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浓缩都是精华 IBM半导体技术创新之路


CBSi中国·ZOL 作者:中关村在线 范平 【原创】 2011年05月25日 05:16 评论
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IBM紧随半导体发展潮流

  也许你没听说过美国国际商用机器公司,但一定听说过IBM;也许你不知道IBM是以机械制表、穿孔打卡机起家,但一定知道深蓝、沃森和Thinkpad品牌。这是一家有着百年历史、为整个世界带来了无数技术创新和先进产品应用的蓝色巨人。今年6月16日,将正式迎来该“蓝色巨人”的百年华诞。


浓缩都是精华 IBM半导体技术创新之路
百年IBM谱写了一部部绚丽乐章

  百年以来,IBM一直坚守着自己“让世界更美好”的目标和“THINK”信念,专注“转型”和“创新”。在这百年的发展历程中 ,IBM担当起了在商业、科学和社会转型方面扮演着领导者的角色。从螺丝钉、键盘鼠标CPU硬盘内存到大型机、服务器,它都可以制造;从软件产品到硬件产品到各类解决方案,它都可以提供。长久以来,无论是在美国还是其他世界各地,IBM都拥有极高的声誉。

  此前我们谈到过IBM百年来所推出的经典服务器产品及其操作系统,也介绍了IBM独特的存储创新技术。其实,在半导体技术创新方面,IBM也取得了无数个佳绩。

  作为计算机代名词又恰逢百年华诞——我们不能不说IBM;作为人类信息科技的巨大产业链又有着IBM的独特创新和贡献——我们不能不说IBM的半导体技术创新。半导体技术——整个信息科技的基础领域,在推动人类社会进步与发展的方面, 扮演着十分重要的作用。

  在回顾IBM百年半导体技术创新方面,我们有必要先简要介绍下半导体技术。半导体技术是以半导体为材料(电阻率介于金属 和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质,最常见的半导体是硅)制作成组件和集成电路的各种技术。半导体技术主要应用 在电子产品中的集成电路板上(IC),对计算机、手机、家用电器、汽车等产品起着不同的控制作用。

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半导体材料

  在半导体技术演进方面,主要体现在改善性能、降低能耗、提高可靠性、降低制作成本、优化生产工艺等方面。半导体制造是一项复杂的制作工艺流程,先进的IC所需要的制作程序达上千个步骤,这些步骤先依不同的功能组合成小的单元——单元制程 ,如蚀刻、微影与薄膜制程;几个单元制程组成具有特定功能的模块制程——如隔绝制程模块、接触窗制程模块或平坦化制程模块等;最后再组合这些模块制程成为某种特定IC的整合制程。

    从这些复杂的制程流程中我们可以看出,半导体技术需要厂商具备先进的技术工艺,同时也要有高度精密的电子仪器设备来进行生产制造。

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从CPU发展看半导体技术

  在半导体技术领域,IBM创造了无数个奇迹。它是第一个使用铜互连、第一个使用低K值介电物质、第一个使用SOI等技术的公司,也是硅锗工艺的首创者之一,制造出世界上第一块炭纳米晶体管……IBM在S/360计算机上采用大规模集成电路,也预示着集成电路向通用计算机转型的开始。

  在最近10年中,IBM在半导体领域打破了摩尔定律的速度限制。取得了半导体技术的多个创新:

  铜介质

  半导体业界一直有梦想能使用铜作为介质,这样可以获得比铝好 40% 以上的电流传输效率。但是直到最近制造流程才实现了这个目标。让我们从 Edison 的笔记本中翻出一页:IBM 的研究人员使用钨来生产基于铜的芯片,其速度比铝快 25 倍到 30倍。科技界采用了这种技术,通常称之为CMOS XS (其中X代表数字)。

  low-k 绝缘体

  这种技术使用 SiLK 来防止铜线“串扰”,SiLK 是来自Dow Chemical的一种商业材料。

  硅锗合金(SiGe)

  在二极管芯片制造中用来代替功耗更高的砷化镓,SiGe 可以显著地改善操作频率、电流、噪音和电源容量。

  绝缘硅(SoI)

