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 con conjunto de instrucciones reducido (RISC) creada por la alianza Apple – IBM – Motorola en 1991 , conocida como AIM . PowerPC, como conjunto de instrucciones en evolución, se denomina Power ISA desde 2006, mientras que el antiguo nombre sigue vivo como marca registrada para algunas implementaciones de procesadores basados en Power Architecture .
PowerPC fue la piedra angular de las iniciativas PReP y Common Hardware Reference Platform (CHRP) de AIM en la década de 1990. Originalmente pensada para computadoras personales , la arquitectura es bien conocida por ser utilizada por las líneas Power Macintosh , PowerBook , iMac , iBook , eMac , Mac Mini y Xserve de Apple desde 1994 hasta 2006, cuando Apple migró a Intel x86 . Desde entonces se ha convertido en un nicho en las computadoras personales, pero sigue siendo popular para los procesadores integrados y de alto rendimiento. El uso de PowerPC en la séptima generación de consolas de videojuegos y aplicaciones integradas proporciona una variedad de usos, incluidos satélites y los vehículos exploradores Curiosity y Perseverance en Marte. Además, las CPU PowerPC todavía se utilizan en computadoras personales AmigaOne y AmigaOS 4 de terceros .
PowerPC se basa en gran medida en la arquitectura IBM POWER anterior y conserva 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 ambos si se tiene 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 1975-1978. Los microprocesadores basados en 801 se utilizaron en varios productos integrados de IBM, convirtiéndose finalmente en el procesador IBM ROMP de 16 registros utilizado en la PC IBM RT . La PC RT fue un diseño rápido que implementó la arquitectura RISC. Entre los años 1982 y 1984, IBM inició 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 entre 5 y 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 superescalar , es un diseño de múltiples chips 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 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 creado un diseño experimental de CPU de cuatro núcleos 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 microprocesadores de escritorio de Motorola, [3] pidió a Motorola que se uniera a las discusiones debido a su larga relación, ya que Motorola tenía más experiencia 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, 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 comercializaba sistemas basados en los chips Intel 80386 y 80486, que tienen una arquitectura de computadora con conjunto de instrucciones complejas (CISC), y el desarrollo del procesador Pentium estaba en marcha. El chip PowerPC fue una de varias empresas conjuntas que involucraron a 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. Permitió a la empresa vender una CPU RISC potente y ampliamente probada por poco dinero en efectivo por su parte. También mantuvo vínculos con un cliente importante, Apple, y pareció ofrecer la posibilidad de incorporar 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 , al que no le estaba yendo bien en el mercado. A Motorola le estaba yendo bien con su familia 68000 y la mayor parte de la financiación se centró en esto. El esfuerzo de 88000 estaba algo escaso de recursos.
Sin embargo, el 88000 ya estaba en producción; Data General enviaba 88.000 máquinas y Apple ya tenía 88.000 máquinas prototipo en funcionamiento. El 88000 también había logrado una serie de avances en el diseño integrado en aplicaciones de telecomunicaciones. Si la nueva versión POWER de un solo chip pudiera hacerse compatible con el bus a nivel de hardware con el 88000, eso permitiría a Apple y Motorola llevar 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 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 un deseo de larga data de 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 evangelizó agresivamente lo que se convertiría en Workplace OS , apuntando principalmente 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 portó su AIX Unix . Workplace OS presentó una nueva versión de OS/2 (con emulación Intel para compatibilidad de aplicaciones), en espera de un lanzamiento exitoso del PowerPC 620. A mediados de la década de 1990, los procesadores PowerPC lograron puntajes en las pruebas comparativas que igualaron o superaron los de las CPU x86 más rápidas. .
Al final, la demanda de la nueva arquitectura en el escritorio nunca se materializó realmente. Los clientes de Windows, OS/2 y Sun, ante la falta de software de aplicación para PowerPC, ignoraron casi universalmente el chip. La plataforma Workplace OS de IBM (y, por tanto, OS/2 para PowerPC) fue cancelada sumariamente tras el lanzamiento de sus primeros desarrolladores en diciembre de 1995 debido al lanzamiento simultáneo con errores del PowerPC 620. Las versiones PowerPC de Solaris y Windows se suspendieron después de sólo un breve período en el mercado. Sólo en Macintosh, debido a la persistencia de Apple, el PowerPC ganó fuerza. Para Apple, el rendimiento del PowerPC fue un punto brillante frente a la creciente competencia de las PC basadas en Windows 95 y Windows NT.
Con la cancelación de Workplace OS, la plataforma general PowerPC (especialmente la plataforma común de referencia de hardware de AIM ) fue vista como un compromiso de hardware únicamente para ejecutar muchos sistemas operativos uno a la vez en una única plataforma de hardware unificadora y neutral. [2] : 287–288
Paralelamente a la alianza entre IBM y Motorola, ambas empresas tenían en marcha esfuerzos de desarrollo a nivel interno. La línea PowerQUICC fue el resultado de este trabajo dentro de Motorola. La serie 4xx de procesadores integrados estaba en marcha dentro de IBM. El negocio de procesadores integrados de IBM creció hasta alcanzar casi 100 millones de dólares en ingresos y atrajo a cientos de clientes.
