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Cell (微處理器)

此條目頁的主題是處理器。關於生物學之使用，請見「細胞」。

Cell微處理器架構（Cell Broadband Engine Architecture，通常簡稱Cell BE[1]或CBEA[2]）由索尼、索尼電腦娛樂、東芝、國際商業機器（IBM）公司聯合開發[3]。它是以RISC指令體系的Power架構為基礎來設計的，並具有高時脈頻率、高執行效率等特點。主要應用於PlayStation 3和刀鋒伺服器之上。而CELL處理器的第二代版本，提高了雙精度浮點運算效能。以往的CELL處理器，雙精度的效能只有單精度的十分之一。而新的CELL處理器，可以使到雙精度效能有五倍的提升。[4]

Cell Broadband Engine (Cell)
搭載於PlayStation 3上的Cell
產品化2006年
設計團隊SCE、SONY、IBM、東芝
指令集架構Power Architecture
製作工藝/製程90奈米 至 45奈米
核心數量9
應用平台電子遊戲機、超級電腦、電視機

發展歷史

 
Peter Hofstee[5], Cell微處理器的主要架構設計師之一。

在2000年年中，索尼電腦娛樂，東芝公司和IBM結成一個被稱為「STI」的聯盟，用以設計和製造的處理器。[6]

STI設計中心於2001年3月開業。Cell使用POWER4處理器的設計工具的增強版本，其設計期間為期四年。有三家公司超過400名的工程師一起在奧斯汀工作，並有11個IBM設計中心的重要支援。[7]在此期間，IBM提出了Cell架構，製造工藝和軟體環境有關的多項專利。早期專利版本的Broadband Engine被證實是一個晶片封裝，包括「處理單元（Processing Elements）」，這是該專利的描述，是目前已知的Power Processing Element（PPE）。目前在Broadband Engine晶片上，每個「處理單元」包含8個加速處理單元，而它被簡稱為SPE。[8]

2007年3月，IBM將Cell微處理器由第一代產品的90奈米製程推進到65奈米製程，由位於美國紐約州 East Fishkill 的12吋晶圓廠展開65奈米製程Cell微處理器的生產。製程推進到65奈米之後，Cell的晶片面積與耗電量將可進一步壓低，有利於數位家電等相關應用的發展。[8][9]

2008年2月，IBM宣布該公司將開始製造的45奈米製程的Cell處理器。[10][11]2009年8月，輕薄版PlayStation 3－PS3 Slim同時採用45奈米Cell處理器。[12]

2008年5月，IBM推出了高效能的的雙精度浮點版本的Cell處理器，以65奈米為主要尺寸的PowerXCell 8i。[13]

2008年5月，以一個Opteron處理器和PowerXCell 8i為基礎的超級電腦，IBM走鵑系統，成為世界上第一個達成PetaFLOPS的系統[14]，它當時是世界上最快的電腦，而此紀錄一直維持到2009年第3季。

2009年，IBM於SC09高效能計算會議上宣布，放棄基於Cell架構處理器的開發[15][16]，Cell架構及設計理念將融合到IBM的其他處理器產品中。[17]該公司原計劃開發 PowerXCell-8i 處理器的後續產品，內含雙PowerPC處理器核心，並設定了32個 SPE 單元的下一代Cell處理器將已被取消。[18]

概要

  • Cell包含9個核心：1個64位元的PPE（英語：Power Processing Element）控制核心和8個完全一樣的SPE運算核心。
  • 擁有2億5千萬個電晶體（DD2量產版）。核心面積為235平方毫米，採用IBM的SOI 90奈米銅互連工藝製造，在此之後採用65奈米工藝製造。
  • 首批工程樣品工作頻率為4.06 GHz，工作電壓1.1伏特；此後有4.6 GHz。
  • 每秒可進行2560億次浮點計算（256 GFlops）。
  • 支援網格運算，具備靈活的並列、分散式的計算結構。

2005年8月25日，IBM、SONY、SCEI與東芝等 4 家公司正式公開「Cell」，該次所公布的規格資料參考檔案，共分為 5 份，包括 1 份說明 Cell 基於分散式處理與多媒體應用所定義的整體架構，另外 4 份則是關於 Cell 獨立浮點數運算單元 SPU 的指令集架構，低階組合語言，高階 C/C++ 程式語言擴充規格，以及應用程式二進位介面（Application Binary Interface）的規格書與說明文件。[19]

