PowerPC

PowerPC (kepanjangan Inggris: Performance Optimization With Enhanced RISC - Performance Computing, arti harfiah: Optimalisasi Performa Dengan RISC yang Ditingkatkan - Komputasi Kinerja, terkadang disingkat PPC) adalah arsitektur set instruksi (ISA) komputer set instruksi yang disederhanakan (RISC) dibuat oleh aliansi Apple-IBM-Motorola, dikenal dengan AIM. Sebagai set instruksi yang berkembang, PowerPC diberi nama Power ISA sejak 2006, sementara nama lama hidup sebagai merek dagang untuk beberapa implementasi prosesor berbasis Power Architecture.

PowerPC adalah landasan inisiatif PReP dan CHRP dari AIM pada 1990-an. Awalnya ditujukan untuk komputer pribadi, arsitektur ini terkenal karena dipakai oleh produk Apple berupa Power Macintosh, PowerBook, iMac, iBook, dan Xserve dari 1994 sampai 2006, ketika Apple beralih ke x86 milik Intel. Sejak itu, PowerPC menjadi ceruk di komputer pribadi, tetapi tetap populer untuk prosesor tertanam dan berkinerja tinggi. PowerPC juga digunakan dalam konsol permainan video generasi ke-7 dan aplikasi tertanam menyediakan berbagai kegunaan, termasuk satelit, dan rover Curiosity and Perseverance di Mars. Selain itu, CPU PowerPC masih digunakan di AmigaOne dan komputer pribadi AmigaOS 4 pihak ketiga.

Sebagian besar PowerPC didasarkan pada arsitektur set instruksi IBM POWER sebelumnya, dan mempertahankan tingkat kompatibilitas yang tinggi dengannya; arsitekturnya tetap cukup dekat dengan IBM POWER, sehingga program dan sistem operasi yang sama akan berjalan pada keduanya jika beberapa perawatan diambil dalam persiapan; chip yang lebih baru dalam seri Power menggunakan Power ISA.

Sejarah

Sejarah RISC dimulai dengan proyek penelitian IBM 801, di mana John Cocke menjadi pengembang utama, di mana ia mengembangkan konsep RISC pada tahun 1975–1978. Prosesor mikro berbasis IBM 801 digunakan di sejumlah produk tertanam IBM, yang akhirnya menjadi prosesor IBM ROMP 16-register yang digunakan di IBM RT PC. RT PC adalah desain cepat yang mengimplementasikan arsitektur RISC. Antara tahun 1982 dan 1984, IBM memulai proyek untuk membangun mikroprosesor tercepat di pasar; arsitektur 32-bit baru ini disebut sebagai Proyek Amerika sepanjang siklus pengembangannya, yang berlangsung selama kurang lebih 5-6 tahun. Hasilnya adalah arsitektur set instruksi POWER, diperkenalkan dengan RISC System/6000 pada awal 1990.

Mikroprosesor POWER asli, salah satu implementasi RISC superskalar pertama, memiliki desain chip ganda berkinerja tinggi. IBM segera menyadari bahwa mikroprosesor chip tunggal diperlukan untuk menskalakan garis RS/6000 dari mesin kelas bawah ke mesin kelas atas. Pekerjaan dimulai pada mikroprosesor POWER satu chip, yang disebut RISC Single Chip (RSC). Pada awal 1991, IBM menyadari desainnya berpotensi menjadi mikroprosesor bervolume tinggi yang digunakan di seluruh industri.

Keterlibatan Apple dan Motorola

Apple telah menyadari keterbatasan dan risiko ketergantungannya pada satu vendor CPU pada saat Motorola tertinggal dalam memberikan CPU 68040. Selanjutnya, Apple telah melakukan penelitiannya sendiri dan membuat desain CPU 4-inti eksperimental yang disebut Aquarius, yang meyakinkan pimpinan teknologi perusahaan bahwa masa depan komputasi ada dalam metodologi RISC. IBM mendekati Apple dengan tujuan berkolaborasi dalam pengembangan keluarga mikroprosesor chip tunggal berdasarkan arsitektur POWER. Segera setelah itu, Apple, sebagai salah satu pelanggan terbesar mikroprosesor kelas desktop Motorola, meminta Motorola untuk bergabung dalam diskusi karena hubungan mereka yang lama, Motorola memiliki pengalaman yang lebih luas dengan manufaktur mikroprosesor volume tinggi daripada IBM, dan untuk membentuk sumber kedua untuk mikroprosesor. Kolaborasi tiga arah antara Apple, IBM, dan Motorola ini dikenal sebagai aliansi AIM.

