PowerPC (con el acrónimo Performance Optimization With Enhanced RISC – Performance Computing , a veces abreviado como PPC ) es una arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA) de computadora de conjunto de instrucciones reducido ( RISC ) creada por la alianza Apple – IBM – Motorola de 1991 , conocida como AIM . PowerPC, como conjunto de instrucciones en evolución, se ha denominado Power ISA desde 2006, mientras que el antiguo nombre sigue vivo como marca registrada para algunas implementaciones de procesadores basados en Power Architecture .
Originalmente pensada para ordenadores personales , la arquitectura es bien conocida por haber sido utilizada por las líneas de ordenadores de sobremesa y portátiles de Apple desde 1994 hasta 2006, y en varias consolas de videojuegos, entre ellas la Xbox 360 de Microsoft , la PlayStation 3 de Sony y la GameCube , Wii y Wii U de Nintendo . PowerPC también se utilizó para los rovers Curiosity y Perseverance en Marte y una variedad de satélites. Desde entonces se ha convertido en una arquitectura de nicho para ordenadores personales, en particular con las implementaciones de AmigaOS 4 , pero sigue siendo popular para sistemas integrados .
PowerPC fue la piedra angular de las iniciativas PReP y Common Hardware Reference Platform (CHRP) de AIM en la década de 1990. Se basa en gran medida en la arquitectura anterior IBM POWER y mantiene un alto nivel de compatibilidad con ella; las arquitecturas se han mantenido lo suficientemente cercanas como para que los mismos programas y sistemas operativos se ejecuten en ambas si se toma cierto cuidado en la preparación; los chips más nuevos de la serie Power utilizan Power ISA .
La historia de RISC comenzó con el proyecto de investigación 801 de IBM , en el que John Cocke fue el desarrollador principal, donde desarrolló los conceptos de RISC en 1975-78. Los microprocesadores basados en 801 se utilizaron en varios productos integrados de IBM, y finalmente se convirtieron en el procesador IBM ROMP de 16 registros utilizado en el IBM RT PC . El RT PC fue un diseño rápido que implementó la arquitectura RISC. Entre los años 1982 y 1984, IBM comenzó un proyecto para construir el microprocesador más rápido del mercado; esta nueva arquitectura de 32 bits pasó a denominarse Proyecto América durante todo su ciclo de desarrollo, que duró aproximadamente 5-6 años. El resultado es la arquitectura del conjunto de instrucciones POWER , introducida con el RISC System/6000 a principios de 1990.
El microprocesador POWER original , una de las primeras implementaciones RISC superescalares , es un diseño multichip de alto rendimiento. IBM pronto se dio cuenta de que necesitaba un microprocesador de un solo chip para escalar su línea RS/6000 desde máquinas de gama baja a máquinas de gama alta. Se comenzó a trabajar en un microprocesador POWER de un solo chip, denominado RSC ( RISC Single Chip ). A principios de 1991, IBM se dio cuenta de que su diseño podría convertirse en un microprocesador de gran volumen utilizado en toda la industria.
Apple ya se había dado cuenta de las limitaciones y los riesgos de su dependencia de un único proveedor de CPU en un momento en que Motorola se estaba quedando atrás en la entrega de la CPU 68040. Además, Apple había llevado a cabo su propia investigación y había realizado un diseño de CPU de cuatro núcleos experimental llamado Aquarius, [2] : 86–90 que convenció al liderazgo tecnológico de la empresa de que el futuro de la informática estaba en la metodología RISC. [2] : 287–288 IBM se acercó a Apple con el objetivo de colaborar en el desarrollo de una familia de microprocesadores de un solo chip basados en la arquitectura POWER. Poco después, Apple, siendo uno de los mayores clientes de Motorola de microprocesadores de clase de escritorio, [3] le pidió a Motorola que se uniera a las discusiones debido a su larga relación, ya que Motorola tenía una experiencia más amplia en la fabricación de microprocesadores de alto volumen que IBM, y para formar una segunda fuente para los microprocesadores. Esta colaboración tripartita entre Apple, IBM y Motorola se conoció como la alianza AIM .