Cell結合了通用的Power Architecture核心，適中的效能與流線型的協處理器，大大加快多媒體和向量處理的應用程式，以及許多其他形式的專用計算。[20]

處理器架構

PPE 可以作為資源管理使用，SPE 可以作為資料處理器使用。PPE 上的程式可以將任務分解到 SPE 上完成，然後相互傳輸資料。SPE 缺少一般處理器中的大部分通用特性，它們根本不能執行常見的作業系統任務，沒有虛擬記憶體的支援，不能直接訪問電腦的RAM，中斷支援也非常有限。將 SPE、PPE 和主記憶體控制器連接在一起的是一個名為 Element Interconnect Bus 的匯流排，這是資料傳輸的主要通道。[21]

PPE

Power Processor Element（簡稱為PPE）：PPE 包含一個64位元雙執行緒PowerPC結構的RISC核心，並支援PowerPC的虛擬記憶體子系統。它具有32KB的 L1 指令快取，以及一個32 KB 資料快取，以及512 KB L2的共享快取。Cell中的PPE包含VMX指令集（Vector Multimedia eXtensions：AltiVec技術）。[22]

SPE

Synergistic Processing Elements，簡稱SPE。[21]每個 SPE 包括：

  • 一個向量處理器，稱為 Synergistic Processing Unit，或 SPU
  • SPU 中的一個私有主記憶體區域，稱為本地儲存（PS3 上這個區域的大小是 256K）
  • 用來聯絡外部世界的一組通訊通道
  • 一組 128 個暫存器，每個 128 位寬（每個暫存器通常都可以用來同時儲存 4 個 32 位的值）
  • 一個記憶體流控制器（MFC），它負責管理 SPU 的本地儲存和主記憶體之間的 DMA 傳輸

EIB

Element Interconnect Bus（簡稱 EIB）：透過該匯流排，每個DMA控制器取得與SPE相關的指令和資料。DMA控制器也將結果送到通用匯流排，使其可輸出到晶片外，以傳送給晶片上的週邊裝置或PPE快取記憶體。PPE可意識到SPE所傳輸的資料，但SPE則完全不知道毗鄰的任何流量；這將保持SPE的簡易性，並限制在其執行時的中斷或不必要的影響，如果SPE需要知道外部資料的變化，其各自的DMA控制器便負責擷取資訊。[23]

記憶體與I/O控制器

Cell BE內建2.5百萬位元組主記憶體，通過Rambus的XDR和FlexIO技術，每秒可與外部主記憶體交換100吉位元組Gbytes的資料。XDR記憶體控制器介面(XIO)為72位元寬，可以在3.2Gbps資料速率下運作並提供25.6GB/s的總記憶體頻寬。[24]

PowerXCell 8i

2008年，IBM公佈了經修訂的變種Cell，它被稱作PowerXCell 8i，並從IBM的刀鋒伺服器QS22開始採用。[25]花費超過一億美元的 走鵑 是世界第一台 Linpack 達成 1 petaflops 的超級電腦，採用雙核 AMD Opteron 加上PowerXCell 8i 處理器混合為一個節點的設計[26]，走鵑共有6563顆雙核的 AMD Opteron，以及12240顆IBM PowerXCell 8i。[27]國際超級電腦大會發布的綠色超級電腦500大（Green500）名單，IBM的PowerXCell 8i獨占前3名及5至7名，該排名以平均每瓦電力每秒所提供的浮點運算能力(MFLOPS/W)為基準。[28]除了QS22和超級電腦，PowerXCell也被做成一張PCI-E介面的加速處理器，並在QPACE專案作為核心處理器。[29]

商業化

PS3

STI 將 Cell 應用於高畫質數位影音家電、遊樂器、電腦繪圖、科學運算等領域，其中以 SCE 所推出的 PS3 主機為相關應用中最受矚目、規模也最為龐大的產品。第一代的 Cell 微處理器將具備1個 PPE 微處理器核心，與8個 SPE 協同處理器（保留1個 SPE 作為備援，實際可用的 SPE 為7個），由 2.5 億電晶體所構成，PS3 則採用時脈 3.2GHz 的版本。[30]

SpursEngine

東芝推出基於CELL的輔助處理器，名為SpursEngine。[31]這與真正的CELL處理器不同，它只有1個PPE和4個SPE核心，但額外增加了MPEG-2和H.264的硬體編解碼器。它可以用來加速圖片和影片播放（包括MPEG-2和H.264），並有自己的XDR記憶體。介面方面，可以採用PCI-E x1或者x4。東芝的平板電視都會採用相關的處理器，將標準畫質解析度插值至1080p。並同時進行細節修補，改善色彩，邊緣銳利化等工作[32]。麗台已推出採用SpursEngine晶片的加速卡，用作協助電腦作影像編輯。[33][34]

