基本介紹
- 中文名：cell處理器
- 研發：索尼、IBM和東芝
- 工作頻率：3.8GHz
- 數據交換速度：100GB/s
- 晶片尺寸：221平方毫米
產品介紹,研製背景,
產品介紹
索尼、IBM和東芝聯合研發Cell處理器已經有數年之久，Cell處理器設計目標是為多媒體套用帶來高性能的最佳化處理器。
IBM和Cell處理器合作夥伴，為Cell處理器編程，提供開放原始碼的工具。
Cell處理器其它技術參數如下：
頻率最高的Pentium處理器工作頻率是3.8GHz。Cell處理器每秒可以執行2千5百60億次計算，即256Gigaflops。
研製背景
早在2001年，索尼就對外透露將與IBM合作，由IBM來設計PS3遊戲主機的處理器，這枚處理器被命名為“Cell”，也就是中文“細胞”的意思。雙方宣稱，Cell的運算能力將達到史無前例的1TeraFLOPS（Floating Operations per Second），也就是每秒執行萬億次浮點運算，這樣的性能絕對可達到超級計算機的標準。在當時，世界上最快的計算機是NEC的“地球模擬器”，它的運算能力為每秒36萬億浮點運算，換句話說，36部PS3遊戲機的運算力總和就達到同樣的水平。再者，Cell可支持一項特殊的分散式運算技術，多台PS3連線在一起可以分享運算力，由此獲得更高的效能。在當時，這樣的設計理念讓人目瞪口呆，外界的第一反應就是，索尼不過是在吊玩家的胃口，而IBM則是在吹牛。
在這之後，PS3和Cell很快被人淡忘，直到2004年，索尼與IBM再度公布了一些關於PS3和Cell的訊息，據稱Cell已經完成設計，處於樣品測試階段，工作頻率達到2GHz，很好地實現了預期設計目標，但這仍只是一條紙面上的簡單報告，雙方都沒有展出任何相關樣品供參考。此時，外界的眼球早已被Intel、AMD之間激烈的競爭吸引，專屬於遊戲機的Cell處理器自然不可能獲得業界的廣泛注意。2005年2月，IBM在“國際固態電路會議（IEEE International Solid-State Circuits Conference，簡稱為ISSCC）”上發表了數篇關於Cell的技術論文，披露Cell處理器的詳細規格參數並展出相關樣品，IBM還宣布 Cell已進入到大規模量產階段，將在未來幾個月內提交給索尼。就這樣，一款媲美超級計算機的革命性微處理器由此到來。在下面的文字中，我們將對Cell 處理器進行深入詳盡的技術分析，倘若讀者有耐心讀完本文，也許會發現今天我們津津樂道的X86處理器在思想上落後了數個時代。
在介紹Cell的邏輯架構之前，我們先來看看Cell的物理規格：Cell集成了2億3400萬個電晶體，它採用IBM的90納米SOI、Low -K工藝製造，核心面積為221平方毫米，晶片規模與Intel的雙核Pentium D相當，兩者的製造成本處於同一條水平線上。在邏輯上，Cell處理器基於一個“Power處理單元（Power Processor Element，下面簡稱為PPE，由PowerPC970簡化而來）”，它可以支持SMT虛擬多執行緒技術，同步執行兩個不相干的執行緒。此外，Cell內部還擁有八個基於SIMD的協處理器（Synergistic Processor Element，以下簡稱SPE），可支持多達十條執行緒的同步運行。另外，Cell還整合了 XDR記憶體控制器，可配合25.6GBps頻寬的記憶體系統，而它的前端匯流排也採用96位、6.4GHz頻率的FlexIO並行匯流排（原名稱為 “Redwood”，RAMBUS公司所開發），這也是有史以來速度最快的計算機匯流排。所有的這一切都讓人覺得非常不可思議，如果我們將Cell同X86 處理器對比，便會發現二者在設計上沒有半點相似，Cell不同尋常的另類設計也引起外界的普遍疑慮：它的工作頻率能到什麼水平？實際性能又比最新的X86 處理器快多少？Cell能夠達到預期設計目標么？