  在硅表面之间放上很薄的一层绝缘体,可以防止晶体管的“电子效应”,这样可以实现更高的性能和更低的功耗。

  应变硅

  这种技术对硅进行拉伸,从而加速电子在芯片内的流动,不用进行小型化就可以提高性能和降低功耗。如果与绝缘硅技术一起使用,应变硅技术可以更大程度地提高性能并降低功耗。


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  IBM推出的POWER系列架构处理器,也再次将半导体技术推向了一个新高潮。IBM的主流技术是蓝色逻辑系列的130纳米8SF技术,这也就是用来制造PowerPC和Power4芯片的技术,在这里包含了几乎所有IBM开发的技术。其中最先进的是IBM的蓝色逻辑Cu-08技术,可以做出包含7200万个晶体管(门宽度为70纳米)的处理器。

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POWER1:“飞往”火星的处理器

  1990年,IBM推出了集成有80万个晶体管的POWER1,这预示着IBM POWER全新架构的开始。


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POWER1架构

  POWER1与当时其他的RISC处理器不同,它对功能进行了划分,这为这种功能强大的芯片赋予了超量计算的能力。它还有单独的浮点寄存器,可以适应从低端到高端的UNIX工作站

  最初的POWER1芯片实际上是在一个主板上的几个芯片;后来很快就变成一个RSC(RISC 单一芯片),其中集成了100多万个晶体管。

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RIOS-9架构

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RIOS-1架构

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安全着陆的火星探路者(Mars Pathfinder, MPF)

  POWER1后来也充当了火星探路者的中央处理器,协助人类完成了迄今为止最为成功的星际探测计划之一。它也是后来PowerPC产品线的先驱。

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POWER2:助力“深蓝”战胜人类智慧

  1993年11月,IBM推出了POWER1的增强版POWER2,它拥有55至71.5MHz的时钟频率,32KB指令缓存,256KB数据缓存,该处理器成为当时性能最高的处理器,一直被使用到1998年。


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POWER2 芯片架构图

  POWER2芯片中集成了1500万个晶体管,芯片中新加了第二个浮点处理单元(FPU)和更多缓存。PSSC超级芯片是POWER2这种8芯片体系结构的一种单片实现,当时大名鼎鼎的“深蓝”超级计算机就是采用的这种芯片,轻易打败了当时国际象棋大师Garry Kasparov。

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“深蓝”与国际象棋大师对决

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采用POWER2芯片的超级计算机“深蓝”

  1994年5月,POWER2的改进型POWER2+,该处理器芯片拥有二级缓存,而且L2可达512KB、1MB或者2MB。该缓存通过POWER2+64位 (低端)或者128位(高端)通道来获得连接。但POWER2+在内存总线和数据缓存方面并不高,前者为64-128位,后者为64-128KB。

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POWER3:首个64位“铜芯片”处理器

  1998年IBM发布POWER3处理器芯片,处理器每个芯片中集成了 1500 万个晶体管。


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POWER3处理器的逻辑架构

  这是第一个64位对称多处理器(SMP),POWER3完全兼容原来的POWER指令集,也可以与 PowerPC 指令集很好地兼容。POWER3 设计用来从事从太空探测到天气预报方面的科技计算应用。它有一个数据预取引擎,无阻塞的交叉数据缓存,双浮点执行单元,以及其他一些很好的设计。Power3 的最高运算速度可达每秒200万次,比“深蓝”所采用的Power2 超级芯片快出一倍多 。

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基于POWER3架构的IBM RS6000 44P 270板卡

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POWER3-II

  POWER3-II使用铜作为连接介质重新实现了POWER3,这样以相同的价格可以获得两倍的性能。

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POWER4:首个支持CPU分区的芯片

  2001年IBM推出了POWER4芯片,这种芯片中集成了1亿7400万个晶体管。它采用了0.18 微米的铜和 SoI(绝缘硅)技术,POWER4是目前市场上单个芯片功能最强大的芯片。


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POWER4芯片结构

  POWER4 继承了POWER3芯片的所有优点(包括与 PowerPC 指令集的兼容性),但是采用的却是全新的设计。每个处理器都有2个64位的1GHz+的 PowerPC核心,这是第一个单板上具有多核心设计的服务器处理器(也称为“片上CMP”或“片上服务器”)。每个处理器都可以并行执行200条指令。

