cell处理器的研制背景

早在2001年，索尼就对外透露将与IBM合作，由IBM来设计PS3游戏主机的处理器，这枚处理器被命名为“Cell”，也就是中文“细胞”的意思。双方宣称，Cell的运算能力将达到史无前例的1TeraFLOPS（Floating Operations per Second），也就是每秒执行万亿次浮点运算，这样的性能绝对可达到超级计算机的标准。在当时，世界上最快的计算机是NEC的“地球模拟器”，它的运算能力为每秒36万亿浮点运算，换句话说，36部PS3游戏机的运算力总和就达到同样的水平。再者，Cell可支持一项特殊的分布式运算技术，多台PS3连接在一起可以分享运算力，由此获得更高的效能。在当时，这样的设计理念让人目瞪口呆，外界的第一反应就是，索尼不过是在吊玩家的胃口，而IBM则是在吹牛。

在这之后，PS3和Cell很快被人淡忘，直到2004年，索尼与IBM再度公布了一些关于PS3和Cell的消息，据称Cell已经完成设计，处于样品测试阶段，工作频率达到2GHz，很好地实现了预期设计目标，但这仍只是一条纸面上的简单报告，双方都没有展出任何相关样品供参考。此时，外界的眼球早已被Intel、AMD之间激烈的竞争吸引，专属于游戏机的Cell处理器自然不可能获得业界的广泛注意。2005年2月，IBM在“国际固态电路会议（IEEE International Solid-State Circuits Conference，简称为ISSCC）”上发表了数篇关于Cell的技术论文，披露Cell处理器的详细规格参数并展出相关样品，IBM还宣布 Cell已进入到大规模量产阶段，将在未来几个月内提交给索尼。就这样，一款媲美超级计算机的革命性微处理器由此到来。在下面的文字中，我们将对Cell 处理器进行深入详尽的技术分析，倘若读者有耐心读完本文，也许会发现今天我们津津乐道的X86处理器在思想上落后了数个时代。

在介绍Cell的逻辑架构之前，我们先来看看Cell的物理规格：Cell集成了2亿3400万个晶体管，它采用IBM的90纳米SOI、Low -K工艺制造，核心面积为221平方毫米，芯片规模与Intel的双核Pentium D相当，两者的制造成本处于同一条水平线上。在逻辑上，Cell处理器基于一个“Power处理单元（Power Processor Element，下面简称为PPE，由PowerPC970简化而来）”，它可以支持SMT虚拟多线程技术，同步执行两个不相干的线程。此外，Cell内部还拥有八个基于SIMD的协处理器（Synergistic Processor Element，以下简称SPE），可支持多达十条线程的同步运行。另外，Cell还整合了 XDR内存控制器，可配合25.6GBps带宽的内存系统，而它的前端总线也采用96位、6.4GHz频率的FlexIO并行总线（原名称为 “Redwood”，RAMBUS公司所开发），这也是有史以来速度最快的计算机总线。所有的这一切都让人觉得非常不可思议，如果我们将Cell同X86 处理器对比，便会发现二者在设计上没有半点相似，Cell不同寻常的另类设计也引起外界的普遍疑虑：它的工作频率能到什么水平？实际性能又比最新的X86 处理器快多少？Cell能够达到预期设计目标么？

如果你心里也有类似疑问，我们的建议是将你之前所了解的X86处理器知识全部清空，然后重新来认识Cell。我们知道，目前X86处理器的频率最高纪录是3.8GHz，由Intel波塞冬核心的Pentium 4 E所创下，本来Intel计划让它的频率突破4GHz，但受到高功耗和稳定性方面的困扰，不得不宣告失败，要更进一步提升频率也被业界认为难以实现。然而，Cell的工作频率轻易突破了4GHz，并将达到4.6GHz的新高，这显然超出X86业界所能理解的范围。更不合常理的是，X86处理器的高频率必须以牺牲指令效能为代价，高频未必就能带来高效能（Pentium 4系列的高频低能人所***知），而Cell的实际运算性能竟达256Gigaflops，也就是每秒可执行2560亿次浮点运算，IBM最初的设计是将四枚处理器整合一体，这样就可获得每秒万亿次浮点运算的超高性能。如果你对此没有感性的认识，我们不妨举些例子作为对比：Pentium 4 E 3.8GHz的SIMD效能为15Gigaflops，这也是X86处理器目前能达到的最高水平，但这个性能只有Cell的十七分之一，两者完全不具可比性，尽管它们的物理参数和制造成本处于同一水平线。IBM十分自豪地将Cell称为“单芯片超级计算机”，这也很好实现了预期设计目标。