El desarrollo del PowerPC se centra en una instalación de Austin, Texas, llamada Somerset Design Center. El edificio lleva el nombre del lugar de la leyenda artúrica donde las fuerzas en guerra dejaron a un 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.
- Semana Mac [4]
Parte de la cultura aquí no es tener una cultura de IBM, 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 lo hicieron con Motorola, que constantemente retrasó la implementación de nuevos procesadores para Apple y otros proveedores: primero 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 escindiendo su negocio de semiconductores como una empresa independiente llamada Freescale Semiconductor . Casi al mismo tiempo, IBM salió del mercado de procesadores integrados de 32 bits vendiendo su línea de productos PowerPC a Applied Micro Circuits Corporation (AMCC) y centrándose en diseños de chips de 64 bits, manteniendo al mismo tiempo su compromiso de CPU PowerPC con fabricantes de consolas de juegos como como GameCube , Wii y Wii U de Nintendo , PlayStation 3 de Sony y Xbox 360 de Microsoft , de los cuales los dos últimos utilizan procesadores de 64 bits. En 2005, Apple anunció que ya no utilizaría procesadores PowerPC en sus computadoras Apple Macintosh, favoreciendo los procesadores producidos por Intel , citando las limitaciones de rendimiento del chip para el futuro hardware de computadoras personales específicamente relacionadas 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 el gobierno de IEEE; IBM continúa usando y evolucionando el procesador PowerPC en consolas de juegos y Freescale Semiconductor enfocándose únicamente en dispositivos integrados.
IBM continúa desarrollando núcleos de microprocesadores PowerPC para su uso en sus ofertas de circuitos integrados específicos de 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 conjuntamente como Power Architecture . Power.org lanzó una ISA unificada, combinando las ISA 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 reciben nombres y etiquetas según su aparente generación tecnológica. Eso comenzó con "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 presentaron Power Mac G3 y PowerBook G3 en un evento el 10 de noviembre de 1997. A Motorola y Apple les gustó el apodo y utilizaron el término "G4" para la familia 7400 introducida en 1998 [6] [7] y el Power Mac G4 en 1999.
En el momento en que se lanzó el G4, Motorola clasificó todos sus modelos PowerPC (antiguos, actuales y futuros) según la generación a la que pertenecían, incluso cambiando el nombre del antiguo núcleo 603e a "G2". Motorola tuvo un proyecto G5 que nunca llegó a buen término, pero el nombre permaneció y Apple lo reutilizó cuando se lanzó la familia 970 en 2003, incluso si fueron diseñados y construidos 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. Comenzando con 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. Algunas instrucciones eliminadas podrían ser emuladas por el sistema operativo si fuera necesario. Las instrucciones eliminadas son:
La mayoría de los chips PowerPC cambian el endianismo a través de 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 endianismo diferente. Los accesos a la " tabla de páginas invertida " (una tabla hash que funciona como un 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 reciben una operación OR exclusiva con un valor de tres bits seleccionado por la longitud del operando. Esto es suficiente para que el software normal parezca completamente little-endian. Un sistema operativo verá una visión deformada del mundo cuando acceda a chips externos, como hardware de vídeo y de red. Arreglar esta vista deformada requiere que la placa base realice un intercambio de bytes incondicional de 64 bits en todos los datos que entran o salen del procesador. La endianidad se convierte así 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 el OR exclusivo al acceder 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 diseñadas 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 un modo endian, cambiar de modo y volver a leer el mismo valor de 64 bits sin ver un cambio de byte. orden. Este no será el caso si se cambia la placa base al mismo tiempo.
Mercury Systems y Matrox ejecutaron el PowerPC en modo little-endian. Esto se hizo para que los dispositivos PowerPC que sirven 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 ejecutaron el procesador en modo little-endian mientras que Solaris, AIX y Linux lo hicieron en big endian. [9]
Algunos de los chips PowerPC integrados de IBM utilizan un bit de endianidad por página . Nada de lo anterior se aplica a ellos.
La primera implementación de la arquitectura fue el PowerPC 601 , lanzado en 1992, basado en el RSC, implementando 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 un ligero dolor 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.