En 1991, el PowerPC era sólo una faceta de una alianza más amplia entre estas tres empresas. En ese momento, la mayor parte de la industria de las computadoras personales estaba comercializando sistemas basados en los chips Intel 80386 y 80486, que tienen una arquitectura de computadora de conjunto de instrucciones complejas (CISC), y el desarrollo del procesador Pentium estaba en plena marcha. El chip PowerPC fue una de las varias empresas conjuntas en las que participaron los tres miembros de la alianza, en sus esfuerzos por contrarrestar el creciente dominio de Microsoft e Intel en la informática personal.
Para Motorola, POWER parecía un negocio increíble. Le permitía vender una CPU RISC potente y ampliamente probada por poco dinero de su parte para el diseño. También mantenía vínculos con un cliente importante, Apple, y parecía ofrecer la posibilidad de sumar también a IBM, que podría comprar versiones más pequeñas de Motorola en lugar de fabricar las suyas propias.
En ese momento, Motorola ya tenía su propio diseño RISC en forma de 88000 , que no estaba teniendo buenos resultados en el mercado. A Motorola le estaba yendo bien con su familia 68000 y la mayor parte de la financiación se centró en ella. El proyecto 88000 se vio un tanto falto de recursos.
Sin embargo, el 88000 ya estaba en producción; Data General estaba enviando máquinas 88000 y Apple ya tenía 88000 prototipos en funcionamiento. El 88000 también había logrado una serie de éxitos en el diseño integrado en aplicaciones de telecomunicaciones. Si la nueva versión de un solo chip POWER pudiera hacerse compatible con el bus a nivel de hardware con el 88000, eso permitiría tanto a Apple como a Motorola lanzar máquinas al mercado mucho más rápido, ya que no tendrían que rediseñar la arquitectura de su placa.
El resultado de estos diversos requisitos es la especificación PowerPC ( computación de alto rendimiento ). Las diferencias entre el conjunto de instrucciones POWER anterior y el de PowerPC se describen en el Apéndice E del manual de PowerPC ISA v.2.02. [1]
Desde 1991, IBM tenía el deseo de contar con un sistema operativo unificador que albergara simultáneamente todos los sistemas operativos existentes como personalidades en un microkernel. De 1991 a 1995, la empresa diseñó y promovió agresivamente lo que se convertiría en Workplace OS , principalmente dirigido a PowerPC. [2] : 290–291
Cuando los primeros productos PowerPC llegaron al mercado, fueron recibidos con entusiasmo. Además de Apple, tanto IBM como Motorola Computer Group ofrecían sistemas construidos en torno a los procesadores. Microsoft lanzó Windows NT 3.51 para la arquitectura, que se utilizó en los servidores PowerPC de Motorola, y Sun Microsystems ofreció una versión de su sistema operativo Solaris . IBM adaptó su Unix AIX . Workplace OS presentó una nueva versión de OS/2 (con emulación Intel para compatibilidad de aplicaciones), a la espera de un lanzamiento exitoso del PowerPC 620. A mediados de la década de 1990, los procesadores PowerPC lograron puntuaciones en las pruebas de referencia que igualaron o superaron las de las CPU x86 más rápidas.
En definitiva, la demanda de la nueva arquitectura para el escritorio nunca se materializó realmente. Los clientes de Windows, OS/2 y Sun, ante la falta de software de aplicación para el PowerPC, ignoraron casi universalmente el chip. La plataforma Workplace OS de IBM (y, por tanto, OS/2 para PowerPC) fue cancelada sumariamente tras su primer lanzamiento para desarrolladores en diciembre de 1995 debido al lanzamiento simultáneo y lleno de errores del PowerPC 620. Las versiones PowerPC de Solaris y Windows se dejaron de fabricar tras un breve periodo en el mercado. Sólo en Macintosh, gracias a la persistencia de Apple, el PowerPC ganó terreno. Para Apple, el rendimiento del PowerPC fue un punto brillante frente a la creciente competencia de los PC basados en Windows 95 y Windows NT.