如果你心裡也有類似疑問，我們的建議是將你之前所了解的X86處理器知識全部清空，然後重新來認識Cell。我們知道，目前X86處理器的頻率最高紀錄是3.8GHz，由Intel波塞冬核心的Pentium 4 E所創下，本來Intel計畫讓它的頻率突破4GHz，但受到高功耗和穩定性方面的困擾，不得不宣告失敗，要更進一步提升頻率也被業界認為難以實現。然而，Cell的工作頻率輕易突破了4GHz，並將達到4.6GHz的新高，這顯然超出X86業界所能理解的範圍。更不合常理的是，X86處理器的高頻率必須以犧牲指令效能為代價，高頻未必就能帶來高效能（Pentium 4系列的高頻低能人所共知），而Cell的實際運算性能竟達256Gigaflops，也就是每秒可執行2560億次浮點運算，IBM最初的設計是將四枚處理器整合一體，這樣就可獲得每秒萬億次浮點運算的超高性能。如果你對此沒有感性的認識，我們不妨舉些例子作為對比：Pentium 4 E 3.8GHz的SIMD效能為15Gigaflops，這也是X86處理器目前能達到的最高水平，但這個性能只有Cell的十七分之一，兩者完全不具可比性，儘管它們的物理參數和製造成本處於同一水平線。IBM十分自豪地將Cell稱為“單晶片超級計算機”，這也很好實現了預期設計目標。
Cell所具有的高效能無疑得益於高度最佳化的Power架構。Power是IBM為超級計算機所創立的RISC指令系統，而RISC架構具有與生俱來的高效性，處理器結構精簡，技術上明顯優於X86。正因為這一點，幾乎所有的超級計算機系統都隸屬於RISC體系，而我們所津津樂道的X86，實際上僅僅局限在PC環境，只是因為PC與人們工作生活聯繫緊密，故廣為人知（關於RISC與CISC的對比，本刊上期《未來處理器設計思想前瞻》的文章中有非常詳盡的闡述，有興趣的讀者可自行參考，這裡就不再贅述）。不過，RISC架構顯然不是Cell擁有超高性能的唯一原因。如果我們將PowerPC 970處理器（蘋果稱之為“PowerPC G5”）與Cell對比，大家還是可以發現兩者的性能差距極其懸殊：PowerPC 970的電晶體數為5800萬個，4枚PowerPC 970的電晶體數總和與一枚Cell相當，但配備雙PowerPC 970處理器的Xserve G5僅能提供9.0 Gigaflops的運算力，遠無法與Cell相比，儘管它們在設計架構上同屬於Power體系。實際上，Cell的高效能很大程度上來自於其新穎的設計思想：主處理器與協處理器各司其職，核心設計精簡高效以實現高頻運作，而運算單元則採用128位並行結構，大家可以從下面的分析中逐漸了解到這一點。
高度彈性的設計與分散式計算是Cell除高性能之外的兩大亮點。IBM希望Cell可適用於從嵌入式設備到大型計算機等幾乎所有計算設備中，所以將Cell設計為一個通用的處理器平台。根據不同的需求，Cell可以對處理核心的數量進行任意裁減，如針對嵌入式設備的產品只有單個核心，且工作在較低的頻率上以實現較低的能耗；針對便攜電腦和桌面PC的版本，可使用與PS3遊戲機一樣的標準Cell，或者對SPE數量進行適當裁減；如果要用於工作站/伺服器系統，IBM可以將兩枚Cell處理器直接集成在一起以獲得更高的效能；若要用於大型計算機，Cell則可配置成包含四枚獨立處理器的“MCM模組”，此時它具有每秒萬億次浮點的運算能力，這也是IBM當初承諾的標準。而支持分散式計算技術更具革命意義，Cell擁有一條超高速度的FlexIO晶片連線匯流排，基於Cell的不同計算設備可以藉此聯成一體，實現運算力與記憶體資源的分享。網路上的設備越多，所擁有的運算力就越強大。此時，Cell處理器就好比是該計算網路上最基本的構成細胞，而這項機能將帶來一場天翻地覆的計算革命。想想看，任何人都可以在家庭中輕而易舉製造出屬於自己的超級計算機，這無疑意味著計算力的真正解放。