Cell所具有的高效能无疑得益于高度优化的Power架构。Power是IBM为超级计算机所创立的RISC指令系统，而RISC架构具有与生俱来的高效性，处理器结构精简，技术上明显优于X86。正因为这一点，几乎所有的超级计算机系统都隶属于RISC体系，而我们所津津乐道的X86，实际上仅仅局限在PC环境，只是因为PC与人们工作生活联系紧密，故广为人知（关于RISC与CISC的对比，本刊上期《未来处理器设计思想前瞻》的文章中有非常详尽的阐述，有兴趣的读者可自行参考，这里就不再赘述）。不过，RISC架构显然不是Cell拥有超高性能的唯一原因。如果我们将PowerPC 970处理器（苹果称之为“PowerPC G5”）与Cell对比，大家还是可以发现两者的性能差距极其悬殊：PowerPC 970的晶体管数为5800万个，4枚PowerPC 970的晶体管数总和与一枚Cell相当，但配备双PowerPC 970处理器的Xserve G5仅能提供9.0 Gigaflops的运算力，远无法与Cell相比，尽管它们在设计架构上同属于Power体系。实际上，Cell的高效能很大程度上来自于其新颖的设计思想：主处理器与协处理器各司其职，内核设计精简高效以实现高频运作，而运算单元则采用128位并行结构，大家可以从下面的分析中逐渐了解到这一点。

高度弹性的设计与分布式计算是Cell除高性能之外的两大亮点。IBM希望Cell可适用于从嵌入式设备到大型计算机等几乎所有计算设备中，所以将Cell设计为一个通用的处理器平台。根据不同的需求，Cell可以对处理内核的数量进行任意裁减，如针对嵌入式设备的产品只有单个核心，且工作在较低的频率上以实现较低的能耗；针对便携电脑和桌面PC的版本，可使用与PS3游戏机一样的标准Cell，或者对SPE数量进行适当裁减；如果要用于工作站/服务器系统，IBM可以将两枚Cell处理器直接集成在一起以获得更高的效能；若要用于大型计算机，Cell则可配置成包含四枚独立处理器的“MCM模块”，此时它具有每秒万亿次浮点的运算能力，这也是IBM当初承诺的标准。而支持分布式计算技术更具革命意义，Cell拥有一条超高速度的FlexIO芯片连接总线，基于Cell的不同计算设备可以借此联成一体，实现运算力与内存资源的分享。网络上的设备越多，所拥有的运算力就越强大。此时，Cell处理器就好比是该计算网络上最基本的构成细胞，而这项机能将带来一场天翻地覆的计算革命。想想看，任何人都可以在家庭中轻而易举制造出属于自己的超级计算机，这无疑意味着计算力的真正解放。

支持多操作系统运作是当前X86处理器的热门技术，其实IBM在几年之前就将该技术应用于Power架构处理器中，Cell理所当然继承了这项特性。另外，Cell具备强大的自主纠错能力—IBM实验室的科学家们一直致力于研究真正可靠的计算，他们希望计算机能够具备故障自动恢复功能，实现真正的 “永不宕机”运作，而这项成果现在也被用于Cell身上。在运行过程中，Cell可自动检测所处理的数据是否遭到破坏，如果数据出错，Cell会借助某种机制将它自动恢复为正常的状态，从而避免产生错误的结果或令系统停机。在下面的文字中，我们将向大家详细分析Cell的设计细节以及应用模式，从中你可以对Cell有更深地了解。

前面我们介绍过，Cell处理器包括一个PPE处理单元、八个SPE协处理器、一个XDR内存控制器以及FlexIO接口，而Cell拥有高性能的关键便在于PPE与SPE的设计。