家用電視

東芝公司推出Cell TV，它能把2D畫面轉換成3D。Cell T還可升級數位視訊，甚至補強畫素，強化低品質的串流，並測知房間的燈光，調整螢幕的顯示品質。Cell TV尚有內建攝影機、麥克風與軟體，可以撥打網路視訊電話。[35][36]這是東芝以Cell為核心開發的首款產品，重點顯然是將電視機作為一個範例，用來說明硬體和軟體工程師能夠合力開發出什麼樣的產品。例如：利用Cell電視機的連網功能建立一種商業模式，這款電視機顯然可以成為一大批付費服務的載體。[37]

參見

參考資料

  1. ^ Linux on Cell BE-based Systems. [2013-04-06]. （原始內容存檔於2013-04-07）. 
  2. ^ What does CBEA stand for? Cell Broadband Engine Architecture (IBM). [2013-04-06]. （原始內容存檔於2013-10-06）. 
  3. ^ 陳閔揚. Cell微處理器與XDR DRAM結合 會迸出什麼樣的火花？. DIGITIMES. 2004-12-24 [2013-03-30]. （原始內容存檔於2016-03-05） （中文（臺灣））. 經過IBM、SONY與Toshiba 3家國際大廠歷經3年的研究與開發，Cell微處理器終於即將問世！除了大眾期盼已久SONY的PS3遊戲機將採用Cell微處理器，SONY也將把此處理器運用在該公司大部分消費性電子產品中；Toshiba更明白表示，Cell微處理器將在其SED顯示器中，扮演關鍵角色。 
  4. ^ 第二代Cell处理器 IBM新刀片服务器登场. [2008-05-20]. （原始內容存檔於2008-06-09）. 
  5. ^ The Soul of Cell: An interview with Dr. H. Peter Hofstee. [2013-04-07]. （原始內容存檔於2006-03-28）. 
  6. ^ Krewell, Kevin (14 February 2005). "Cell Moves Into the Limelight". Microprocessor Report（英語：Microprocessor Report）.
  7. ^ Introduction to the Cell multiprocessor. IBM Journal of Research and Development. 2005-08-07 [2007-03-22]. （原始內容存檔於2007-02-28）. 
  8. ^ 8.0 8.1 IBM Produces Cell Processor Using New Fabrication Technology.. X-bit labs. [March 12, 2007]. （原始內容存檔於2007年3月15日）. 
  9. ^ Sam. IBM 展開 65 奈米製程 Cell 微處理器的生產. 巴哈姆特. IBM 展開 65 奈米製程 Cell 微處理器的生產 [2013-04-02]. （原始內容存檔於2013-07-10） （中文（臺灣））. 第一代量產版 Cell 採 IBM 90nm SOI 製程生產，由 2 億 5 千萬電晶體所構成，晶片面積 235 mm^2。IBM 於日前舉辦的「2007 年國際固態電路會議（ISSCC 2007）」中，曾發表 65nm 版 Cell 的晶片照與 SRAM 設計，透過製程與 SRAM 電源設計的改良，提昇晶片最高運作時脈並降低晶片耗電量。 
  10. ^ Stokes, Jon. IBM shrinks Cell to 45nm. Cheaper PS3s will follow. Arstechnica.com. 2008-02-07 [2012-09-19]. （原始內容存檔於2008-10-20）. 
  11. ^ IBM shrinks Cell to 45nm. Cheaper PS3s will follow. [2013-04-03]. （原始內容存檔於2012-12-02）. 
  12. ^ Sony answears our questions about the new PlayStation 3. Ars Technica. August 18, 2009 [August 19, 2009]. （原始內容存檔於2011-07-22）. 
  13. ^ IBM Offers Higher Performance Computing Outside the Lab. IBM. [May 15, 2008]. （原始內容存檔於2019-09-24）. 
  14. ^ Military supercomputer sets record - CNET News.com. [2013-04-05]. （原始內容存檔於2019-09-24）. 
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  16. ^ SC09: IBM lässt Cell-Prozessor auslaufen. HeiseOnline. November 20, 2009 [November 21, 2009]. （原始內容存檔於2013-01-23）. 
