PowerPC
PowerPC 中的 PC 代表 performance computing。PowerPC 源自于 POWER 体系结构，在 1993 年首次引入。与 IBM 801 类似，PowerPC 从一开始设计就是要在各种计算机上运行：从靠电池驱动的手持设备到超级计算机和大型机。但是其第一个商业应用却是在桌面系统中，即 Power Macintosh 6100。
PowerPC 是 Apple、IBM 和摩托罗拉（Motorola）联盟（也称为 AIM 联盟）的产物，它基于 POWER 体系结构，但是与 POWER 又有很多的不同。例如，PowerPC 是开放的，它既支持高端的内存模型，也支持低端的内存模型，而 POWER 芯片是高端的。最初的 PowerPC 设计也着重于浮点性能和多处理能力的研究。当然，它也包含了大部分 POWER 指令。很多应用程序都能在 PowerPC 上正常工作，这可能需要重新编译以进行一些转换。
尽管 IBM 和摩托罗拉分别独自开发了自己的芯片，但是从用户层来讲，所有的 PowerPC 处理器都运行相同的关键 PowerPC 指令集，这样可以确保在之上运行的所有软件产品都保持 ABI 兼容性。从 2000 年开始，摩托罗拉和 IBM 的 PowerPC 芯片都开始遵循 Book E 规范，这样可以提供一些增强特性，从而使得 PowerPC 对嵌入式处理器应用（例如网络和存储设备，以及消费者设备）更具有吸引力。
除了兼容性之外，关于 PowerPC 体系结构的最大一个优点是它是开放的：它定义了一个指令集（ISA），并且允许任何人来设计和制造与 PowerPC 兼容的处理器；为了支持 PowerPC 而开发的软件模块的源代码都可以自由使用。最后，PowerPC 核心的精简为其他部件预留了很大的空间，从新添加缓存到协处理都是如此，这样可以实现任意的设计复杂度。
IBM 的 4 条服务器产品线中有两条与 Apple 计算机的桌面和服务器产品线同样基于 PowerPC 体系结构，分别是 Nintendo GameCube 和 IBM 的“蓝色基因（Blue Gene）”超级计算机。
现在，三种主要的 PowerPC 系列是嵌入式 PowerPC 400 系列以及独立的 PowerPC 700 和 PowerPC 900 系列。由于历史的原因，我们介绍独立的 PowerPC 600 系列，因为它是第一个 PowerPC 芯片。
- PowerPC 600 系列
PowerPC 601 是第一代 PowerPC 系列中的第一个芯片。它是 POWER 和 PowerPC 体系结构之间的桥梁，其与 POWER1 的兼容性比以后的 PowerPC 都要好（甚至比 POWER 同一系列的芯片还要好），同时它还兼容 Motorola 88110 总线。PowerPC 601 的首次面世是在 1994 年最早的 PowerMac 6100 中，其主频为 66 Mhz。这条产品线中的下一个芯片是 603，它是一个低端的核心，通常在汽车中可以找到。它与 PowerPC 603 同时发布，当时 PowerPC 604 是业界最高端的芯片。603 和 604 都有一个“e”版本（603e 和 604e），该版本中对性能进行了改善。最后，第一个 64 位的 PowerPC 芯片，也是很高端的 PowerPC 620 于 1995 年发布。 - PowerPC 700 系列
首次面世是在 1998 年，PowerPC 740 和 PowerPC 750 与 604e 非常类似 -- 有些人会说他们是同一个 600/700 系列的成员。PowerPC 750 是世界上第一个基于铜的微处理器，当它用于 Apple 计算机时，通常称为 G3。它很快就被 G4（或称为 Motorola 7400）所取代了。32 位的 PowerPC 750FX 在 2002 年发布时其速度就达到了 1GHz，这在业界引起一片哗然。IBM 随之在 2003 年又发布了 750GX，它带有 1MB 的 L2 缓存，速度是 1GHz，功耗大约是 7 瓦。 - PowerPC 900 系列
64 位的 PowerPC 970，这是 POWER4 的一个单核心版本，可以同时处理 200 条指令，其速度可以超过 2GHz，而功耗不过几十瓦。低功耗的优势使其一方面成为笔记本和其他便携式系统的宠儿，另一方面又成为大型服务器和存储设备的首选品。它 64 位的处理能力和单指令多数据（SIMD）单元可以加速计算密集型的应用，例如多媒体和图形。这种芯片用于 Apple 的桌面系统、Xserve 服务器、图像系统以及日益增长的网络系统中。Apple Xerve G5 是第一个装备 PowerPC 970FX 的机器，这是第一个采用应变硅和绝缘硅技术制造的芯片，可以只需更低的功耗就实现更高的速度。 - PowerPC 400