PPE/SPE：针对“简单任务”而设计。PPE处理单元是Cell的控制与运算中枢，它应该是以IBM的Power 4处理器为基础进行设计的，可支持同步多线程技术。该处理单元内置了32KB一级缓存和512KB二级缓存，其规格与同出一脉的PowerPC 970处理器极其类似。而在Cell中，真正负责浮点运算的应该是八个SPE协处理器。图5所示是SPE的逻辑结构，SPE由4个负责浮点运算的处理单元、4个负责整数运算的处理单元、128bit×128结构的寄存器和256KB局部缓存构成，它实际上就是一个完整的运算核心。根据IBM所公布的资料，我们获悉SPE的流水线长度为18级，这一点与X86处理器也非常不同—流水线越长，处理器提升工作频率就越容易，反之就越困难。20级流水线的 Northwood Pentium 4止步于3.2GHz，31级流水线的Prescott核心也不过到达3.8GHz，而Cell以18级的短流水线却实现4GHz以上的高频运作。设计者对此作出详细的解释：X86处理器必须完成大而全的运算功能，运算逻辑往往被设计得非常复杂，这也导致其频率提升非常困难；而Cell在基础架构上执行简单化的计算思想，每一个复杂的任务都可以被分解为多个简单的基础任务，Cell中的SPE就专门针对这些基础任务所设计，这样，它就可以在保持高效的同时拥有简单得多的逻辑结构，既然逻辑构成简单，实现高频率运作就没有什么悬念。从这里也可看出，Cell与X86处理器最大的不同，还是在于它们对计算任务的不同理解。

尽管总线及寄存器都是128位结构，但SPE内的浮点单元和整数单元其实都只有32位，只是IBM通过4路并行运算来获得128bit SIMD的效果，从外部看来，SPE便相当于一个可执行128bit指令的处理单元。SPE内的浮点单元和整数单元各自拥有三条128bit宽度的输入总线和一条128bit宽度的输出总线，二者以全双工模式运作，数据输入/输出操作可同步进行。大家应该也发现这是一套不对等的方案，输入总线的带宽三倍于输出总线，原因在于计算所需的数据总量总是比运算的输出结果要多得多，总线宽度不同在设计上其实非常科学。而借助这两条总线，SPE协处理器的整数/浮点运算单元再与一组包含128个、宽度为128bit的寄存器阵列联结在一起，该寄存器阵列又通过一对全双工运作的、128bit总线同本地缓存（Local Store）相连—每个SPE协处理器都拥有256KB本地缓存，8个SPE就一***拥有2MB缓存，再加上PPE处理单元的512KB二级缓存，Cell 处理器总***拥有超过2.5MB容量的缓存单元，对于一款拥有超级计算效能的处理器来说，如此低的指标同样令人感到诧异。

分析完PPE与SPE协处理器的内部设计，我们再来看看它们是以何种方式组成Cell的。参见前面的图4，我们可以看到Cell内部有一条 768bit位宽的“EIB单元互联总线环（Element Interconnect BUS Ring，EIB Ring）”，它实际上是一个强大的内部总线控制逻辑—Cell内所有的功能单元都通过EIB总线环连接在一起，包括PPE、八个SPE、XDR内存控制器以及外部总线接口，它们所采用的无一例外都是全双工的128bit连接总线。若Cell工作在4GHz频率上，Cell内部的各个功能单元便都拥有 4GHz×128bit/Hz×2（全双工）÷8Byte/bit=128GBps带宽，这样的数字显然是非常可观的。

我们很容易能根据这些参数计算出Cell拥有的运算效能：每个SPE协处理器拥有4路并行的整数/浮点单元，一个时钟周期可执行两个运算周期（类似DDR效果、技术细节未明），每个运算周期又可执行4次32位浮点运算；每个Cell拥有8枚SPE协处理器，它的工作频率假设在4GHz，此时 Cell所具有的浮点效能就是2×4×8×4GHz=256Gigaflops，这应该很好理解。

