La Arquitectura de PowerPc

La arquitectura PowerPC, ahora incluida en la
denominación Power, es una de las mejores y más
extendidas implementaciones de procesadores RISC. A
diferencia de los computadores CISC, se caracterizan por
tener un juego de intrusiones más simple que permite
simplificar su diseño y una mayor cantidad de registros
para obtener un rendimiento superior. Ejemplos de estos
microprocesadores son el PowerPC 601, el primer
PowerPC de la historia, el PowerPC 7450, al que Apple
llamó G4 y el PowerPC 970 usado en supercomputadores
como el MareNostrum de Barcelona. Pero los PowerPC se
usan también en microcontroladores, automóviles e incluso
aviones, como el PowerPC 401. El futuro de los Power, se
centra en el Cell y el nuevo POWER6 de IBM.


Introducción

En este blog se van a introducir ideas básicas
que componen los pilares de la arquitectura PowerPC,
como es la filosofía de diseño de computadores RISC, en la
que se fundamenta la arquitectura. Además, se hará un
breve repaso a la evolución de la corta, pero intensa,
historia de esta arquitectura.

Filosofía de diseño y repertorio de instrucciones de
procesadores RISC.

Antes de la aparición de los procesadores RISC
(Reduced Instruction Set Computer), la filosofía de diseño
de los procesadores se basaba en aumentar la potencia de
proceso agregando mayor capacidad de almacenamiento en
forma de registros. Este hecho condujo a un problema y es
que los registros se implementan en los procesadores
usando transistores en el propio dado del procesador,
además de que incrementan en gran medida la complejidad
de las CPUs, pues todas sus unidades funcionales han de
estar “cableadas” con todos los registros. En este sentido, la
utilización de la memoria principal simplificaba el diseño y
lo abarataba, por lo que los microprocesadores limitan el
número de registros que implementan en su interior.
Para poder usar la memoria principal para almacenar la
información de las unidades funcionales de la CPU, se
intentó implementar las instrucciones de manera que
ofrecieran varias versiones en función de la posición de los
operandos de las mismas, ya sea en registros internos o
memoria principal, y simplificar la programación. Este
concepto se conoce como ortogonalidad. Hace que un
menor número de instrucciones permitan realizar las
mismas operaciones, pues la misma instrucción puede ser
configurada para diferentes modos de direccionamiento.
La ortogonalidad proporciona una mayor sencillez a la
hora de programar una CPU, pero complica su desarrollo.
Con el auge del uso de compiladores, el
direccionamiento ortogonal cae en desuso, pues no tienen
la suficiente “inteligencia” como para aprovechar todos los
modos de direccionamiento que una CPU ofrecía, por lo
que sólo los programas escritos en bajo nivel (ensamblador)
podían aprovecharla.


La filosofía RISC se basa en reducir los modos de
direccionamiento y la cantidad de operaciones que realiza
una instrucción manteniendo la continuidad del flujo de
instrucciones en el cauce segmentado y creando un juego
de instrucciones más simples y más pequeño que los juegos
de instrucciones de computadores CISC (Complex
Instruction Set Computer).
Las instrucciones más simples requieren un menor
número de pasos o ciclos para ejecutarse, aunque realicen
también menos operaciones, mientras que las instrucciones
complejas requieren un mayor número de pasos, pero
realizan más operaciones. Con esto, se puede decir que, en
general, un programa requerirá más cantidad de
instrucciones simples para hacer lo mismo que otro
programa con instrucciones complejas. Por esto, no es fácil
discernir cuál de las dos alternativas proporciona un mayor
rendimiento.
La clave viene con la implementación de sistemas con
segmentación del cauce de ejecución, pues es más simple
implementar cauces eficientes para conjuntos reducidos de
instrucciones [1]. En general, los cauces de ejecución de
procesadores RISC serán más cortos que los de
procesadores CISC, aunque no es algo que se pueda
considerar como regla general, pues el PowerPC 970 de


IBM tiene más etapas que el Core 2 Duo de Intel,
ofreciendo el segundo un mayor rendimiento medio
(throughput).