这是 PowerPC 处理器中的嵌入式系列产品。PowerPC 的灵活性体系结构可以实现很多的专用系统，但是从来没有其他地方会像 400 系列一样灵活。从机顶盒到 IBM 的“蓝色基因”超级计算机，到处都可以看到它的身影。在这个系列的一端是 PowerPC 405EP，每个嵌入式处理器只需要 1 瓦的功耗就可以实现 200 MHz 的主频；而另一端是基于铜技术的 800 MHz 的 PowerPC 440 系列，它可以提供业界最高端的嵌入式处理器。每个子系列都可以专用，例如，PowerPC 440GX 的双千兆以太网和 TCP/IP 负载加速可以减少报文密集型应用对 CPU 的占用率 50% 以上。大量的产品都是在对 PowerPC 400 系列的核心进行高度修改而构建的，其中“蓝色基因”超级计算机就在每个芯片中采用了两个 PowerPC 440 处理器和两个 FP（浮点）核心。
虽然最初考虑用作一个桌面系统的芯片，但是 PowerPC 的低功耗使其成为嵌入式领域中很好的一个替代品，其高性能又对高级应用很有吸引力。现在，PowerPC 已经是很多东西的大脑：从视频游戏终端、多媒体娱乐系统，到数字助手和蜂窝电话，再到基站和 PBX 开关。我们家中的宽带的调制解调器、hub 和路由器、自动化子系统、打印机、复印机以及传真中也都可以找到 PowerPC。当然，桌面系统中也会有 PowerPC。
CMOS
您或许还记得 801 项目是为了解决 CISC 系统的复杂性和专用性的问题而进行的，它是 IBM 大型机中顶端的 CISC 系统。然而，IBM 大型机也从 801 项目中获益颇丰，它与 IBM 的三条 RISC 处理器的产品线都有关系。大型机芯片是 IBM 的第四个系列的处理器，它有一个非常复杂的历史。
打破摩尔定律的速度限制每个人都知道 IBM 发明了 FORTRAN 和磁盘驱动器；但是您知道 IBM 还生产硅晶片和单颗粒内存单元（DRAM）吗？下面是 IBM 在半导体领域所取得的最新突破：
- 铜介质
半导体业界一直有梦想能使用铜作为介质，这样可以获得比铝好 40% 以上的电流传输效率。但是直到最近制造流程才实现了这个目标。让我们从 Edison 的笔记本中翻出一页：IBM 的研究人员使用钨来生产基于铜的芯片，其速度比铝快 25 倍到 30 倍。科技界采用了这种技术，通常称之为 CMOS XS （其中 X 是一个数字）。 - low-k 绝缘体
这种技术使用 SiLK 来防止铜线“串扰”，SiLK 是来自 Dow Chemical 的一种商业材料。 - 硅锗合金（SiGe）
在二极管芯片制造中用来代替功耗更高的砷化镓，SiGe 可以显著地改善操作频率、电流、噪音和电源容量。 - 绝缘硅（SoI）
在硅表面之间放上很薄的一层绝缘体，可以防止晶体管的“电子效应”，这样可以实现更高的性能和更低的功耗。 - 应变硅
这种技术对硅进行拉伸，从而加速电子在芯片内的流动，不用进行小型化就可以提高性能和降低功耗。如果与绝缘硅技术一起使用，应变硅技术可以更大程度地提高性能并降低功耗。
原因之一是与其他类型的机器相比，大型机对于 CPU 的依赖程度更少，而对于系统体系结构和 I/O 通道的依赖程度则更多。S/360 系列大型机是一个创新，它引入了对业界机器的兼容性的概念，现在有些磁心仍然支持当时的功能。当它在 1971 年名字换成 S/370 时，就成为业界第一个切换为芯片的大型机。当然，它们使用的是 CISC 芯片：具体地讲，是具有 CISC 体系结构的二极管。大约 10 年之后，当 RISC 体系结构出现时，它又切换为 RISC 芯片，令人惊奇的是，其性能获得了显著的提升。然而更重要的一次变化是采用 CMOS 来替代二极管；第一代（G1）CMOS 大型机芯片于 1985 年面世，直到 1997 年 IBM 宣布此后所有的大型机都将只配备 CMOS 而不再采用二极管。实际上不只大型机切换到了 CMOS：尽管二极管统治了早期的芯片制造世界，但是现在大部分处理器都是使用 CMOS。
那么这些 CMOS 芯片究竟是什么呢？哦，CMOS（互补金属氧化物半导体）芯片使用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），显然它是一种 FEI（场效应晶体管）。这是与二极管的根本区别，有关这些区别的影响的详细信息请参阅
虽然二极管的速度很快，但是功耗也高，即使处于备用状态或恒态时也是如此。相反，FET 的速度较慢，但是在恒态下根本不消耗能源。因此，对于那些需要长期供电（而系统性能并不重要）的系统来说，FET 才是正确的选择。因此，当计算还很原始时，人们想出数字钟表来就是很好的一种思路，现在是 CMOS 芯片来驱动。它们还需要满足其他需要更少功耗和并不要求太高性能的系统（例如存放个人计算机的 BIOS 信息）的要求。 这就是为什么它这么慢!
