باور 7

POWER7 هي عائلة من المعالجات الدقيقة متعددة النوى فائقة التوازي، تعتمد على بنية مجموعة تعليمات Power ISA 2.06، وقد صدرت عام 2010 خلفًا لـ POWER6 و POWER6+ . طُوّرت POWER7 بواسطة شركة IBM في عدة مواقع، منها: روتشستر، مينيسوتا ؛ أوستن، تكساس؛ إسيكس جانكشن، فيرمونت ؛ مركز أبحاث تي جيه واتسون ، نيويورك؛ برومونت، كيبيك ^{[ 1 ]} ؛ ومختبرات IBM Deutschland Research & Development GmbH في بوبلينجن ، ألمانيا. أعلنت IBM عن خوادم تعتمد على POWER7 في 8 فبراير 2010. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

فازت شركة IBM بعقدٍ من وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) بقيمة 244 مليون دولار أمريكي في نوفمبر 2006 لتطوير بنية حاسوب فائق السرعة (بيتاسكيل ) قبل نهاية عام 2010 ضمن مشروع HPCS . وينص العقد أيضًا على أن تكون هذه البنية متاحة تجاريًا. ويعتمد اقتراح IBM، المسمى PERCS (نظام حاسوبي إنتاجي، سهل الاستخدام، موثوق)، والذي فازت به بالعقد، على معالج POWER7 ونظام التشغيل AIX ونظام الملفات المتوازية العامة ( GPSS) . ^{[ 4 ]}

إحدى الميزات التي تعاونت عليها شركتا IBM وDARPA هي تعديل عتاد العنونة وجداول الصفحات لدعم مساحة الذاكرة المشتركة العالمية لمجموعات POWER7. يتيح هذا للباحثين برمجة المجموعة كما لو كانت نظامًا واحدًا، دون استخدام تمرير الرسائل. من منظور الإنتاجية، يُعد هذا أمرًا بالغ الأهمية نظرًا لأن بعض الباحثين ليسوا على دراية بـ MPI أو تقنيات البرمجة المتوازية الأخرى المستخدمة في المجموعات. ^{[ 5 ]}

مثّلت بنية POWER7 فائقة التوازي متعددة النوى تطورًا كبيرًا عن تصميم POWER6، حيث ركزت بشكل أكبر على كفاءة استهلاك الطاقة من خلال النوى المتعددة والمعالجة المتعددة المتزامنة (SMT). ^{[ 6 ]} بُنيت بنية POWER6 من الصفر لزيادة تردد المعالج إلى أقصى حد على حساب كفاءة استهلاك الطاقة، وقد حققت ترددًا مذهلاً بلغ 5  جيجاهرتز. بينما يتميز POWER6 بمعالج ثنائي النواة ، كل منهما قادر على المعالجة المتعددة المتزامنة ثنائية الاتجاه، يحتوي معالج IBM POWER 7 على ما يصل إلى ثماني نوى، وأربعة خيوط معالجة لكل نواة، بإجمالي قدرة تصل إلى 32 خيط معالجة متزامن. ^{[ 7 ]}

أعلنت شركة IBM في مؤتمر ISCA 29 ^{[ 8 ]} أن ذروة الأداء تتحقق من خلال تصميمات عالية التردد مع تأخيرات تتراوح بين 10 و20 FO4 لكل مرحلة من مراحل خط الأنابيب ، على حساب كفاءة استهلاك الطاقة. مع ذلك، تحقق وحدة الفاصلة العائمة الثنائية في معالج POWER6 خط أنابيب "6 دورات، 13 FO4 " ^{[ 9 ]} . لذا، تم تغيير خط الأنابيب لمعالج POWER7 مرة أخرى، تمامًا كما حدث مع تصميمي POWER5 وPOWER6. يشبه هذا التعديل، من بعض النواحي، تحول شركة إنتل في عام 2005 الذي أدى إلى تخليها عن بنية P4 الدقيقة من الجيل السابع x86.