Breve reseña histórica de la arquitectura PowerPC.

La filosofía RISC fue introducida por John Cocke en los
años 70. La primera implementación de un procesador
RISC llegaría con el proyecto 801 de IBM, dedicado
especialmente a computación empotrada. Ofreció un
rendimiento bastante malo, por lo que IBM emprendió el
Proyecto América, creando el primer procesador de la
arquitectura POWER [3], incluido en el RISC System/6000
a principios de los 90.
En 1991, IBM se dio cuenta de las posibilidades de su
diseño y se creó la alianza AIM (Apple, IBM & Motorola,
actualmente Freescale), con el objetivo de terminar con el
domino del tándem Microsoft-Intel que ofrecía sistemas
basados en 80386 y 80486 y tenía al Pentium en desarrollo.
Para Motorola supuso una salida al poco éxito que estaba
teniendo su serie 88000, por lo que requirió que la nueva
solución fuera compatible con el bus del 88000 a nivel de
hardware.
El resultado de estos requerimientos fue la arquitectura
PowerPC (Performance Optimization With Enhanced RISC
Performance Computing).
La primera implementación de un procesador PowerPC
llegó en 1993 con el PowerPC 601 de IBM.
Los primeros productos tuvieron cierto éxito, Motorola
implementó sus propios sistemas y Microsoft portó
Windows NT 3.51 a la arquitectura. Aunque en la
actualidad sólo versiones de Linux y Mac OS X siguen
estando disponibles para PowerPC (Apple ha decido
utilizar procesadores Intel en sus líneas de productos, por lo
que sólo Linux quedará como SO de sobremesa para los
procesadores PowerPC).
Ejemplos de implementaciones de sobremesa fueron los
procesadores 750 (G3), 7400 (G4), 7450 (G4e) y sus
múltiples versiones (7447, 7447a y 7448) y el 970 (G5) y
sus derivaciones: 970FX, 970MP y 970GX.

Aplicaciones actuales de los procesadores PowerPC

Esta arquitectura ha tenido mucho éxito en entornos
empotrados, con representantes como el PowerPC 401 y
diversos microcontroladores desde 8 a 32 bits, usados en
automóviles, controladores de red e incluso aviones (el
nuevo Airbus A380, lleva 25 chips PowerPC y el SO de
tiempo real LynxOS).
Se han construido numerosos supercomputadores en
torno a procesadores PowerPC, como el MareNostrum, que
cuenta con 10.240 PowerPC 970MP a 2,3 GHz [4].
Además, todas las videoconsolas dominantes tienen
corazón PowerPC, con el Broadway de Nintendo Wii, Cell
para la PlayStation 3 y Xenon de XBox 360. Y por
supuesto, es una excelente solución para estaciones de
trabajo y equipos de sobremesa, así como portátiles.
En la actualidad, la especificación PowerPC está
gestionada por el consorcio Power.org [5], que incluye
entre sus miembros a IBM y Freescale.

Características Arquitectónicas

Tras conocer los fundamentos de los computadores
RISC, pasaremos a desglosar las particularidades de una
arquitectura que proporciona gran rendimiento
manteniendo la simplicidad de los computadores RISC
originales.

A. Arquitectura del Juego de Instrucciones

La ISA (Instruction Set Architecture) de PowerPC se
describió originalmente en tres libros [6] que contemplaban
las instrucciones de nivel de usuario, el entorno virtual y el
entorno operativo.
El primero describe el uso de los registros e
instrucciones (todas no privilegiadas) típicamente usados
por los programas de aplicación. El segundo describe las
instrucciones que permiten manejar el almacenamiento de
la CPU (cachés, alineamiento de accesos, etc.). Son
instrucciones no privilegiadas, pero que sólo el SO
típicamente usa. El último libro hace referencia a las
instrucciones privilegiadas para el manejo de la traducción
de direcciones, interrupciones, etc.

