パワーPC600

PowerPC 600ファミリーは、最初に製造されたPowerPC プロセッサファミリーです。このファミリーは、 AIM アライアンスの一環として、 IBMとMotorolaのエンジニアが共同で資金を提供し、スタッフを配置して、テキサス州オースティンの Somerset 施設で設計されました。Somerset は 1992 年に開設され、その目標は最初の PowerPC プロセッサを製造し、その後、パーソナル コンピュータ用の汎用 PowerPC プロセッサの設計を続けることでした。最初の世代は 1993 年に PowerPC 601 となり、その後すぐに第 2 世代として PowerPC 603、PowerPC 604、64 ビット PowerPC 620 が続きました。

PowerPC 601 は、基本的な32 ビット PowerPC 命令セットをサポートするマイクロプロセッサの第一世代でした。設計作業は 1991 年半ばに本格的に開始され、最初のプロトタイプ チップは 1992 年 10 月に利用可能になりました。最初の 601 プロセッサは、1993 年 10 月に IBM RS/6000 ワークステーション(より強力なマルチチップの兄弟であるIBM POWER2プロセッサ ラインと並行して) に、1994 年 3 月 14 日に最初の Apple Power Macintoshに導入されました。601 は、PowerPC を市場で確立し、AIM アライアンスを強固にするために、緊急スケジュールで設計された、POWER/PowerPC アーキテクチャの最初の高度なシングルチップ実装でした。大幅に新しい機能 (大幅なパフォーマンス強化、新しい命令、そして重要な POWER/PowerPC の最初の対称型マルチプロセッシング(SMP) 実装など) を組み込みながら、非常に積極的なスケジュールを達成するために、設計ではいくつかの主要なテクノロジとプロジェクト管理戦略を活用しました。 601チームはIBM RISCシングルチップ（RSC）プロセッサ^[1]の基本構造と部分の多くを活用しましたが、 POWER命令セットにはない新しいPowerPC命令の大部分のサポートも含めました。RSC設計のほぼすべての部分が変更され、完全に異なる統合I/O バス構造とSMP/メモリコヒーレンシサポートを考慮して、多くの設計ブロックが大幅に変更されるか、完全に再設計されました。新しいPowerPCの変更では、基本的なRSC構造を活用することで、チップ領域/フロアプランニングとタイミング分析/チューニングの不確実性を減らすのに非常に役立ちました。注目すべきは、601がSMPなどの重要な新しい主要機能を実装しただけでなく、POWERと将来のPowerPCプロセッサ間の橋渡しとして機能し、IBMとソフトウェア開発者のPowerPCへの移行を支援したことです。設計開始から最初の601プロトタイプのテープアウトまでは、PowerPCを早期に市場に投入するために懸命に努力するため、わずか12か月でした。

アライアンスとその顧客の利益のために、 88110バス アーキテクチャを 601 に迅速に組み込む取り組みを支援するため、モトローラの経営陣は 88110 バス アーキテクチャ仕様だけでなく、60x バス ロジックの実装と検証を支援する 88110 バスに精通した設計者も数名派遣しました。Apple のシステム設計チームはモトローラの 88110 の I/O バス構造に精通しており、この I/O バスの実装は明確に定義され、文書化されていたため、601 チームはこのバス技術を採用して市場投入までの時間を短縮しました。このバスは601 に実装されると、60x バスに改名されました。 ^[2]これらのモトローラ (および少数の Apple) の設計者は、120 名を超える IBM の設計者とともに 601 の開発に携わりました。

88110 バスを 60x バスのベースとして使用したことで、スケジュールがさまざまな点で楽になりました。サポートASICの再設計量を削減することで Apple Power Macintosh チームに役立ち、プロセッサ設計者とアーキテクトが新しいバス インターフェイスを提案、文書化、交渉、締結するのに必要な時間も短縮されました (88110 バスまたは以前の RSC バスが採用されていなかった場合に 601 管理チームが予想していた「バス戦争」をうまく回避できました)。注目すべきは、Apple の努力とアライアンスのために 88110 バスを採用したことで、RSC のまったく異なるバス構造に基づいてサポート ASIC をすでに実装していた最初の IBM RS/6000 システム設計チームの努力が犠牲になったことです。