يتوفر معالج POWER7 بأربعة أو ستة أو ثمانية أنوية فعلية لكل شريحة، بتصميم يتراوح من 1 إلى 32 مسارًا، مع ما يصل إلى 1024 وحدة SMT، وبنية دقيقة وواجهات مختلفة قليلاً لدعم المواصفات الفرعية/الموسعة المتعلقة ببنية Power ISA و/أو بنى الأنظمة المختلفة. على سبيل المثال، في نظام الحوسبة الفائقة (HPC) Power 775، يُعبأ المعالج كوحدة رباعية الشرائح (QCM) ذات 32 مسارًا، تضم 256 نواة فعلية و1024 وحدة SMT. ^{[ 10 ]} كما يوجد وضع TurboCore خاص يُمكنه إيقاف نصف أنوية المعالج الثماني، مع إتاحة الوصول إلى جميع وحدات التحكم بالذاكرة وذاكرة التخزين المؤقت L3 بترددات ساعة أعلى. هذا يُحسّن أداء كل نواة، وهو أمر بالغ الأهمية لأحمال العمل التي تتطلب أسرع أداء تسلسلي على حساب انخفاض الأداء المتوازي. يُمكن لوضع TurboCore خفض تكاليف البرامج إلى النصف للتطبيقات المرخصة لكل نواة، مع زيادة أداء كل نواة من تلك البرامج. ^{[ 2 ]} تتميز خوادم IBM Power 780 الجديدة القابلة للتوسع وعالية الأداء بوضع TurboCore الجديد لتحسين أحمال العمل، مما يوفر أداءً يصل إلى ضعف أداء أنظمة POWER6 لكل نواة. ^{[ 2 ]}

كل نواة قادرة على تنفيذ تقنية التجميع السطحي رباعي الاتجاهات (SMT). يحتوي معالج POWER7 على ما يقارب 1.2 مليار ترانزستور، وتبلغ مساحته 567  مم² ^، وهو مصنّع بتقنية 45  نانومتر. من أبرز الاختلافات بينه وبين معالج POWER6 أن POWER7 ينفذ التعليمات بترتيب غير متسلسل بدلاً من الترتيب المتسلسل. على الرغم من انخفاض التردد الأقصى مقارنةً بـ POWER6 (4.25  جيجاهرتز مقابل 5.0  جيجاهرتز)، إلا أن أداء كل نواة أعلى من أداء POWER6، بينما يحتوي كل معالج على ما يصل إلى أربعة أضعاف عدد النوى.

يتمتع جهاز POWER7 بهذه المواصفات: ^{[ 11 ] [ 12 ]}

• عملية SOI ^بتقنية 45 نانومتر ، 567  مم²
• 1.2 مليار ترانزستور
•  سرعة الساعة 3.0–4.25 جيجاهرتز
• الحد الأقصى 4 رقائق لكل وحدة رباعية الرقائق
  • 4 أو 6 أو 8 أنوية C1 لكل شريحة
    • 4 خيوط SMT لكل نواة C1 (متوفرة في AIX 6.1 TL05 (الإصدارات في أبريل 2010) وما فوق)
    • 12 وحدة تنفيذ لكل نواة C1:
      • وحدتان ثابتتان النقطة
      • وحدتان للتحميل/التخزين
      • 4 وحدات فاصلة عائمة مزدوجة الدقة
      • وحدة متجه واحدة تدعم VSX
      • وحدة عشرية واحدة للفاصلة العائمة
      • وحدة فرعية واحدة
      • وحدة تسجيل الحالة 1
  • ذاكرة تخزين مؤقتة للتعليمات والبيانات من المستوى الأول 32+32 كيلوبايت (لكل نواة) ^{[ 13 ]}
  • ذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الثاني بسعة 256 كيلوبايت (لكل نواة C1)
  • ذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الثالث (L3) بسعة 4 ميجابايت لكل نواة C1، مع دعم سعة قصوى تصل إلى 32  ميجابايت. تُنفذ ذاكرة التخزين المؤقتة باستخدام تقنية eDRAM ، التي لا تتطلب عددًا كبيرًا من الترانزستورات لكل خلية مقارنةً بذاكرة SRAM القياسية ^{[ 5 ]،} مما يسمح بسعة تخزين مؤقتة أكبر مع استخدام نفس مساحة SRAM.

وتحدد المواصفات الفنية كذلك ما يلي: ^{[ 14 ]}

تُنفّذ كل نواة من معالجات POWER7 تنفيذًا متقدمًا للتعليمات خارج الترتيب (OoO) لتحقيق كفاءة عالية في استخدام مسارات التنفيذ المتاحة. يحتوي معالج POWER7 على وحدة تسلسل التعليمات القادرة على إرسال ما يصل إلى ست تعليمات في الدورة الواحدة إلى مجموعة من الطوابير. ويمكن إرسال ما يصل إلى ثماني تعليمات في الدورة الواحدة إلى وحدات تنفيذ التعليمات.

وهذا يعطي أرقام الأداء النظرية التالية للدقة المفردة (SP) (استنادًا إلى  تطبيق ثماني النواة بتردد 4.14 جيجاهرتز):

• أقصى قدرة معالجة تبلغ 99.36 جيجا فلوبس لكل نواة
• أقصى قدرة معالجة تبلغ 794.88 جيجا فلوبس لكل شريحة

تتيح أربع وحدات SIMD سعة 64 بت لكل نواة، ووحدة SIMD VMX سعة 128 بت لكل نواة، إجراء 12 عملية ضرب وجمع في الدورة الواحدة، مما يوفر 24 عملية حسابية للفاصلة العائمة لكل دورة. عند تردد 4.14  جيجاهرتز، ينتج عن ذلك 4.14 مليار × 24 = 99.36 جيجا فلوبس، وعند 8 أنوية، ينتج 794.88 جيجا فلوبس.