La última versión de la ISA es la 2.03, publicada en
noviembre de 2006, cuenta con los tres libros originales, en
los que se separa el modo privilegiado en las categorías de
servidor y empotrado y un libro adicional de instrucciones
de longitud variable. Incluye soporte para virtualización,
descripción precisa de las extensiones AltiVec para cálculo
vectorial y, lo más importante, fusiona todos los juegos de
instrucciones de PowerPC, POWER y los procesadores
empotrados en un único ISA [7] [8]. Puede observarse en la
la evolución de la ISA Power.
En la especificación básica, las instrucciones tienen un
ancho de codificación fijo de 32 bits. Las instrucciones
aritméticas y lógicas usan un formato de tres operandos,
especificados por el nombre de los registros.

B. Alineamiento de palabras

Originalmente la arquitectura PowerPC se definió para
acceder a memoria usando el alineamiento big-endian (o
del extremo mayor) aunque la mayoría de las
implementaciones de microprocesadores PowerPC tienen la
posibilidad de cambiar en tiempo de ejecución el


alineamiento (endianness) variando un bit del registro MSR
a little-endian (el alineamiento que usa el bus PCI y las
arquitecturas IA-16, IA-32 y AMD64, por ejemplo).
Un ejemplo de CPU que no podía cambiar el endianness
en tiempo de ejecución fue el 970 de IBM, que sólo usa
big-endian.

C. Modos de direccionamiento a memoria

Las CPUs PowerPC direccionan al byte y sólo es posible
el acceso a memoria mediante las instrucciones LOAD y
STORE, que copiarán a los registros del procesador los
valores de la memoria principal o los transferirán a ésta.
Para generar las direcciones se sumará el contenido de
un registro base a un índice proporcionado en la propia
instrucción o en un registro índice. PowerPC permite
actualizar el registro base con la última dirección generada
para, por ejemplo, procesar elementos consecutivos.

D. Conjunto de registros

La arquitectura define 32 registros de propósito general
y otros 32 registros de coma flotante de 64 bits. En función
del modo de operación, los registros de propósito general
tendrán un ancho de 32 ó 64 bits.
Las implementaciones que incorporan el motor vectorial
AltiVec [9] (también llamado VMX por IBM o Velocity
Engine por Apple) incorporan 32 registros adicionales de
128 bits.

E. Motor de cálculo vectorial

Además de los 32 registros vectoriales, los procesadores
PowerPC que implementen el motor AltiVec implementan
instrucciones de control de caché para evitar sobrecargar el
uso de la memoria caché y producir un descenso del
rendimiento.
Como ocurre con las extensiones SSEx de los
procesadores x86, operan en paquetes de datos usando los
registros especiales definidos a tal efecto. La diferencia
radica en que PowerPC define 32 frente a 8 registros de
x86 (AMD64 amplía esta cifra hasta 16) y que ejecuta las
instrucciones vectoriales de forma independiente en un
ciclo y sin requerir un cambio de modo [9], cosa que no se
ha conseguido en los procesadores x86 hasta 2006 con la
introducción de la microarquitectura Core de Intel.
AltiVec fue desarrollado entre 1996 y 1998 y la primera
implementación se produjo en el MPC7400 de Motorola
(G4) que Apple usó para optimizar parte del código de su
nuevo sistema operativo, Mac OS X. Recientemente, se ha
incluido el motor VMX en los procesadores de la línea
POWER de IBM con el futuro POWER6.

Ejemplo de Implementaciones

A continuación se muestran las características de
diversas implementaciones de la arquitectura PowerPC. Se
incluyen los procesadores 601 de IBM y Motorola, 7447 de
Motorola, 970 de IBM y 401, como ejemplo de
microcontrolador.


Además, se incluye una breve revisión al Cell
Broadband Engine (BE) y Xenon y a la nueva apuesta de
IBM, el POWER6.