この 60x バスは、後に 601、603、604、G3、G4、およびMotorola/Freescale PowerQUICCプロセッサのさまざまなバリエーションの基本インターフェイスとして、かなり長く使用されました。

このチップは、さまざまなアプリケーションに適合するように設計されており、外部L2 キャッシュと対称型マルチプロセッシングをサポートしています。浮動小数点ユニット、整数ユニット、分岐ユニット、シーケンサー ユニットの 4 つの機能ユニットがあります。プロセッサにはメモリ管理ユニットも含まれています。整数パイプラインは 4 ステージ、分岐パイプラインは 2 ステージ、メモリ パイプラインは 5 ステージ、浮動小数点パイプラインは 6 ステージです。

1993年秋にIBMシステムで初めて発表され、IBMからはPPC601、モトローラからはMPC601として販売された。動作速度は50～80MHzで、 4層のアルミニウム相互接続を備えた0.6μm CMOSプロセスで製造された。ダイのサイズは121mm ²で、280万個のトランジスタを内蔵していた。601には32KBの統合L1キャッシュがあり、これは当時のオンチップキャッシュとしては大容量と考えられていた。大容量キャッシュのおかげもあり、競合するIntel Pentiumよりも性能が高く、同分野では高性能プロセッサとみなされていた。PowerPC 601は、 Apple社の最初のPower Macintoshコンピュータや、IBMおよびGroupe Bull社のさまざまなRS/6000ワークステーションおよびSMPサーバーで使用された。

IBM は、バーモント州バーリントンとニューヨーク州イーストフィッシュキルの製造施設で 601 および 601+ マイクロプロセッサを製造した唯一の企業でした。601 は IBM CMOS-4s プロセスを使用し、601+ は IBM CMOS-5x プロセスを使用しました。これらの 601 および 601+ プロセッサのごく少数が Motorola のロゴと部品番号で再ラベル付けされ、Motorola を通じて配布されました。これらの事実は、「Motorola MPC601」の写真が多数あること、特に Motorola の見事なマーケティングの 1 つとして、601 がMotorola のマークを付けてTime Magazineの1994 年の「年間最優秀製品」の 1 つに選ばれたことを考えると、ややわかりにくいものです。

• PowerPC 601 マイクロプロセッサ、Keith Diefendorff による講義

1994年に発表された更新版のPowerPC 601vまたはPowerPC 601+は、90～120MHzで動作します。これは、4層の相互接続を備えた新しい0.5μm CMOSプロセスで製造され、ダイのサイズは74mm ²になりました。601+の設計は、IBMのみのチームによってCMOS-4sからCMOS-5xに再マップされました。設計ツールの変更や製造の基本ルールの共通化による市場投入までの遅延を回避するために、601と601+は両方ともIBMシステム上でIBM EDAツールを使用して設計され、IBMのみの施設で製造されました。^{[3] [4] [5] [6]}

PowerPC 603 は、仕様どおりに完全な 32 ビットPowerPC アーキテクチャを実装した最初のプロセッサでした。1994 年に発表されたこのプロセッサは、デュアル発行 (分岐フォールディングにより最大 3 つ) とアウトオブオーダー実行を 2.2 W の低消費電力と 85 mm ²の小型ダイと組み合わせた最初のマイクロプロセッサの 1 つであり、当時としては先進的な設計でした。^{[7] [8] [9] [10]}このプロセッサは、ポータブル アプリケーション向けの低コストで低消費電力のプロセッサとして設計されました。主な機能の 1 つは、電力要件を大幅に削減できる省電力機能 (Doze、Nap、スリープ モード) で、スリープ モードではわずか 2 mW しか消費しません。603 には、4 ステージのパイプラインと、整数ユニット、浮動小数点ユニット、分岐予測ユニット、ロード/ストア ユニット、システム レジストリ ユニットの 5 つの実行ユニットがあります。命令とデータ用に独立した8KBのL1キャッシュと32/64ビットの60倍速メモリバスを備え、3.8Vで最大120MHzに達する。^{[10] 603コアには}SMPのハードウェアサポートがなかった。