  17. ^ 世界第一超算“走鹃”成为绝唱 IBM放弃Cell研发. [2013-02-09]. （原始內容存檔於2013-03-09）. 
  18. ^ 天驕的隕落：IBM放棄Cell處理器開發計劃. [2013-04-05]. （原始內容存檔於2012-11-16）. 
  19. ^ Sam. Cell 微處理器詳細規格資料公布. 巴哈姆特. 2005-08-25 [2013-03-30]. （原始內容存檔於2011-10-28） （中文（臺灣））. IBM、SONY、SCE 與東芝等 4 家公司，於今日（8 月 25 日）正式公開其所共同研發的新一代微處理器「Cell」的詳細規格資料參考檔案，供所有對 Cell 相關設計與程式撰寫有興趣的資訊工作者參考。 
  20. ^ Synergistic Processing in Cell's Multicore Architecture (PDF). IEEE. [2007-03-22]. （原始內容存檔 (PDF)於2016-03-05）. 
  21. ^ 21.0 21.1 在 Cell BE 处理器上编写高性能的应用程序. [2013-04-08]. （原始內容存檔於2013-03-06）. 
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  23. ^ 杜立 (Jim Turley). Cell處理器開啟多重處理架構的新紀元. EET電子工程專輯. 2006-07-24 [2013-04-09]. （原始內容存檔於2007-11-04） （中文（臺灣））. 還記得第一次對一款處理器進行編程？那一定是既興奮又具有挑戰性的過程。對經驗豐富的程式設計師或開發團隊來說，即使是一般的微處理器也充滿著各種挑戰。現在，想像要從單一原始程式碼串流突然為九個不同的處理器進行編程，並使其全部能協同工作；而當處理器運作時，它仍能出乎意外的順利執行。要使這些微處器能協同工作，最重要的就是技巧。這便是IBM...... 
  24. ^ Rambus - Sony PlayStation 3. [2013-04-09]. （原始內容存檔於2013-05-22）. 
  25. ^ IBM BladeCenter QS22. IBM. [2013-04-08]. （原始內容存檔於2014-05-17） （日語）. BladeCenter QS22は、IBM PowerXCell 8i プロセッサーを搭載した先進的なブレード・サーバーです。Cell Broadband Engine アーキテクチャーの拡張版を土台とするQS22は、舊世代ブレードの5倍の倍精度演算效能を発揮します。 
  26. ^ Andy Yang. 傳奇性的 IBM Roadrunner 超級電腦正式退役. engadget中文版. 2013-04-01 [2013-04-08]. （原始內容存檔於2013-04-03） （中文（臺灣））. Roadrunner 在 2008 年 6 月到 2009 年 11 月間曾經是世界最快的電腦（2006 年剛上線時沒有 PowerXCell 的組態，那是在之後加裝的），除了進行核彈內能量流動的計算之外，也在 HIV、奈米線、和宇宙類比等方面進行了研究。 
  27. ^ 陳曉莉. 綠色超級電腦評測：GPU與IBM出色. iThome Online. 2013-04-01 [2013-04-08]. （原始內容存檔於2013-06-04） （中文（臺灣））. 
  28. ^ 沈經. 綠色超級電腦評測：GPU與IBM出色. iThome Online. 2010-07-05 [2013-04-08] （中文（臺灣））. [永久失效連結]
  29. ^ QPACE: power-efficient parallel architecture based on IBM PowerXCell 8i
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  31. ^ Toshiba 發表 SpursEngine 圖形協同處理晶片. [2013-04-05]. （原始內容存檔於2010-06-09）. 
  32. ^ 东芝重量级ZF平板电视采用Cell处理器. [2008-09-01]. （原始內容存檔於2008-11-20）. 
  33. ^ 丽台发布Cell核心视频加速卡. [2008-09-12]. （原始內容存檔於2008-09-24）. 
  34. ^ Toshiba 的 SpursEngine. [2013-04-05]. （原始內容存檔於2017-02-04）. 
  35. ^ 东芝推出2D画面变3D的新电视Cell TV. 2010-01-08. 原文發表日期 [2013-04-06]. （原始內容存檔於2015-05-25） （中文（中國大陸））. 
  36. ^ 東芝Cell電視可將數字視頻轉換為3D視頻. [2013-04-06]. （原始內容存檔於2015-06-19）. 
  37. ^ 商：东芝欲借Cell电视机提高品牌知名度. [2013-04-06]. （原始內容存檔於2015-06-19）. 

外部連結

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