Con la cancelación de Workplace OS, la plataforma general PowerPC (especialmente la Plataforma de Referencia de Hardware Común de AIM ) fue vista en cambio como un compromiso de solo hardware para ejecutar muchos sistemas operativos uno a la vez en una única plataforma de hardware unificadora e independiente del proveedor. [2] : 287–288
Paralelamente a la alianza entre IBM y Motorola, ambas empresas llevaban a cabo esfuerzos de desarrollo a nivel interno. La línea PowerQUICC fue el resultado de este trabajo dentro de Motorola. La serie 4xx de procesadores embebidos estaba en marcha dentro de IBM. El negocio de procesadores embebidos de IBM creció hasta alcanzar cerca de 100 millones de dólares en ingresos y atrajo a cientos de clientes.
El desarrollo del PowerPC se centra en unas instalaciones de Austin, Texas, llamadas Somerset Design Center. El edificio recibe su nombre del lugar de la leyenda artúrica donde las fuerzas en guerra dejaron de lado sus espadas, y los miembros de los tres equipos que trabajan en el edificio dicen que el espíritu que inspiró el nombre ha sido un factor clave en el éxito del proyecto hasta el momento.
—MacWeek [4 ]
Parte de la cultura aquí es no tener una cultura IBM o Motorola o Apple, sino tener la nuestra propia.
— Russell Stanphill de Motorola, codirector de Somerset [4]
Hacia el final de la década, los problemas de fabricación comenzaron a afectar a la alianza AIM de la misma manera que a Motorola, que retrasó constantemente las implementaciones de nuevos procesadores para Apple y otros proveedores: primero por parte de Motorola en la década de 1990 con los procesadores PowerPC 7xx y 74xx, e IBM con el procesador PowerPC 970 de 64 bits en 2003. En 2004, Motorola abandonó el negocio de fabricación de chips al escindir su negocio de semiconductores como una empresa independiente llamada Freescale Semiconductor . Casi al mismo tiempo, IBM abandonó el mercado de procesadores integrados de 32 bits al vender su línea de productos PowerPC a Applied Micro Circuits Corporation (AMCC) y centrarse en diseños de chips de 64 bits, al tiempo que mantenía su compromiso de las CPU PowerPC con los fabricantes de consolas de juegos como GameCube de Nintendo , Wii y Wii U , PlayStation 3 de Sony y Xbox 360 de Microsoft , de las cuales las dos últimas utilizan procesadores de 64 bits. En 2005, Apple anunció que ya no utilizaría procesadores PowerPC en sus ordenadores Apple Macintosh, y que preferiría procesadores fabricados por Intel , citando las limitaciones de rendimiento del chip para el futuro hardware de ordenadores personales, relacionadas específicamente con la generación de calor y el uso de energía, así como la incapacidad de IBM para mover el procesador 970 al rango de 3 GHz. La alianza IBM-Freescale fue reemplazada por un organismo de estándares abiertos llamado Power.org. Power.org opera bajo la gobernación del IEEE, con IBM continuando el uso y desarrollo del procesador PowerPC en consolas de juegos y Freescale Semiconductor concentrándose únicamente en dispositivos integrados.
IBM continúa desarrollando núcleos de microprocesadores PowerPC para su uso en sus ofertas de circuitos integrados específicos para aplicaciones (ASIC). Muchas aplicaciones de gran volumen incorporan núcleos PowerPC.
La especificación PowerPC ahora está a cargo de Power.org, donde IBM, Freescale y AMCC son miembros. Los procesadores PowerPC, Cell y POWER ahora se comercializan en conjunto como Power Architecture . Power.org lanzó una ISA unificada, que combina las ISA de POWER y PowerPC en la nueva especificación Power ISA v.2.03 y una nueva plataforma de referencia para servidores llamada PAPR (Power Architecture Platform Reference).
Muchos diseños de PowerPC se nombran y etiquetan según su aparente generación tecnológica. Eso comenzó con el "G3", que era un nombre de proyecto interno dentro de AIM para el desarrollo de lo que se convertiría en la familia PowerPC 750. [5] Apple popularizó el término "G3" cuando presentó el Power Mac G3 y el PowerBook G3 en un evento el 10 de noviembre de 1997. A Motorola y Apple les gustó el apodo y usaron el término "G4" para la familia 7400 presentada en 1998 [6] [7] y el Power Mac G4 en 1999.