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执行管道流水线

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POWER4架构

  POWER4 芯片取代了Star系列的处理器,是IBM Regatta服务器强大的动力之源,也是PowerPC 970处理器(也称为 Apple G5)的祖先。POWER4+(也称为 POWER4-II)功能与之类似,但是主频更高,功耗更低。

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POWER4结构

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POWER4 L1数据缓存

    POWER4是业界第一款批量生产的单芯片双核设计,支持CPU分区技术,可以将CPU切换成多个单元,运行不同的操作系统

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POWER5:首个支持“并发多线程”CPU

  2004年,IBM宣布开发出一种制造低功耗、高性能微处理器的新方法,首次把绝缘硅(SOI)、应变硅和铜制程三种技术工艺结合在一起。64位PowerPC 970FX成为首款采用新技术生产的处理器产品,并在业内获得众多赞誉。

    POWER5是首个支持“并发多线程”的处理器,它拥有更为强大的虚拟化功能微分区,虚拟I/O,分区资源管理,拥有比上一代POWER4处理器性能提高4倍的功能。


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POWER5

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POWER5

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IBM i5 系统上的POWER5处理器模块

  同年,IBM发布新的eServer i5服务器,这是世界上第一台采用POWER5处理器的服务器产品。POWER5是IBM当时有史以来最强大的64位处理器。

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POWER5 通道结构

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POWER5 同步多线程

  2005年10月,IBM推出System p5产品线,这些产品都采用了基于POWER5处理器的增强版——POWER5+处理器,并提供一系列更优化功能。

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POWER5+ 双芯片模块

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Power5+芯片架构

    新的POWER5+处理器被称为“片上服务器”(server on a chip),它包括2个处理器,一个高带宽系统交换器,一个更大高速缓存和I/O界面。最新的POWER5+有1.5和1.9GHz两个主频可供选择,最大72MB板上高速缓存,支持逻辑分区技术,可使 System p5为用户提供更强大性能,同时并不会占用太大面积。

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POWER6:新增十进制浮点运算

  2007年5月,IBM推出POWER6处理器。该处理器突破了4GHz主频,最高可以实现5.0GHz。并且,POWER6集成有750M个晶体管,它采用了65纳米制程工艺制造,在90纳米工艺相比,在同样的功率下,性能提高了30%。


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主频为4.7GHz的POWER6

  POWER6也是首次内置十进制浮点加速器的产品,L2不再实现共享(L2为4MB,比此前POWER5多出4倍),不过,Power6扩充了三级缓存容量达到32MB,可支持16条通路,而原Power5仅为12条通路。

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POWER6芯片结构

  在带宽方面,每个处理器芯片可以支持300GB/s的带宽,相比上代产品POWER5+提高了1倍。该处理器还拥有节能特点,通过新增的Advanced Clock Gating模式,芯片内核在静止状态时能减少40%的耗电。

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基于POWER6的存储服务器

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基于POWER6的刀片服务器

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基于POWER6的其他服务器

  2009年4月,IBM发布了Power6+处理器。该处理器由于采用了更为先进的工艺,拥有更高的性能和能效,也更符合当前倡导的节能减排理念。此外,为了配合目前信息技术的需要,Power6+也强化了虚拟化方面的能力,帮助企业提高服务器的利用率和管理灵活性。

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POWER7:开启UNIX服务器新纪元

  去年2月8日,IBM公司发布了新一代的POWER7处理器。Power 7处理器采用了IBM的45nm SOI铜互联工艺制程。POWER7处理器具有八个核心,晶体管数量达到了12亿,核心面积567mm^2。


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POWER7芯片结构

  POWER7具有12个执行单元,以及4个同步多线程。支持“智能线程”(Intelligent Threads)技术,根据任务需求动态调节处理器性能,比如当需要监控数百万家庭用电量时优化为多线程处理,而当需要实时处理数据库业务时又对较少线程高速运算进行优化。

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采用POWER7的刀片服务器

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采用POWER7的其他服务器

  此外,POWER7系统还为虚拟机应用进行了优化,每个处理器核心支持10个虚拟机镜像。目前的8路64核系统可支持单系统最高640个虚拟机同时运行。

  POWER7是IBM自2007年5月推出上一代产品POWER6以来的最新巅峰之作,也把UNIX服务器推向了新的高度。

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