBM的RISC单芯片处理器（RSC），将IBM的POWER架构与摩托罗拉开发的60x总线结合在一起，可与它们的88000一起使用，601被设计为从POWER架构到PowerPC架构的过渡处理器。PowerPC 601处理器通过支持大多数PowerPC和POWER指令，在POWER和PowerPC体系结构之间架起了一座桥梁。PowerPC处理器于1994年首次出货。
第二台PowerPC处理器是603，603与601的设计截然不同。603在设计时考虑的是低功耗，因为苹果需要为PowerBook系列提供芯片。但603较小的16K split L1缓存意味着它无法模仿遗留的68K代码，而68K代码构成了苹果操作系统和应用程序基础的很大一部分。因此，603被降到苹果产品线的最低端。不过此后发布了直到发布了32K split缓存的微调版本(603e)。603e在模拟的68K代码上性能更好，因此在PowerBook系列中得到了广泛的应用。
在603e走向市场的同时，604也正在酝酿之中。604原本是苹果的高端PPC台式机处理器，因此其功率和晶体管预算比603e高得多。真正使604与其他600系列PPC脱颖而出的另一个因素是设计其更广泛的执行核心。凭借更大的缓存，更高的调度和发布率，更广泛的执行核心以及更深层次的流水线使RISC性能稳定，604可以轻松地与x86竞争对手保持同步。
老实说，有那么一段时间，PowerPC获得了巨大的成功。摩托罗拉68000系列芯片是Apple PC以及许多种类和数百万个嵌入式控制器的核心。除了苹果之外，索尼的PlayStation3、任天堂的Wii、Wii U、GameCube、微软的Xbox 360和3DO M2都使用了PowerPC处理器。
但是PowerPC在计算机领域却没有流行起来。除了PowerMacs和一些不知名的桌面机器之外，PowerPC没有多少落脚之地。后来，摩托罗拉将目光从桌面处理器转向了嵌入式芯片。IBM(当它还在销售微处理器的时候)也做了同样的事情，生产了PowerPC 403、405和相关的低端设备。
如今，世界上最快的500台计算机中有13台运行的是Power处理器，PowerPC的遗产仅存在于某些IBM处理器和Freescale(从摩托罗拉剥离出来的芯片公司)的嵌入式处理器中。然而在辉煌的时候该数字曾经接近200。此后，它的主导地位一直在下降。
2005年，苹果联合创始人史蒂夫·乔布斯宣布苹果将转向英特尔处理器。当苹果放弃PowerPC时，其实就数量而言，他们并没有失去大量客户，但他们失去了最负盛名的客户。然后游戏机也放弃了PowerPC，而典型的嵌入式系统也放弃了。
在20世纪90年代和21世纪初，授权处理器IP可谓风靡一时，这是实现大规模采用的最可靠途径。其实从一开始，IBM就仿效了ARM、MIPS、SPARC等架构，走了PowerPC的授权路线。但是IBM的条款太苛刻了，PowerPC许可证比MIPS或ARM的许可证贵得多。PowerPC未能在市场普及很大的原因是开放不足、IBM的高价授权费。智能手机时代后，PowerPC 因成本问题逐渐被边缘化。
据相关报道，IBM希望保持其许可证持有者的规模较小，以减少内部竞争。所以，最终总共有近24家公司买了PowerPC的授权许可，这听起来很多，但其中只有少数公司生产了知名的芯片，包括Applied Micro、思科、索尼、意法半导体和东芝。早前Altera和Xilinx都提供了PowerPC风格的FPGA。而许多其他被许可方都是初创公司，他们原本希望能能赶上PowerPC的早期浪潮，但可惜PowerPC从未能称霸市场。
据了解，PowerPC 联盟曾进军台湾，但由于苹果的操作系统 Mac OS 和 IBM 的操作系统 OS/2 没有移植到 PowerPC 参考平台（Power PC Reference Platform），软件开发进度也严重延迟， PowerPC 体系的商业化发展受到严重限制。
后来，财团开始出来支持PowerPC的发展。先是Power.Org小组成立于2004年，不过现在已经停业。又因为当时摩尔定律的衰落，需要更强大的系统来支持HPC，人工智能和数据分析，于是OpenPower于2013年成立。OpenPower后来被合并到Linux基金会中，与RISC-V和其他一百多个大小项目并存。通过将所有权转让给Linux Foundation，IBM实质上放弃了对该体系结构或至少其许可版本的控制。
但是，即使采取了正确的商业措施，PowerPC也无法获得大家的青睐。主要有两方面原因导致：一部分原因是早期的PowerPC芯片上市时间较晚，还有一部分原因是英特尔非常善于利用其制造技术来加快其设备的运行速度。 其结果就是PowerPC一系列芯片比同等的x86更贵，但功能却不及X86更弱。