En el momento del lanzamiento del G4, Motorola clasificó todos sus modelos PowerPC (antiguos, actuales y futuros) según la generación a la que pertenecían, e incluso renombró el núcleo 603e más antiguo como "G2". Motorola tuvo un proyecto G5 que nunca se concretó, y Apple utilizó más tarde el nombre cuando se lanzó la familia 970 en 2003, aunque fue diseñada y construida por IBM.
El PowerPC está diseñado según los principios RISC y permite una implementación superescalar . Existen versiones del diseño en implementaciones de 32 y 64 bits. Partiendo de la especificación POWER básica, el PowerPC agregó:
Algunas instrucciones presentes en el conjunto de instrucciones POWER se consideraron demasiado complejas y se eliminaron de la arquitectura PowerPC. El sistema operativo podría emular algunas de las instrucciones eliminadas si fuera necesario. Las instrucciones eliminadas son:
La mayoría de los chips PowerPC cambian el orden de bits mediante un bit en el MSR ( registro de estado de la máquina ), y se proporciona un segundo bit para permitir que el sistema operativo se ejecute con un orden de bits diferente. Los accesos a la " tabla de páginas invertidas " (una tabla hash que funciona como una TLB con almacenamiento fuera del chip) siempre se realizan en modo big-endian. El procesador se inicia en modo big-endian.
En el modo little-endian, los tres bits de orden más bajo de la dirección efectiva se someten a una operación OR exclusiva con un valor de tres bits seleccionado por la longitud del operando. Esto es suficiente para que parezca totalmente little-endian al software normal. Un sistema operativo verá una visión distorsionada del mundo cuando acceda a chips externos, como hardware de video y red. Para corregir esta visión distorsionada, es necesario que la placa base realice un intercambio de bytes incondicional de 64 bits en todos los datos que ingresan o salen del procesador. De este modo, la endianidad se convierte en una propiedad de la placa base. Un sistema operativo que funciona en modo little-endian en una placa base big-endian debe intercambiar bytes y deshacer la operación OR exclusiva cuando accede a chips little-endian.
Las operaciones de AltiVec , a pesar de ser de 128 bits, se tratan como si fueran de 64 bits. Esto permite la compatibilidad con placas base little-endian que se diseñaron antes de AltiVec.
Un efecto secundario interesante de esta implementación es que un programa puede almacenar un valor de 64 bits (el formato de operando más largo) en la memoria mientras está en modo one-endian, cambiar de modo y volver a leer el mismo valor de 64 bits sin ver un cambio en el orden de bytes. Esto no será así si la placa base se cambia al mismo tiempo.
Mercury Systems y Matrox ejecutaban el PowerPC en modo little-endian. Esto se hizo para que los dispositivos PowerPC que servían como coprocesadores en placas PCI pudieran compartir estructuras de datos con computadoras host basadas en x86 . Tanto PCI como x86 son little-endian. OS/2 y Windows NT para PowerPC ejecutaban el procesador en modo little-endian mientras que Solaris, AIX y Linux lo hacían en modo big-endian. [9]
Algunos de los chips PowerPC integrados de IBM utilizan un bit de orden de bits por página . Ninguna de las opciones anteriores se aplica a ellos.
La primera implementación de la arquitectura fue el PowerPC 601 , lanzado en 1992, basado en el RSC, que implementaba un híbrido de las instrucciones POWER1 y PowerPC. Esto permitió que IBM utilizara el chip en sus plataformas existentes basadas en POWER1, aunque también significó algunas dificultades al cambiar a los diseños PowerPC "puros" de segunda generación. Apple continuó trabajando en una nueva línea de computadoras Macintosh basadas en el chip y finalmente las lanzó como Power Macintosh basada en 601 el 14 de marzo de 1994.
Las tarjetas aceleradoras basadas en los chips PowerPC de primera generación se crearon para Amiga en previsión de una posible transición a una nueva plataforma Amiga diseñada en torno al PowerPC. Las tarjetas aceleradoras también incluían una CPU Motorola 68040 o 68060 para mantener la compatibilidad con versiones anteriores, ya que muy pocas aplicaciones en ese momento podían ejecutarse de forma nativa en los chips PPC. Sin embargo, las nuevas máquinas nunca se materializaron y Commodore posteriormente se declaró en quiebra. Más de una década después, se lanzaría AmigaOS 4 , que pondría a la plataforma de forma permanente en la arquitectura. OS4 es compatible con esos aceleradores de primera generación, así como con varias placas base personalizadas creadas para una nueva encarnación de la plataforma Amiga.