يبلغ أداء الدقة المزدوجة القصوى (DP) نصف أداء الدقة المفردة القصوى تقريبًا.

للمقارنة، تستطيع معالجات Intel Haswell لعام 2013 إجراء 16 عملية حسابية ثنائية الأبعاد (DP FLOPs) أو 32 عملية حسابية أحادية البعد (SP FLOPs) لكل دورة (8/16 عملية ضرب وجمع مدمجة ثنائية/أحادية البعد موزعة على وحدتي متجه AVX2 FP بحجم 256 بت ). ^{[ 15 ]} عند تردد 3.4  جيجاهرتز (i7-4770)، يُترجم هذا إلى 108.8 جيجا فلوبس أحادية البعد لكل نواة، و435.2 جيجا فلوبس أحادية البعد كذروة أداء للشريحة رباعية النوى، مما يُعطي مستويات أداء متقاربة لكل نواة، دون الأخذ في الاعتبار تأثيرات أو مزايا تقنية Turbo Boost من Intel .

ينطبق هذا المقارنة النظرية لأداء الذروة عمليًا أيضًا، حيث حصل كل من POWER7 و i7-4770 على درجات مماثلة في معايير SPEC CPU2006 للنقطة العائمة (أحادية الخيوط): 71.5 ^{[ 16 ]} لـ POWER7 مقابل 74.0 ^{[ 17 ]} لـ i7-4770.

لاحظ أن شريحة POWER7 تفوقت بشكل ملحوظ (بمقدار ضعفين إلى خمسة أضعاف) على شريحة i7 في بعض الاختبارات المعيارية (bwaves، cactusADM، lbm)، بينما كانت أبطأ منها بشكل ملحوظ (بمقدار ضعفين إلى ثلاثة أضعاف) في معظم الاختبارات الأخرى. وهذا يدل على وجود اختلافات جوهرية في بنية الشريحة/اللوحتين الأم/أنظمة الذاكرة، إلخ: فقد صُممت كل منهما مع مراعاة أحمال عمل مختلفة.

ومع ذلك، بشكل عام، وبمعنى واسع للغاية، يمكن القول أن أداء الفاصلة العائمة لـ POWER7 مشابه لأداء Haswell  i7.

كشفت شركة IBM عن معالج POWER7+ في مؤتمر Hot Chips 24 في أغسطس 2012. وهو إصدار مُحدّث يتميز بسرعات أعلى، وذاكرة تخزين مؤقت أكبر، ومُسرّعات مُدمجة. ويتم تصنيعه بتقنية 32  نانومتر. ^{[ 18 ]}

كانت خوادم IBM Power 770 و780 أولى الأجهزة التي تم شحنها مزودة بمعالجات POWER7+. تحتوي هذه الرقاقات على ذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الثالث تصل سعتها إلى 80 ميجابايت (10 ميجابايت لكل نواة)، وسرعات ساعة محسّنة (تصل إلى 4.4  جيجاهرتز)، و20 قسمًا منطقيًا لكل نواة. ^{[ 19 ]}

اعتبارًا من أكتوبر 2011 تشمل هذه المجموعة أنظمة IBM Power Systems القائمة على معالج POWER7، بما في ذلك طرازات "Express" (710، 720، 730، 740، و750)، وطرازات المؤسسات (770، 780، و795)، وطرازات الحوسبة عالية الأداء (755 و775). تتميز طرازات المؤسسات بامتلاكها خاصية "السعة عند الطلب". تُعرض المواصفات القصوى في الجدول أدناه.

كما تقدم شركة IBM خمسة مراكز BladeCenters تعتمد على معالج POWER7 . ^{[ 22 ]} المواصفات موضحة في الجدول أدناه.

فيما يلي مشاريع الحواسيب العملاقة التي تستخدم معالج POWER7:

• بيركس
• واتسون

• باور 6
• معالجات IBM Power الدقيقة

• أنظمة IBM POWER7 - صفحة منتج IBM POWER7
• تكنولوجيا وأنظمة IBM POWER7 - مجلة IBM للبحوث والتطوير (منشورة بواسطة IEEE Xplore)
• فازت شركة IBM بمشروع DARPA HPCS المرحلة الثالثة
• فازت شركة IBM بمشروع DARPA HPCS المرحلة الثانية
• لدى شركة IBM نظام PERC الخاص بها
• نتيجة POWER 780 SPECint_rate_base2006
• نظرة عامة ومقدمة فنية لـ IBM BladeCenter PS703 و PS704