PowerPC 603 は 160 万個のトランジスタを搭載し、IBM と Motorola によって 0.5 μm CMOS プロセスで製造され、4 レベルの相互接続が行われました。ダイは 85 mm ^{2 の}大きさで、80 MHz で 2.2 W を消費しました。^{[10] [11] 603 アーキテクチャは、Apple が PowerPC "G3" として販売した}PowerPC 750アーキテクチャの直接の祖先です。

603はポータブルなApple Macintoshコンピュータでの使用を意図していたが、プロセッサのキャッシュが小さかったため、Appleが適切と考えるパフォーマンスで68Kエミュレーションソフトウェアを実行できなかった。その結果、Appleは603を低価格のデスクトップPerformaラインでのみ使用することにした。 ^{[12] [13]}これにより、Appleはプロセッサの改訂を待つことを選択したため、Apple PowerBook 5300とPowerBook Duo 2300の発売が遅れた。AppleがPerforma 5200ラインで603を使用したことで、プロセッサの評判が悪くなった。68Kエミュレーションのパフォーマンスの問題とは別に、Performaマシンは、ネットワークのパフォーマンスと安定性、バスの問題（幅、速度、競合、複雑さ）、ROMのバグ、ハードディスクのパフォーマンスなど、コンピュータの設計の他の側面に関連するさまざまな設計上の欠陥を抱えたまま出荷された。^{[14] [15]} 68Kエミュレーション性能を除けば、5200シリーズの問題はどれも603に本来起因するものではなかった。むしろ、プロセッサは68Kマザーボードやその他の旧式部品で使用できるように改造された。^[16] Low End Macというサイトは、Performa 5200を史上最悪のMacと評価している。^[17] 603はさまざまな組み込み機器で広く使用された。^[要出典]

603 のパフォーマンスの問題は、PowerPC 603eで解決されました。L1 キャッシュは 16 KB の 4 ウェイ セットアソシエイティブ データ キャッシュと命令キャッシュに拡大され、強化されました。プロセッサのクロック速度も 200 MHz に倍増しました。製造プロセスを 350 nm に縮小することで、最大 300 MHz の速度が可能になりました。この部品はPowerPC 603evと呼ばれることもあります。603e と 603ev はそれぞれ 260 万個のトランジスタを持ち、大きさはそれぞれ 98 mm ²と 78 mm ²です。603ev は 300 MHz で最大 6 W を消費します。^{[18] [19]}

PowerPC 603e は、Power Macintosh 6500で使用された、300 MHz に到達した最初の主流のデスクトップ プロセッサでした。603eは、CPU 速度が 160 MHz から 240 MHz のAmigaシリーズのコンピュータ用のPhase5のアクセラレータ カードにも使用されました。PowerPC 603e は現在でも IBM や Freescale によって販売されており、 AtmelやHoneywellなどの他社も、耐放射線型RHPPCを製造しています。PowerPC 603e は、 Be Inc.のBeBoxの心臓部でもありました。BeBoxは、603 が設計されていたマルチプロセッシングシステムではないため注目に値します。IBMは、IBM ThinkPad 800 シリーズでもPowerPC 603e プロセッサを使用しました。 ^{[20] [21] 603eプロセッサは、}イリジウム衛星電話艦隊の66機すべての衛星にも搭載されています。各衛星には、約200MHzで動作する7個のモトローラ/フリースケールPowerPC 603eプロセッサが搭載されています。カスタム603eプロセッサは、Mark 54 Lightweight Torpedoにも使用されています。

FreescaleによってG2と改名された PowerPC 603e コアは、多くの組み込みPowerQUICC IIプロセッサの基盤となっており、現在も開発が続けられています。Freescale の PowerQUICC II SoCプロセッサは MPC82xx という名称で販売されており、450 MHz に達するさまざまな構成が用意されています。G2 という名前は、G3、G4、G5 と並ぶ 603e および 604 プロセッサのレトロニムとしても使用されています。