支持多作業系統運作是當前X86處理器的熱門技術，其實IBM在幾年之前就將該技術套用於Power架構處理器中，Cell理所當然繼承了這項特性。另外，Cell具備強大的自主糾錯能力—IBM實驗室的科學家們一直致力於研究真正可靠的計算，他們希望計算機能夠具備故障自動恢復功能，實現真正的 “永不宕機”運作，而這項成果現在也被用於Cell身上。在運行過程中，Cell可自動檢測所處理的數據是否遭到破壞，如果數據出錯，Cell會藉助某種機制將它自動恢復為正常的狀態，從而避免產生錯誤的結果或令系統停機。在下面的文字中，我們將向大家詳細分析Cell的設計細節以及套用模式，從中你可以對Cell有更深地了解。
PPE/SPE：針對“簡單任務”而設計。PPE處理單元是Cell的控制與運算中樞，它應該是以IBM的Power 4處理器為基礎進行設計的，可支持同步多執行緒技術。該處理單元內置了32KB一級快取和512KB二級快取，其規格與同出一脈的PowerPC 970處理器極其類似。而在Cell中，真正負責浮點運算的應該是八個SPE協處理器。圖5所示是SPE的邏輯結構，SPE由4個負責浮點運算的處理單元、4個負責整數運算的處理單元、128bit×128結構的暫存器和256KB局部快取構成，它實際上就是一個完整的運算核心。根據IBM所公布的資料，我們獲悉SPE的流水線長度為18級，這一點與X86處理器也非常不同—流水線越長，處理器提升工作頻率就越容易，反之就越困難。20級流水線的 Northwood Pentium 4止步於3.2GHz，31級流水線的Prescott核心也不過到達3.8GHz，而Cell以18級的短流水線卻實現4GHz以上的高頻運作。設計者對此作出詳細的解釋：X86處理器必須完成大而全的運算功能，運算邏輯往往被設計得非常複雜，這也導致其頻率提升非常困難；而Cell在基礎架構上執行簡單化的計算思想，每一個複雜的任務都可以被分解為多個簡單的基礎任務，Cell中的SPE就專門針對這些基礎任務所設計，這樣，它就可以在保持高效的同時擁有簡單得多的邏輯結構，既然邏輯構成簡單，實現高頻率運作就沒有什麼懸念。從這裡也可看出，Cell與X86處理器最大的不同，還是在於它們對計算任務的不同理解。
儘管匯流排及暫存器都是128位結構，但SPE內的浮點單元和整數單元其實都只有32位，只是IBM通過4路並行運算來獲得128bit SIMD的效果，從外部看來，SPE便相當於一個可執行128bit指令的處理單元。SPE內的浮點單元和整數單元各自擁有三條128bit寬度的輸入匯流排和一條128bit寬度的輸出匯流排，二者以全雙工模式運作，數據輸入/輸出操作可同步進行。大家應該也發現這是一套不對等的方案，輸入匯流排的頻寬三倍於輸出匯流排，原因在於計算所需的數據總量總是比運算的輸出結果要多得多，匯流排寬度不同在設計上其實非常科學。而藉助這兩條匯流排，SPE協處理器的整數/浮點運算單元再與一組包含128個、寬度為128bit的暫存器陣列聯結在一起，該暫存器陣列又通過一對全雙工運作的、128bit匯流排同本地快取（Local Store）相連—每個SPE協處理器都擁有256KB本地快取，8個SPE就一共擁有2MB快取，再加上PPE處理單元的512KB二級快取，Cell 處理器總共擁有超過2.5MB容量的快取單元，對於一款擁有超級計算效能的處理器來說，如此低的指標同樣令人感到詫異。
分析完PPE與SPE協處理器的內部設計，我們再來看看它們是以何種方式組成Cell的。參見前面的圖4，我們可以看到Cell內部有一條 768bit位寬的“EIB單元互聯匯流排環（Element Interconnect BUS Ring，EIB Ring）”，它實際上是一個強大的內部匯流排控制邏輯—Cell內所有的功能單元都通過EIB匯流排環連線在一起，包括PPE、八個SPE、XDR記憶體控制器以及外部匯流排接口，它們所採用的無一例外都是全雙工的128bit連線匯流排。若Cell工作在4GHz頻率上，Cell內部的各個功能單元便都擁有 4GHz×128bit/Hz×2（全雙工）÷8Byte/bit=128GBps頻寬，這樣的數字顯然是非常可觀的。