IBM también tenía una línea completa de computadoras de escritorio basadas en PowerPC construidas y listas para ser enviadas; desafortunadamente, el sistema operativo que IBM había planeado ejecutar en estas computadoras de escritorio, Microsoft Windows NT , no estaba completo a principios de 1993, cuando las máquinas estaban listas para su comercialización. En consecuencia, y además porque IBM había desarrollado animosidad hacia Microsoft, IBM decidió portar OS/2 a PowerPC en forma de Workplace OS. Esta nueva plataforma de software pasó tres años (1992 a 1995) en desarrollo y fue cancelada con el lanzamiento para desarrolladores de diciembre de 1995, debido al decepcionante lanzamiento del PowerPC 620. Por esta razón, las computadoras de escritorio IBM PowerPC no se enviaron, aunque el diseño de referencia (nombre en código Sandalbow) basado en la CPU PowerPC 601 se lanzó como un modelo RS/6000 ( el número de abril de 1994 de Byte incluyó un extenso artículo sobre las computadoras de escritorio Apple e IBM PowerPC).
Apple, que tampoco contaba con un sistema operativo basado en PowerPC, tomó un camino diferente. Utilizando la plataforma de portabilidad que le proporcionó el proyecto secreto Star Trek , la empresa adaptó las piezas esenciales de su sistema operativo Mac OS a la arquitectura PowerPC y, además, escribió un emulador de 68k que podía ejecutar aplicaciones basadas en 68k y las partes del sistema operativo que no se habían reescrito.
La segunda generación fue "pura" e incluye el PowerPC 603 de "gama baja" y el PowerPC 604 de "gama alta" . El 603 es notable debido a su muy bajo costo y consumo de energía. Este fue un objetivo de diseño deliberado por parte de Motorola, que utilizó el proyecto 603 para construir el núcleo básico para todas las generaciones futuras de chips PPC. Apple intentó utilizar el 603 en un nuevo diseño de computadora portátil, pero no pudo debido al pequeño caché de nivel 1 de 8 KB . El emulador 68000 en Mac OS no podía caber en 8 KB y, por lo tanto, ralentizó drásticamente la computadora. [10] [11] El 603e resolvió este problema al tener un caché L1 de 16 KB , lo que permitió que el emulador se ejecutara de manera eficiente.
En 1993, los desarrolladores de las instalaciones de IBM en Essex Junction, Burlington, Vermont, comenzaron a trabajar en una versión del PowerPC que soportaría el conjunto de instrucciones x86 de Intel directamente en la CPU. Si bien este era solo uno de los varios proyectos de arquitectura de energía concurrentes en los que IBM estaba trabajando, este chip comenzó a ser conocido dentro de IBM y por los medios como el PowerPC 615. Las preocupaciones por la rentabilidad y los rumores de problemas de rendimiento en el cambio entre los conjuntos de instrucciones x86 y PowerPC nativos dieron como resultado que el proyecto se cancelara en 1995 después de que solo se produjera un número limitado de chips para pruebas internas. Aparte de los rumores, el proceso de cambio tomó solo 5 ciclos, o la cantidad de tiempo necesario para que el procesador vaciara su canal de instrucciones. Microsoft también ayudó a la desaparición del procesador al negarse a soportar el modo PowerPC. [12]
La primera implementación de 64 bits fue el PowerPC 620 , pero parece que tuvo poco uso porque Apple no quería comprarlo y porque, con su gran área de chip, era demasiado costoso para el mercado de los sistemas integrados. Fue más tardío y más lento de lo prometido, e IBM utilizó en su lugar su propio diseño POWER3 , sin ofrecer una versión "pequeña" de 64 bits hasta la introducción a finales de 2002 del PowerPC 970. El 970 es un procesador de 64 bits derivado del procesador de servidor POWER4 . Para crearlo, se modificó el núcleo POWER4 para que fuera compatible con los procesadores PowerPC de 32 bits y se añadió una unidad vectorial (similar a las extensiones AltiVec de la serie 74xx de Motorola).