Freescale は、 PowerQUICC II Pro組み込みプロセッサの603e コアをe300と呼んで強化しました。より大きな 32/32 KB L1 キャッシュとその他のパフォーマンス強化策が追加されました。Freescale の PowerQUICC II Pro SoCプロセッサは MPC83xx という名称で提供され、最大 667 MHz の速度に達するさまざまな構成で提供されます。e300 は、小型のEFIKAコンピュータで使用されるMPC5200B SoC プロセッサのコアでもあります。

PowerPC 604は 1994 年 12 月に 603 と同時に発表され、ワー​​クステーションやエントリーレベルのサーバー向けの高性能チップとして設計され、ハードウェアでの対称型マルチプロセッシングをサポートしていました。604 はAppleのハイエンド システムで広く使用され、Macintosh クローン、IBM のローエンドRS/6000サーバーおよびワークステーション、Amigaアクセラレータ ボード、および通信アプリケーション用の組み込み CPU としても使用されました。

604 は、4 つの命令を同時に発行できるスーパースカラープロセッサです。604 には、6 ステージのパイプラインと、並列に動作して 1 サイクルあたり最大 6 つの命令を完了できる 6 つの実行ユニットがあります。2 つの単純整数ユニットと 1 つの複素整数ユニット、1 つの浮動小数点ユニット、アウトオブオーダー実行を管理する 1 つの分岐処理ユニット、および 1 つのロード/ストア ユニットがあります。16 KB のデータと命令の L1 キャッシュが別々にあります。外部インターフェイスは、最大 50 MHz のクロック レートで動作する 32 ビットまたは 64 ビットの 60x バスです。

PowerPC 604には360万個のトランジスタが搭載されており、IBMとモトローラによって0.5μm CMOSプロセスで製造され、4層の相互接続が行われた。ダイのサイズは12.4mm×15.8mm（196mm2 ^）で、133MHzで14～17Wを消費した。動作速度は100～180MHzであった。^{[22] [23] [24]}

• Power PC 604 RISC マイクロプロセッサ、マービン・デンマンによる講義

PowerPC 604eは 1996 年 7 月に発表され、メモリ サブシステムと分岐予測ユニットに条件レジスタ ユニットと独立した 32 KB のデータおよび命令 L1 キャッシュが追加され、前身に比べて 25% のパフォーマンス向上が実現しました。510 万個のトランジスタを搭載し、IBM と Motorola によって 0.35 μm CMOS プロセスで製造され、5 レベルの相互接続が採用されました。ダイは 148 mm ²または 96 mm ²の大きさで、それぞれ Motorola と IBM によって製造され、233 MHz で 16～18 W を消費しました。動作速度は 166 MHz から 233 MHz で、最大 66 MHz のメモリ バスをサポートしました。^{[25] [26]}

PowerPC 604ev、604r 、または「Mach 5」は、1997 年 8 月に発表されました。基本的には、IBM と Motorola が新しいプロセスで製造した 604e であり、より高速でより低いエネルギー消費を実現しています。ダイは 47 mm ²と小さく、5 レベルの相互接続を備えた 0.25 μm CMOS プロセスで製造され、250 MHz で 6 W を消費しました。250 MHz から 400 MHz の速度で動作し、最大 100 MHz のメモリ バスをサポートしました。

Apple は 1998 年に 604ev を廃止してPowerPC 750に切り替えましたが、IBM はRS/6000コンピューターのエントリーレベル モデルでこれを数年間使い続けました。

PowerPC 620 は、 64 ビットPowerPC アーキテクチャ全体を初めて実装したものです。603 および 604 と並んで第 2 世代の PowerPC でしたが、ハイエンドのワークステーションおよびサーバー市場向けに設計されていました。理論上は強力で、当初は他のプロセッサと同時に発売される予定でしたが、1997 年にまで延期されました。実際に発売されたときには、パフォーマンスは比較的低く、かなり安価な 604e がそれを上回りました。^[27]そのため、620 は大量生産されることはなく、ほとんど使用されませんでした。PowerPC 620 の唯一のユーザーは、Groupe BullのEscala UNIXマシンでしたが、大量出荷はされませんでした。ワークステーションとサーバーでの使用を意図していた IBM は、代わりにさらに強力なRS64およびPOWER3 64 ビット プロセッサを待つことにしました。