现在，二极管和 FET 之间另外一个重要的区别是拓扑结构：二极管采用的是纵向布线，而基于 FET 的芯片则采用横向布线。因此，在基于 FET 的芯片上空间就更大。在 20 世纪 80 年代和 90 年代的早期，芯片的小型化已经使得芯片的尺寸非常之小，以至于更小的基于 FET 的芯片上可以留出更多的空间，可以放置更多的晶体管，从而实现远远高出二极管模型的性能。基于 FET 的芯片还有最后一个优点：与临近晶体管之间的电子干扰远远小于二极管。因此，尽管二极管也在进行一场日益小型化的战争，但是每次更小一点时，就会加剧了电子干扰的程度，甚至到不可接受的程度；而基于 FET 的芯片则可以变得更小，甚至可以在更大的表面区域中实现更高的布线密度。因此，大部分最新的高级纳米级的芯片都是 CMOS 芯片。
关于大型机芯片另外一个真正有意义的指标是芯片的冗余度。大型机芯片通常会将 20 或 30 甚至更多个芯片封装在一个多芯片模型（MCM）中：其中一半用作备用芯片，以便在活动芯片失效时立即接管这些芯片的工作。更详细地说，大型机会将自己接收到的每条指令都在独立的芯片上执行两次，并在返回结果之前对其进行校验。每个芯片集成 10 亿个晶体管是芯片制造业中的一个里程碑，当我们达到这个水平时，可以发现这种稳定性对于消费用的处理器也同样适用。
定制芯片
任天堂游戏机的 Gekko、Transmeta 的第一个 Crusoe 芯片、Cray 的 X1 超级计算机芯片、Xilinx Virtex-II Pro 处理器、Agilent Tachyon 芯片以及下一代的微软 XBox 处理器等有什么共性吗？这些芯片要么是由 IBM 制造的，要么也将由 IBM 制造。
在最近几年中，IBM 逐渐向外界开始开放自己的制造工厂和研发中心，这在以前是从未有过的事情。芯片用户包括 Sony、Qualcomm 甚至 AMD。
图 1. 薄晶片：300mm 的晶片生产出了更多芯片 原因之一是 IBM 在纽约的顶级 Fishkill 工厂。Fishkill 工厂如此先进，可以生产几乎所有最新的芯片：从铜 CMOS XS 到绝缘硅、硅锗合金以及low-k 绝缘体，所有这些都可以在 300mm 的晶片上生产。Fishkill 工艺是如此先进，以至于工人甚至无需穿“兔形套装”，因为晶片从头到尾都是在封闭的 FOUP 中生产的。最后，Fishkill 操作非常优秀，服务器中只运行 Linux。
Fishkill 以及 IBM 的大部分其他工艺都花费了大量的时间来使用 PowerPC 核心生产芯片。这是因为 PowerPC 核心速度非常快，而且非常小（这样可以在芯片上为定制留出更多空间）；另外一个原因是由于 PowerPC 体系结构可以与多个协处理器组合使用。这也是为什么 PowerPC 会在诸如机顶盒、游戏机和 Playstation2 视频游戏控制台等高度专用化的环境中如此成功的原因。
IBM 工厂也是世界上领先的 ASIC（专用集成电路）的供应商，业务范围从可定制控制处理器（CCP，这种芯片中很大一部分设计是固定的，但是要留下足够的空间进行定制）到 IBM 专家对现有产品进行裁减从而为新应用制造芯片，到对其他供应商的处理器和协处理器提供技术支持。简而言之，他们任何事都可以做。
Fab 的前景
就在 20 年前，芯片组件还是微米或几千纳米级的。现在，使用 300mm 晶片生产的芯片中包含的组件的平均尺寸也不过几十纳米。您要知道纳米是百万分之一毫米，人的一根头发的直径大约是 100,000 纳米。按照这种发展速度，我们很快就要用埃（Angstrom）作为单位来度量组件的尺寸了。
每个芯片集成了 10 亿个晶体管的芯片现在已经不入主流，业界观察家认为到 2010 年，芯片主频将达到 100 GHz。
同时，我们期望看到 POWER5 和细胞超级芯片的发布，后者是由 Sony、Toshiba 和 IBM 共同开发的。 |