A. PowerPC 601

El PowerPC 601 es el primer representante de la
arquitectura. Presentado en marzo de 1994, fue
desarrollado por Apple, IBM y Motorola. La necesidad de
sacarlo pronto al mercado hizo que el equipo de desarrollo
de IBM en Austin aceptara una planificación de desarrollo
de tan sólo 12 meses tomando como base de desarrollo la
interfaz de bus del Motorola 88110 [10].

Se trata de un procesador superescalar de 32 bits con
tres unidades de ejecución segmentadas que es capaz de
emitir tres instrucciones de 32 bits por ciclo.

Está implementado en un único chip con 2,8 millones de
transistores, incluyendo los 32 KiB de caché unificada
(asociativa por conjuntos de 8 vías). Se usó la tecnología de
fabricación de 60 micrones (60.000 nm). Existieron
versiones con frecuencias de 50, 66, 80 y 100 MHz.
El pipeline del 601 es relativamente corto (aspecto
característico de los PowerPC hasta la llegada del 970) con
4 etapas para las instrucciones de enteros, 6 para las de
coma flotante y 5 para las LOAD/STORE. Posee 11
unidades funcionales entre las que se
encuentran 2 de coma flotante y una de ejecución de salto
(Branch Unit) con capacidad de ejecución fuera de orden.


Tiene un búfer de instrucciones que le permite tener
hasta 8 instrucciones al vuelo.

B. PowerPC 7447

Tras las implementaciones de la serie 6XX, llegó la serie
7XX, denominada por Apple como G3, que permitió
superar el rendimiento de la serie 6XX, pero que tuvo una
importante carencia: el motor vectorial, que ya tenían sus
competidores x86. El motor vectorial llegaría con el 7400
de Motorola, que sería básicamente un 750 con el añadido
de las extensiones AltiVec.


En 2001 presenta el 7450, que supondría un rediseño
completo de la anterior versión. Con un pipeline un poco
más largo (7 etapas frente a las 4 del 7400) pudo alcanzar
frecuencias mayores, desde los 667 MHz en 2001 a los 2
GHz en la actualidad. La última revisión, el MPC7448 está
fabricada en 90 nm y ofrece cotas de rendimiento por vatio
de entre las mejores del mercado.

El PowerPC 7447 es una pequeña evolución del 7450,
con el comparte filosofía arquitectónica. También tiene un
pipeline de 7 etapas, está fabricado con tecnología de 130
nm e implementado con 58 millones de transistores. Tiene
un caché L1 dividida de 32 KiB de instrucciones y 32 KiB
de datos, una caché L2 interna unificada de 512 KiB y la
versión 7457 tiene una interfaz para caché L3 externa al
chip de la CPU.
Posee tres unidades de enteros simples que manejan más
del 90% de las instrucciones con enteros, además de una
unidad compleja que permite manejar las restantes.
Ofrece 16 registros adicionales de renombrado, ocultos
al programador y compilador que sirven para dar mayor
flexibilidad a la hora de planificar la ejecución de
instrucciones, llegando hasta 16 instrucciones pendientes.
El 7447 implementa las extensiones AltiVec, que
añaden 162 nuevas instrucciones a la ISA Power y tiene 4
unidades de ejecución vectoriales que se pueden observar
en el diagrama de bloques de la figura 6: permutación de
vectores, operaciones de enteros simples, operaciones de
enteros complejos y operaciones de coma flotante, además
de los 32 registros de 128 bits estándar.
La revisión 7447a incluye monitorización de
temperatura y la posibilidad de variar el multiplicador
interno en tiempo de ejecución, característica
especialmente útil en equipos portátiles [11].