620 は、モトローラ社が 0.5 μm プロセスで製造した。690 万個のトランジスタを搭載し、ダイ面積は 311 mm ²であった。クロック レートは 120 ～ 150 MHz で動作し、133 MHz で 30 W を消費した。後継モデルは 0.35 μm プロセスで製造され、200 MHz まで動作可能となった。^{[詳細な説明が必要]}

620 は 604 に似ていました。5 段パイプライン、対称型マルチプロセッシングのサポート、実行ユニット数 (ロード/ストア ユニット、分岐ユニット、FPU、整数ユニット 3 つ) は同じです。32 KB のより大きな命令キャッシュとデータ キャッシュ、128  MBの容量を持つ可能性のある L2 キャッシュのサポート、バッファー数が多いより強力な分岐およびロード/ストア ユニットにより、620 は非常に強力でした。分岐履歴テーブルも大きくなり、より多くの命令をディスパッチできるため、プロセッサは 604 よりも効率的にアウトオブオーダー実行を処理できます。浮動小数点ユニットも 604 に比べて強化されました。フェッチ サイクルが高速化し、ハードウェアでいくつかの主要な命令 (sqrt など) がサポートされ、より高速で幅の広いデータ バスと相まって、604 の FPU よりも効率的になりました。^{[詳細な説明が必要]}

システムバスは、6XXバスと呼ばれる、より広く高速な128ビットのメモリバスでした。これは、プロセッサ、キャッシュ、メモリ、およびI/Oがシステム制御チップの支援を受けて接続されるマルチプロセッサシステム用のシステムバスとして設計されました。32ビットと64ビットの両方のPowerPCプロセッサ、32ビットを超えるメモリアドレス、およびNUMA環境をサポートしています。また、POWER3、RS64、601、および604ベースのRS/6000システム（ブリッジチップを使用）でも使用されました。^{[28]このバスは後に}POWER4のGXバスに進化し、さらにPOWER5とPOWER6ではそれぞれGX+とGX++になりました。GXバスは、IBMのz10およびz196 System zメインフレームでも使用されています。

• Bull における Unix の歴史への貢献 (Bull での PowerPC 620 の使用に関する興味深い読み物。フランス語)

PowerPC 602 は、モトローラと IBM がゲーム機向けに特別に製造した PowerPC 603 の簡易版で、1995 年 2 月に発表されました。^[29]より小型の L1 キャッシュ (4 KB 命令、4 KB データ)、単精度浮動小数点ユニット^[29]、縮小された分岐予測ユニットを備えています。50 MHz から 80 MHz の速度で提供され、66 MHz で 1.2 W を消費しました。100 万個のトランジスタで構成され、4 レベルの相互接続を備えた 0.5 μm CMOS プロセスで製造され、50 mm ^{2 の}大きさでした。^[30]

3DOは2基のPowerPC 602を搭載したM2ゲームコンソールを開発したが^{[29] [31]}、市場には出回らなかった。

• CPUShackの記事

1996 年 10 月 21 日、ファブレス半導体企業である Quantum Effect Devices (QED) は、Microprocessor ForumでPowerPC 603 互換プロセッサ「PowerPC 603q 」を発表しました。名前にもかかわらず、他の 603 との共通点はありませんでした。これは、2 年かけて開発された、ハイエンドの組み込み市場を対象とした 32 ビット PowerPC アーキテクチャのゼロからの実装でした。そのため、小型でシンプル、エネルギー効率に優れながらも強力で、より高価な 603e と同等でありながら、消費電力は少ないものでした。このプロセッサには、1 つの整数ユニット、倍精度浮動小数点ユニット (FPU)、および独立した 16 KB 命令キャッシュと 8 KB データ キャッシュを備えた、インオーダーの 5 ステージ パイプラインがありました。整数ユニットはまったく新しい設計でしたが、FPU は時間を節約するためにR4600から派生したものです。 0.5μmの製造プロセスを使用して^69mm2の小型サイズを実現し、120MHzでわずか1.2Wの消費電力を実現しました。^{[32] [33]}