Se crearon tarjetas aceleradoras basadas en los chips PowerPC de primera generación para Amiga en anticipación de un paso a una posible nueva plataforma Amiga diseñada alrededor del 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 , lo que colocaría 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 enviarse; Desafortunadamente, el sistema operativo que IBM había pretendido 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 debido a que IBM había desarrollado animosidad hacia Microsoft, IBM decidió portar OS/2 al 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 del desarrollador en diciembre de 1995, debido al decepcionante lanzamiento del PowerPC 620. Por esta razón, las computadoras de escritorio IBM PowerPC no se comercializaron, aunque el diseño de referencia (con nombre en código Sandalbow) basado en la CPU PowerPC 601 se lanzó como modelo RS/6000 (la edición de abril de 1994 de Byte incluía un artículo extenso sobre las computadoras de escritorio PowerPC de Apple e IBM).
Apple, que también carecía de un sistema operativo basado en PowerPC, tomó un camino diferente. Utilizando la plataforma de portabilidad generada por el proyecto secreto Star Trek , la compañía portó 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 lo habían hecho. sido reescrito.
La segunda generación fue "pura" e incluye el PowerPC 603 de "gama baja" y el PowerPC 604 de "gama alta" . El 603 destaca por su bajísimo coste 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 cabía en 8 KB y, por tanto, ralentizaba drásticamente el ordenador. [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 Intel x86 directamente en la CPU. Si bien este era solo uno de varios proyectos simultáneos de arquitectura energética en los que IBM estaba trabajando, este chip comenzó a ser conocido dentro de IBM y por los medios como PowerPC 615 . Las preocupaciones sobre la rentabilidad y los rumores sobre problemas de rendimiento en el cambio entre los conjuntos de instrucciones x86 y PowerPC nativos provocaron la cancelación del proyecto en 1995 después de que sólo se produjera un número limitado de chips para pruebas internas. Aparte de los rumores, el proceso de conmutación tomó sólo 5 ciclos, o la cantidad de tiempo necesaria para que el procesador vacíe su canal de instrucciones. Microsoft también contribuyó a la desaparición del procesador al negarse a admitir el modo PowerPC. [12]
La primera implementación de 64 bits es el PowerPC 620 , pero parece haber tenido poca utilidad porque Apple no quería comprarlo y porque, con su gran área de matriz, era demasiado costoso para el mercado integrado. Fue más tarde y más lento de lo prometido, e IBM utilizó su propio diseño POWER3 en su lugar, 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 del servidor POWER4 . Para crearlo, se modificó el núcleo POWER4 para que fuera compatible con procesadores PowerPC de 32 bits y se agregó 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 de Amazon incluye extensiones propietarias utilizadas por AS/400. [13] Los procesadores POWER4 y posteriores implementan la arquitectura de Amazon y reemplazaron los chips RS64 en las familias RS/6000 y AS/400.
IBM desarrolló una línea de productos separada llamada línea "4xx" centrada en el mercado integrado. Estos diseños incluían el 401, 403, 405, 440 y 460. En 2004, IBM vendió su línea de productos 4xx a Applied Micro Circuits Corporation (AMCC). AMCC continúa 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 que incluyen redes, conexión inalámbrica, almacenamiento, impresión/imagen y automatización industrial.
Numéricamente, el PowerPC se encuentra principalmente en los controladores de los coches. Para el mercado automotriz, Freescale Semiconductor inicialmente ofreció muchas variaciones llamadas familia MPC5xx , como el MPC555, construido sobre una variación 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 sólo puede emitir una instrucción en un ciclo de reloj. A esto le agregan varios bits de hardware personalizado, para permitir E/S en un chip. En 2004, se lanzaron al mercado de la automoción los dispositivos 55xx de cuatro dígitos de próxima generación . Estos utilizan la nueva serie e200 de núcleos PowerPC.
La creación de redes es otra área donde se encuentran en gran número los procesadores PowerPC integrados. MSIL tomó el motor QUICC del MC68302 y creó el PowerQUICC MPC860. Este era un procesador muy famoso utilizado en muchos enrutadores de borde de Cisco a finales de la década de 1990. Las variantes de PowerQUICC incluyen el MPC850 y el MPC823/MPC823e. Todas las variantes incluyen un micromotor RISC separado llamado CPM que descarga las tareas de procesamiento de comunicaciones del procesador central y tiene funciones para DMA . El siguiente chip de esta familia, el MPC8260, tiene un núcleo basado en 603e y un CPM diferente.
Honda también utiliza procesadores PowerPC para 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 triple redundante. [15]
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 obtenido licencias de POWER de 64 bits o PowerPC de 32 bits de IBM incluyen:
Los procesadores PowerPC se utilizaron en varias consolas de videojuegos ahora descontinuadas :
La arquitectura Power se utiliza actualmente en las siguientes computadoras de escritorio:
La arquitectura Power se utiliza actualmente en las siguientes aplicaciones integradas:
Los pequeños cachés de 8K del 603 eran notoriamente deficientes para el software Mac OS, particularmente para la emulación de 68K; Incluso los cachés del 603e provocan un impacto significativo en el rendimiento a velocidades de reloj más altas. Dado el objetivo de diseño de Arthur de 250 MHz y más, duplicar los cachés nuevamente tenía sentido.