C. PowerPC 970

La filosofía de diseño del PowerPC 970 varió respecto a
la del 7450, en este caso se usó un pipeline bastante más
largo, de 14 etapas en el caso de operaciones con enteros,
frente a las 7 del 7450. Esto permite tener hasta 200
instrucciones al vuelo pendientes de confirmar (lo que
incrementa el número de registros de renombrado
necesarios), además de escalar mejor frecuencia. Estas
características, combinadas con un consumo relativamente
reducido (el 970 de 1,8 GHz consume 42 W frente a los 69
del Pentium 4 a 2,8 GHz y los escasos 30 W del 7450 a 1,2
GHz), hicieron que se convirtiera en un chip muy popular.


El PowerPC 970 es un microprocesador superescalar
con modos de operación de 32 y 64 bits que desciende
directamente del POWER4 de IBM e implementa el motor
vectorial VMX (AltiVec).
Comparado con el PowerPC 7450, el 970 tiene un
rendimiento general mayor, pero el tener muchas más
etapas de segmentación hace que cuando es necesario
vaciar el pipeline, la penalización de rendimiento sea
también mayor. Por este motivo, el 970 tiene una caché de
instrucciones el doble de grande que la del 7450 (64 KiB


frente a 32 KiB), además de que ha de incorporar técnicas
avanzadas de predicción de saltos para minimizar los fallos
de pipeline, penalizando el rendimiento [12].


Para mantener el pipeline lleno de instrucciones en todo
momento, se leen de memoria ocho instrucciones por ciclo.
Estas instrucciones se decodifican y dividen en una especie
de micro operaciones llamadas IOPs, que se ejecutarán
fuera de orden.
Pero la mayor mejora de rendimiento del 970 es el bus
frontal que incorpora. Éste está compuesto por dos canales
unidireccionales de 32 bits de ancho que pueden funcionar
hasta a la mitad de la frecuencia de la CPU, es decir, ésta
última tiene un multiplicador de 2x. Los comandos de
control se multiplexan en bus junto con los datos, lo que
hace que se pierda una pequeña cantidad de ancho de banda
(en torno a un 10%), aunque sigue manteniendo una tasa de
transferencia bastante alta (para un FSB de 900 MHz se
llega a los 6,4 GiB/s).
Para concluir, es necesario mencionar que el 970 posee
dos unidades de enteros asimétricas, una unidad de coma
flotante que permite ejecutar operaciones en doble y simple
precisión a la misma velocidad y que tiene 80 registros
disponibles (32 de la ISA PowerPC y 48 de renombrado) y
una implementación total de las extensiones AltiVec, con
unidades de aritmética en coma flotante y entera, lógica y
permuta de vectores [13]. En la figura 8 de aprecian todos
los bloques constitutivos del PowerPC 970.

D. PowerPC 401

El PowerPC 401 es un chip contemporáneo al PowerPC
601, descrito anteriormente. Fue diseñado para entornos
empotrados, como microcontroladores, elementos de redes
(routers, switches…), etc. Para reducir el coste, consumo y
tamaño se eliminaron elementos como la unidad de gestión
de memoria (desparece la paginación) y las unidades de
coma flotante, lo que permitió un consumo de tan sólo 0,1
W en su versión de 100 MHz (1996).
Fue implementado usando únicamente 85.000
transistores. Sólo puede emitir una instrucción por ciclo y
posee un pipeline de tres etapas.


E. Cell Broadband Engine

Este procesador es el resultado de los esfuerzos de Sony,
Toshiba e IBM, que en 2001 comenzaron a desarrollarlo
juntos en lo que se denominó la alianza STI. Entre otros
usos, como televisores de alta definición y servidores blade,
el Cell es el corazón de la nueva Playstation 3 de Sony.
Las primeras versiones del Cell operan a frecuencias de
4,8 GHz (aunque el que lleva la Playstation 3 lo hace a 3,2
GHz y existen prototipos a 65 nm que trabajan a 6 GHz).



A grades rasgos, está formado por un núcleo principal
que implementa toda la ISA Power y ocho elementos
coprocesadores que permiten acelerar de forma paralela
operaciones vectoriales, multimedia y de diversa índole. Al
núcleo principal se le denomina PPE (Power Processing
Element) y a los elementos coprocesadores SPEs
(Synergistic Processing Element) [14].