与常规的双核处理器不同的是，Cell内的1个PPE和8个SPE具有相当强的独立性。其中，PPE处理单元的任务是运行操作系统，这个任务对于一个结构类似 PowerPC 970、频率高达4GHz且可支持双线程运作的处理核心来说简直不费吹灰之力。但除了操作系统外，PPE不管任何的事情，应用程序相关的线程运算完全由 SPE协处理器运行。如图6所示，我们可以看到多个应用程序的线程会被平均散布到各个SPE中，整套系统负载均衡、设计得非常科学。而这种纵向结构的多核心设计同X86业界鼓吹的双核处理器截然不同，不论是Pentium D、Yonha还是AMD的双核心Athlon 64，它们的每个处理内核地位对等、每个核心都可以独立完成全部运算，所体现的是一种大而全的计算思想。由于芯片设计越来越复杂，它的工作频率就不得不走了下坡路，Intel当年执著于高频制胜的策略，结果落后于对手，业界普遍认为追求高频率的做法没有前途。而Cell处理器开辟出前所未有的新思路：每个处理内核专注于自己的任务，彼此相互依赖、相互协作，针对任务的简单化也使得每个内核都可以被设计得精简高效，工作频率也轻易达到X86处理器无法企及的高度，最终实现了媲美超级计算机的惊人性能。而在相互协作的同时，Cell内的各个SPE协处理器又保持着高度独立性，除了完成本机的计算任务外，SPE 还可以接受来自Cell计算网络中其他设备的计算请求，并执行相关的计算任务，所得结果再通过网络传输给任务发起者。换句话说，SPE协处理器可以在基于 Cell的计算网络中作平台无关的无缝漫游，网络上的任务可以被均匀分散到所有的Cell处理器上，并以最佳方式在最短的时间内完成。

在看完上述分析之后，你一定会以为Cell将是一个功耗大户，在看到详细资料之前，笔者也是抱这种态度。IBM所公布的资料再度让人大吃一惊，当工作频率为4GHz时，每个SPE协处理器的工作电压高于1.1V，但其功耗仅仅只有4瓦。若频率降到3GHz，工作电压只需要0.9V，此时其功耗只有 2瓦。如果将频率降低到2GHz，每个SPE的功耗仅有区区1瓦。那么，Cell内所有SPE协处理器的功耗总和最高也不过4瓦×8=32瓦。至于PPE 处理单元的核心部分，功耗水平也会控制在很低的水平，合乎逻辑的估计是Cell运算部分的功耗水平会在40瓦左右，即便加上缓存单元整体功耗也可控制在较好的水平上。回过头再来看看功耗将高达130瓦、性能不到Cell十分之一的Pentium D，大家会有什么感受？

考虑到实际应用，Cell的低功耗并不令人吃惊。Cell本来就是为PS3游戏机所设计，而游戏机体积狭小，对芯片的功耗指标颇为敏感，指标过高将给散热带来难题且会产生较高的噪音，这是玩家们绝对无法承受的。在2006年，IBM将采用更先进的65纳米技术来制造Cell，届时它将具有更加出色的功耗水平，而低功耗也为Cell的广泛应用奠定了良好的基础，将它用于嵌入式设备、笔记本电脑、桌面PC还是工作站系统中都没有任何问题，IBM今后所需要关心的，应该是操作系统和应用软件方面的资源配合。

*注释：由于SPE不能脱离PPE作为单独的物理核心运行，所以严格上来讲Cell是一个独特的单核心处理器

CELL处理器终止开发

德国网站Heise Online证实（德语）IBM停止了Cell处理器的未来开发。 Cell处理器一度被认为是一项革命性的产品，但实际应用证明它并不比竞争对手突出。IBM主管Deep Computing的副总裁David Turek证实PowerXCell 8i是最后一款Cell处理器。

当然停止芯片设计并不意味着它的死亡，目前多数的Cell芯片主要由东芝公司生产，使用在索尼公司的PS3主机上。Sun 曾经指出，3.2GHz的Cell处理器还没有1.4GHz的SUN Niagara处理器快。有评论称，它并不比GPGPU强大，而灵活性又不如真正的CPU，IBM放弃它并不让人意外。