603q は Motorola 向けに設計されましたが、603q が本格的に生産される前に Motorola は契約を撤回しました。その結果、QED は独自の PowerPC ライセンスを持っていないため、プロセッサの販売を継続できず、603q はキャンセルされました。

「PowerPC 613」は、モトローラが第3世代のPowerPCに付けた名前のようです。^{[34] [35] [36]これは、604を大幅に上回る性能を持つように設計された}Exponential Technologyのx704プロセッサに応えて、 「 PowerPC 750 」に改名されたと言われています。ただし、これを裏付ける情報源はほとんどなく、単なる憶測か、まったく別のプロセッサへの言及である可能性があります。

PowerPC 613と同様に、「PowerPC 614」はモトローラが第3世代PowerPCに付けた名前である可能性があり、^{[34] [36]後に613と同じ理由で改名されました。この部品は「} PowerPC 7400 」に改名されたと示唆されており、モトローラは「G3」と「G4」のアーキテクチャの違いが小さいにもかかわらず、これを第4世代PowerPCにまで引き上げました。ただし、これを裏付ける情報源はほとんどなく、単なる憶測か、まったく異なるプロセッサへの言及である可能性があります。

「PowerPC 615」は、IBMが1994年に発表したPowerPCプロセッサだが、量産には至らなかった。その主な特徴は、ダイ上にx86コアを組み込んだことで、プロセッサはPowerPCとx86命令の両方をネイティブに処理できるようになった。^[37] PowerPC 615で動作するオペレーティングシステムは、32ビットまたは64ビットのPowerPC命令、32ビットのx86命令、または3つを混合して実行することを選択できる。命令を混合すると、CPUでコンテキストスイッチが発生し、わずかなオーバーヘッドが発生する。615をサポートしていたオペレーティングシステムは、MinixとOS/2の特別開発バージョンのみだった。^[38]

これは 330 mm ^{2 の大きさで、} IBMが 0.35 μm プロセスで製造した。IntelのPentiumプロセッサとピン互換で、速度も同等であった。このプロセッサはプロトタイプとしてのみ導入され、 Microsoft がこのプロセッサをサポートしなかったこともあって、このプログラムは中止された。PowerPC 615 に取り組んでいたエンジニアは、後にTransmetaに移り、そこでCrusoeプロセッサの開発に携わった。Digital のFX!32テクノロジなどの動的変換ソフトウェアの開発が進歩したことが実証されたため、ハードウェア リソースを外部バイナリの実行専用にすることに対して懐疑的な意見が表明されたが、そのようなリソースはネイティブ パフォーマンスの向上に使用できるため、変換されたバイナリのパフォーマンスにもメリットがあった。^{[39] :  94}

「PowerPC 625」は、IBM が「Amazon」PowerPC-AS 命令セットに基づいて設計した Apache シリーズの 64 ビット PowerPC プロセッサの初期の名前です。後に「RS64」に名前が変更されました。「PowerPC 625」という名称は、最終的なプロセッサには使用されませんでした。

「PowerPC 630」は、 POWERとPowerPC の命令セットを統合するために IBM が設計したハイエンドの 64 ビット PowerPC プロセッサの初期の名前です。後に「 POWER3 」に改名されましたが、これはおそらくAppleが使用した、より消費者向けの「PowerPC」プロセッサと区別するためでしょう。

「PowerPC 641」、コード名Habaneroは、1994年から1996年にかけてIBMが行っていた廃止されたPowerPCプロジェクトである。604プロセッサをベースにした第3世代のPowerPCだったとされている。^{[40] [41]}

• パワーPC970
• IBM POWER 命令セットアーキテクチャ
• IBM Power マイクロプロセッサ
• パワーISA
• CPU タイプ別にグループ化された Macintosh モデルのリスト

• ワイス、シュロモ、スミス、ジェームズ・エドワード (1994)。POWERと PowerPC。モーガン・カウフマン。ISBN 1558602798。— 関連部分: 第 8 章 (PowerPC 601 の説明)、および第 11 章 (PowerPC 601 と Alpha 21064 の比較)