Tanto el PPE como los SPEs son procesadores RISC. El
PPE implementa la ISA Power de 64 bits, por lo que tiene
los registros marcados por la misma, excepto los registros
del motor VMX, que se incrementan hasta 128. Los SPEs
tienen únicamente 128 registros de 128 bits para almacenar
datos escalares o vectoriales de cualquier tipo.
Aunque el Cell es considerado un chip SMP, realmente
no es así, pues los SPEs no son completamente
independientes ya que necesitan que el PPE les programe
tareas y los sincronice, para lo que se añaden algunas
instrucciones al PPE.

Para comunicar todos los elementos, se implementó el EIB (Element Interconnect Bus), que permite comunicar todos los elementos del chip (12 en total). Se trata de un anillo de 16 bits de ancho por el que los participantes pueden realizar tres transacciones de forma concurrente y que permite más de 200 GiB/s de ancho de banda [15].
Por último, el controlador de memoria XDRAM del Cell permite una tasa de transferencia de más de 25 GiB/s.

F. Xenon

El Xenon es el núcleo de la consola Xbox 360 de Microsoft. Implementa la ISA PowerPC con tres núcleos independientes y simétricos a 3,2 GHz con 32 KiB de caché L1.
Posee 1024 KiB de caché L2 compartida a 1,6 GHz e implementa una derivación de las extensiones VMX, VMX128 (las mismas extensiones VMX, pero con 128 registros y capacidad de multihilo simultáneo).
Proporciona un bus a 5,4 GHz y hasta 21,6 GiB/s de ancho de banda (pico) [16].

G. POWER6

Poco se sabe del nuevo POWER6, salvo que será el sucesor del POWER5+ de IBM.
Se estima que tenga unos 750 millones de transistores (fabricado a 65 nm, aunque con partes a 90 nm) y opere a frecuencias de entre 4 y 6 GHz sin incrementar en gran medida la longitud del pipeline respecto al POWER5+.

Se trata de un procesador dual-core con 128 KiB de caché L1 por core y una caché L2 de 4 MiB compartida. Además, habrá implementaciones con hasta 36 MiB de caché L3 externa [17].
Es el primer procesador de la línea POWER de IBM [3] que incorpora el motor vectorial AltiVec (VMX). Además incluye técnicas de ahorro de energía para su futuro uso en entornos como servidores blade.

CONCLUSIÓN

Como ha podido verse a lo largo de los apartados anteriores, la arquitectura PowerPC nació como alternativa a los procesadores CISC de la época y ha terminado por sustituirlos, pues en la actualidad, éstos poseen un núcleo RISC y un traductor de instrucciones a micro operaciones similares a las RISC.
A lo largo de toda su historia ha ido evolucionando para adecuarse a las necesidades del momento y adaptarse a diferentes escenarios de utilización, de tal forma que se usa en computadores convencionales y empotrados (en los que ha desbancado claramente a la anterior arquitectura dominante, MIPS [18] [19]). Ha evolucionado hasta chips multinúcleo y de bajo consumo y supone una clara alternativa a los procesadores x86 de Intel o AMD.

Además tiene un futuro prometedor, con procesadores como el Cell, que siguen la tendencia actual del paralelismo a nivel de hilo y datos o el POWER6, que además evolucionan técnicas descartadas por otros fabricantes como la supersegmentación y la escalada de frecuencias para incrementar el paralelismo a nivel de instrucción. A lo que hay que añadir el dominio en el mundo del entretenimiento.
Aunque no todo es tan prometedor, pues el principal fabricante de computadores de sobremesa que usaba PowerPC como núcleo de sus equipos, Apple, ha dejado de usarlos, por lo que su expansión es menor y de aquí a unos años se perderá un sistema operativo para PowerPC, quedando, previsiblemente, únicamente Linux como sistema para estas máquinas.