Pada tahun 1991, PowerPC hanyalah salah satu segi dari aliansi yang lebih besar di antara ketiga perusahaan ini. Pada saat itu, sebagian besar industri komputer pribadi mengirim sistem berdasarkan chip Intel 80386 dan 80486, yang memiliki arsitektur komputer set instruksi kompleks (CISC), dan pengembangan prosesor Pentium sedang berjalan dengan baik. Chip PowerPC adalah salah satu dari beberapa usaha patungan yang melibatkan tiga anggota aliansi, dalam upaya mereka untuk melawan dominasi Microsoft-Intel yang berkembang dalam komputasi personal.

Untuk Motorola, POWER tampak seperti kesepakatan yang luar biasa. Ini memungkinkan perusahaan untuk menjual CPU RISC yang teruji secara luas dan kuat dengan biaya desain yang kecil. Ini juga mempertahankan hubungan dengan pelanggan penting, Apple, dan tampaknya menawarkan kemungkinan untuk menambahkan IBM juga, yang mungkin membeli versi yang lebih kecil dari Motorola daripada membuatnya sendiri.

Pada titik ini, Motorola sudah memiliki desain RISC sendiri dalam bentuk 88000, yang bernasib buruk di pasar. Motorola baik-baik saja dengan keluarga 68000-nya dan sebagian besar pendanaan difokuskan untuk ini. Upaya 88000 agak kekurangan sumber daya.

Namun, 88000 sudah dalam produksi; Data General mengirimkan 88.000 mesin dan Apple sudah menjalankan 88.000 mesin prototipe. 88000 juga telah mencapai sejumlah kemenangan desain yang disematkan dalam aplikasi telekomunikasi. Jika versi satu-chip POWER baru dapat dibuat kompatibel dengan bus pada tingkat perangkat keras dengan 88000, itu akan memungkinkan Apple dan Motorola untuk membawa mesin ke pasar jauh lebih cepat karena mereka tidak perlu mendesain ulang arsitektur papan mereka.

Hasil dari berbagai persyaratan tersebut adalah spesifikasi PowerPC (komputasi performa). Perbedaan antara set instruksi POWER sebelumnya dan PowerPC diuraikan dalam Lampiran E manual untuk PowerPC ISA v.2.02.

Sistem operasi

Sejak tahun 1991, IBM memiliki keinginan lama untuk sistem operasi pemersatu yang secara bersamaan akan menjadi tuan rumah semua sistem operasi yang ada sebagai kepribadian pada satu mikrokernel. Dari tahun 1991 hingga 1995, perusahaan merancang dan secara agresif mengubah apa yang akan menjadi Workplace OS, terutama menargetkan PowerPC.

Ketika produk PowerPC pertama mencapai pasar, mereka disambut dengan antusias. Selain Apple, baik IBM dan Motorola Computer Group menawarkan sistem yang dibangun di sekitar prosesor. Microsoft merilis Windows NT 3.51 untuk arsitekturnya, yang digunakan di server PowerPC Motorola, dan Sun Microsystems menawarkan versi Solaris OS-nya. IBM melabuhkan AIX Unix-nya. Workplace OS menampilkan labuhan baru OS/2 (dengan emulasi Intel untuk kompatibilitas aplikasi), menunggu peluncuran PowerPC 620 yang sukses. Sepanjang pertengahan 1990-an, prosesor PowerPC mencapai skor tes tolok ukur yang menyamai atau melampaui CPU x86 tercepat.

Pada akhirnya, permintaan untuk arsitektur baru di desktop tidak pernah benar-benar terwujud. Pelanggan Windows, OS/2, dan Sun, dihadapkan dengan kurangnya perangkat lunak aplikasi untuk PowerPC, hampir secara keseluruhan mengabaikan chip tersebut. Platform Workplace OS milik IBM (dan dengan demikian, OS/2 untuk PowerPC) dengan cepat dibatalkan pada rilis pengembang pertamanya pada bulan Desember 1995 karena peluncuran PowerPC 620 yang terputus secara bersamaan. Versi PowerPC dari Solaris dan Windows dihentikan setelah hanya beberapa saat di pasar. Hanya di Macintosh, karena kegigihan Apple, PowerPC mendapatkan daya tarik. Bagi Apple, kinerja PowerPC merupakan titik terang dalam menghadapi meningkatnya persaingan dari PC berbasis Windows 95 dan Windows NT.