我們很容易能根據這些參數計算出Cell擁有的運算效能：每個SPE協處理器擁有4路並行的整數/浮點單元，一個時鐘周期可執行兩個運算周期（類似DDR效果、技術細節未明），每個運算周期又可執行4次32位浮點運算；每個Cell擁有8枚SPE協處理器，它的工作頻率假設在4GHz，此時 Cell所具有的浮點效能就是2×4×8×4GHz=256Gigaflops，這應該很好理解。
與常規的雙核處理器不同的是，Cell內的1個PPE和8個SPE具有相當強的獨立性。其中，PPE處理單元的任務是運行作業系統，這個任務對於一個結構類似 PowerPC 970、頻率高達4GHz且可支持雙執行緒運作的處理核心來說簡直不費吹灰之力。但除了作業系統外，PPE不管任何的事情，應用程式相關的執行緒運算完全由 SPE協處理器運行。如圖6所示，我們可以看到多個應用程式的執行緒會被平均散布到各個SPE中，整套系統負載均衡、設計得非常科學。而這種縱向結構的多核心設計同X86業界鼓吹的雙核處理器截然不同，不論是Pentium D、Yonha還是AMD的雙核心Athlon 64，它們的每個處理核心地位對等、每個核心都可以獨立完成全部運算，所體現的是一種大而全的計算思想。由於晶片設計越來越複雜，它的工作頻率就不得不走了下坡路，Intel當年執著於高頻制勝的策略，結果落後於對手，業界普遍認為追求高頻率的做法沒有前途。而Cell處理器開闢出前所未有的新思路：每個處理核心專注於自己的任務，彼此相互依賴、相互協作，針對任務的簡單化也使得每個核心都可以被設計得精簡高效，工作頻率也輕易達到X86處理器無法企及的高度，最終實現了媲美超級計算機的驚人性能。而在相互協作的同時，Cell內的各個SPE協處理器又保持著高度獨立性，除了完成本機的計算任務外，SPE 還可以接受來自Cell計算網路中其他設備的計算請求，並執行相關的計算任務，所得結果再通過網路傳輸給任務發起者。換句話說，SPE協處理器可以在基於 Cell的計算網路中作平台無關的無縫漫遊，網路上的任務可以被均勻分散到所有的Cell處理器上，並以最佳方式在最短的時間內完成。
在看完上述分析之後，你一定會以為Cell將是一個功耗大戶，在看到詳細資訊之前，筆者也是抱這種態度。IBM所公布的資料再度讓人大吃一驚，當工作頻率為4GHz時，每個SPE協處理器的工作電壓高於1.1V，但其功耗僅僅只有4瓦。若頻率降到3GHz，工作電壓只需要0.9V，此時其功耗只有 2瓦。如果將頻率降低到2GHz，每個SPE的功耗僅有區區1瓦。那么，Cell內所有SPE協處理器的功耗總和最高也不過4瓦×8=32瓦。至於PPE 處理單元的核心部分，功耗水平也會控制在很低的水平，合乎邏輯的估計是Cell運算部分的功耗水平會在40瓦左右，即便加上快取單元整體功耗也可控制在較好的水平上。回過頭再來看看功耗將高達130瓦、性能不到Cell十分之一的Pentium D，大家會有什麼感受？
考慮到實際套用，Cell的低功耗並不令人吃驚。Cell本來就是為PS3遊戲機所設計，而遊戲機體積狹小，對晶片的功耗指標頗為敏感，指標過高將給散熱帶來難題且會產生較高的噪音，這是玩家們絕對無法承受的。在2006年，IBM將採用更先進的65納米技術來製造Cell，屆時它將具有更加出色的功耗水平，而低功耗也為Cell的廣泛套用奠定了良好的基礎，將它用於嵌入式設備、筆記本電腦、桌面PC還是工作站系統中都沒有任何問題，IBM今後所需要關心的，應該是作業系統和套用軟體方面的資源配合。
*注釋：由於SPE不能脫離PPE作為單獨的物理核心運行，所以嚴格上來講Cell是一個獨特的單核心處理器
CELL處理器終止開發
德國網站Heise Online證實（德語）IBM停止了Cell處理器的未來開發。 Cell處理器一度被認為是一項革命性的產品，但實際套用證明它並不比競爭對手突出。IBM主管Deep Computing的副總裁David Turek證實PowerXCell 8i是最後一款Cell處理器。