Los procesadores RS64 de IBM son una familia de chips que implementan la variante "Amazon" de la arquitectura PowerPC. Estos procesadores se utilizan en las familias de computadoras RS/6000 e IBM AS/400 ; la arquitectura Amazon incluye extensiones propietarias utilizadas por AS/400. [13] Los procesadores POWER4 y posteriores POWER implementan la arquitectura Amazon y reemplazaron a los chips RS64 en las familias RS/6000 y AS/400.
IBM desarrolló una línea de productos independiente denominada "4xx", centrada en el mercado de los sistemas integrados. Entre estos diseños se encontraban los modelos 401, 403, 405, 440 y 460. En 2004, IBM vendió su línea de productos 4xx a Applied Micro Circuits Corporation (AMCC). AMCC sigue desarrollando nuevos productos de alto rendimiento, basados en parte en la tecnología de IBM, junto con la tecnología desarrollada dentro de AMCC. Estos productos se centran en una variedad de aplicaciones, como redes, conectividad inalámbrica, almacenamiento, impresión/imágenes y automatización industrial.
En términos numéricos, el PowerPC se encuentra principalmente en controladores de automóviles. Para el mercado automotriz, Freescale Semiconductor inicialmente ofreció muchas variantes llamadas familia MPC5xx , como el MPC555, construido sobre una variante del núcleo 601 llamado 8xx y diseñado en Israel por MSIL (Motorola Silicon Israel Limited). El núcleo 601 es de emisión única, lo que significa que solo puede emitir una instrucción en un ciclo de reloj. A esto le agregan varios bits de hardware personalizado para permitir la E/S en un solo chip. En 2004, se lanzaron los dispositivos 55xx de cuatro dígitos de próxima generación para el mercado automotriz. Estos utilizan la serie e200 más nueva de núcleos PowerPC.
La creación de redes es otro ámbito en el que se encuentran procesadores PowerPC integrados en gran número. MSIL tomó el motor QUICC del MC68302 y fabricó el PowerQUICC MPC860. Este fue un procesador muy famoso que se utilizó en muchos enrutadores de borde de Cisco a fines de la década de 1990. Las variantes del PowerQUICC incluyen el MPC850 y el MPC823/MPC823e. Todas las variantes incluyen un micromotor RISC independiente llamado CPM que descarga las tareas de procesamiento de comunicaciones del procesador central y tiene funciones para DMA . El chip siguiente de esta familia, el MPC8260, tiene un núcleo basado en 603e y un CPM diferente.
Honda también utiliza procesadores PowerPC para su robot ASIMO . [14]
En 2003, BAE Systems Platform Solutions entregó la computadora de gestión de vehículos para el avión de combate F-35 . Esta plataforma consta de dos PowerPC fabricados por Freescale en una configuración triplemente redundante. [15]
El Aeronautical Development Establishment probó una computadora de control de vuelo digital de alto rendimiento, impulsada por un procesador basado en PowerPC quadraplex en un HAL Tejas Mark 1A en 2024. [16]
Los sistemas operativos que funcionan en la arquitectura PowerPC generalmente se dividen en aquellos que están orientados a los sistemas PowerPC de propósito general y aquellos orientados a los sistemas PowerPC integrados .
Las empresas que han adquirido la licencia del POWER de 64 bits o del PowerPC de 32 bits de IBM incluyen:
Los procesadores PowerPC se utilizaron en varias consolas de videojuegos que hoy en día ya no se fabrican :
La arquitectura Power se utiliza actualmente en las siguientes computadoras de escritorio:
La arquitectura Power se utiliza actualmente en las siguientes aplicaciones integradas:
Las diminutas cachés de 8K del 603 eran notoriamente deficientes para el software de Mac OS, particularmente para la emulación de 68K; incluso las cachés del 603e causan una pérdida significativa de rendimiento a velocidades de reloj más altas. Dado el objetivo de diseño de Arthur de 250 MHz y más, duplicar las cachés nuevamente tenía sentido.