2019年8月，蓝色巨人IBM又决定放弃高价授权费，将引以为傲的PowerPC架构和指令集开源，从此后任何公司都可以免费使用这个架构及相关专利，并生产自己的CPU。对于ISA来说，这是一个免费的、免版权费的许可证，就像RISC-V和其他开源处理器的许可证一样。从现在开始，您可以设计自己的PowerPC处理器，而无需先支付高额的许可证费用。
然而，与RISC-V不同的是，它没有现成的IP核供您使用。IBM已经演示了PowerPC在Xilinx FPGA上的运行，但它在很大程度上只是一个演示，而不是一个商业实现，更多的是所谓的指导方针。
OpenPower基金会执行董事Hugh Blemings直截了当地说：“ Power架构的未来从未如此光明。” 生意兴隆时，您不会将价格降为零。尽管如此，对于Power作为一种体系结构而言，这一举动可能是一个不错的选择。对于全世界的设计师来说，这是一个不错的选择，因为他们现在有一个重要的新选择要考虑。
从数百万美元的许可证到免费的几年之内。对于PowerPC及其创建者IBM而言，这无疑是一大悲哀。
2005年2月28日， 信息产业部软件与集成电路促进中心(CSIP)与飞思卡尔半导体公司(Freescale)联合宣布将在北京共建CSIP-Freescale Linux系统实验室，支持国家软件与集成电路公共服务平台的建设。在此次合作中，飞思卡尔和第三方合作伙伴将为该实验室提供基于PowerPC处理器的开发板和工作站。
此后飞思卡尔半导体公司也与清华大学签订过许可授权协议，后者将获权使用飞思卡尔e200z6-z3内核。飞思卡尔与中国最高学府的携手合作也将成为推进Power架构技术在中国发展步伐的里程碑，同时清华大学也表示，今后会在飞思卡尔e200内核的基础上研发新产品，并为学生提供Power架构技术培训。
前文所提到的Power.org联盟成立之初，除了Freescale、Cadence、Synopsys等电子设计领域的著名厂商外，也有中国企业的身影，上海贝岭股份就是其中一家。此后苏州国芯、华芯飞也成为该组织的成员。不过相关的芯片成品并不多，仅苏州国芯有较多的成果。
苏州国芯科技股份有限公司成立于2001年，2001年在信息产业部指导下苏州国芯接受摩托罗拉先进水平的低功耗、高性能32位RISC嵌入式CPU M*Core 技术及设计方法，2010年又接收了IBM较先进的PowerPC技术。根据IBM和苏州国芯科技的技术转移协议，IBM同意将 PowerPC嵌入式CPU的技术转移给中国，这也是IBM第一次将 PowerPC技术正式许可给中国企业使用，并且中国企业可以在此基础上开展创新研究和开发，技术成果归中国企业所有。
基于PowerPC的指令集和架构开发高端嵌入式C*Core CPU，苏州国芯以此为高起点，经过多年的开发与自主创新，公司成功开发了C0、C200、C300、C400、C2000、C8000、C9000等7个系列43款高性能嵌入式CPU系列。基于C*Core核心已有80多款SoC芯片完成设计，并在SMIC、HHNEC、联电/和舰、宏力和TSMC等工艺线上验证及生产。基于C*Core CPU及设计平台的系列技术广泛应用于在信息安全、智能电网、金融安全、电子政务、工业控制、办公自动化等领域。2018年有超过亿颗内嵌 C*Core CPU 的 SoC 芯片获得量产应用。
再就是成立于2013年的苏州中晟宏芯信息科技有限公司（下称“中晟宏芯”），其员工主要来自中科院计算所和IBM，2014年中晟宏芯在工信部电子司和苏州政府的扶持下，加入IBM发起的OpenPOWER基金会，获得IBM POWER CPU的授权，并且得到了IBM、中科院计算所提供的技术支持。并在2015年6月发布了第一款IBM授权POWER架构的服务器芯片产品CP1。
2016年6月，中晟宏芯宣布又拿到了IBM服务器处理器芯片POWER 8芯片架构和指令系统的永久授权，并可以基于该芯片进行自主创新。中晟宏芯董事长郑茳此前曾表示，引进Power 8之后，需要结合政府部门要求和厂商迁移需求重新设计中国自主标准的安全模块。初期在掌握源代码的基础上学习IBM技术，做出可控芯片，后期则在IBM帮助下自主定义芯片结构。当时IBM做出了很大的让步，为了符合中国政府在安全方面的监管要求，IBM甚至同意中晟宏芯可以删除POWER 8的安全模块，更换为国产的安全模块系统。
回看PowerPC的发展，尤其是在进入国内的这些年，他们扮演了一个非常重要的角色，这是当前包括RISC-V在内的很多架构所不能比拟的。在本文中，我们只是粗浅谈了一下PowerPC的前世今生。接下来，我们将对PowerPC的中国发展进行更深入的溯源报道，欢迎知情者在文章下面留言，为我们的文章提供支持，一起记录下这段永远不应该被磨灭的历史。
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