Dengan pembatalan Workplace OS, platform PowerPC umum (terutama CHRP AIM) malah dilihat sebagai kompromi khusus perangkat keras untuk menjalankan banyak sistem operasi satu per satu pada satu platform perangkat keras netral vendor yang menyatukan.

Sejalan dengan aliansi antara IBM dan Motorola, kedua perusahaan memiliki upaya pengembangan yang sedang berlangsung secara internal. Garis PowerQUICC adalah hasil dari pekerjaan ini di dalam Motorola. Seri 4xx dari prosesor tertanam sedang berlangsung di dalam IBM. Bisnis prosesor tertanam IBM tumbuh menjadi hampir US$100 juta dalam pendapatan dan menarik ratusan pelanggan.

Pengembangan PowerPC dipusatkan di fasilitas Austin, Texas, yang disebut Somerset Design Center. Bangunan ini dinamai menurut situs dalam legenda Arthurian di mana pasukan yang bertikai mengesampingkan pedang mereka, dan anggota dari tiga tim yang menjadi staf bangunan tersebut mengatakan bahwa semangat yang mengilhami nama tersebut telah menjadi faktor kunci dalam keberhasilan proyek sejauh ini.

- MacWeek

Bagian dari budaya di sini bukanlah untuk memiliki budaya IBM atau Motorola atau Apple, tetapi memiliki budaya kita sendiri.

- Russell Stanphill dari Motorola, wakil direktur Somerset

Putusnya AIM

Menjelang akhir dekade, masalah manufaktur mulai mengganggu aliansi AIM dengan cara yang sama seperti yang terjadi pada Motorola, yang secara konsisten mendorong kembali penyebaran prosesor baru untuk Apple dan vendor lainnya: pertama dari Motorola pada 1990-an dengan prosesor PowerPC 7xx dan 74xx , dan IBM dengan prosesor 64-bit PowerPC 970 pada tahun 2003. Pada tahun 2004, Motorola keluar dari bisnis manufaktur chip dengan melepaskan bisnis semikonduktornya sebagai perusahaan independen bernama Freescale Semiconductor. Sekitar waktu yang sama, IBM keluar dari pasar prosesor tertanam 32-bit dengan menjual garis produk PowerPC ke Applied Micro Circuits Corporation (AMCC) dan berfokus pada desain chip 64-bit, sambil mempertahankan komitmennya dari CPU PowerPC terhadap pembuat konsol permainan seperti seperti GameCube, Wii dan Wii U milik Nintendo, PlayStation 3 milik Sony dan Xbox 360 milik Microsoft, yang mana PlayStation 3 dan Xbox 360 menggunakan prosesor 64-bit. Pada tahun 2005, Apple mengumumkan bahwa mereka tidak akan lagi menggunakan prosesor PowerPC di komputer Apple Macintosh mereka, lebih memilih prosesor yang diproduksi Intel, dengan alasan keterbatasan kinerja chip untuk perangkat keras komputer pribadi masa depan yang secara khusus terkait dengan pembangkitan panas dan penggunaan energi, serta ketidakmampuan IBM untuk memindahkan prosesor 970 ke kisaran 3 GHz. Aliansi IBM-Freescale digantikan oleh badan standar terbuka yang disebut Power.org. Power.org beroperasi di bawah tata kelola IEEE dengan IBM terus menggunakan dan mengembangkan prosesor PowerPC pada konsol permainan dan Freescale Semiconductor yang hanya berfokus pada perangkat terbenam.

IBM terus mengembangkan inti mikroprosesor PowerPC untuk digunakan dalam penawaran sirkuit terintegrasi khusus aplikasi (ASIC) mereka. Banyak aplikasi volume tinggi menyematkan inti PowerPC.

Spesifikasi PowerPC sekarang ditangani oleh Power.org di mana IBM, Freescale, dan AMCC adalah anggotanya. Prosesor PowerPC, Cell, dan POWER sekarang dipasarkan bersama sebagai Power Architecture. Power.org merilis ISA terpadu, menggabungkan ISA POWER dan PowerPC ke dalam spesifikasi Power ISA v.2.03 yang baru dan platform referensi baru untuk peladen yang disebut PAPR (Power Architecture Platform Reference, arti: Referensi Platform Power Architecture).

Generasi

Banyak desain PowerPC diberi nama dan diberi label berdasarkan generasi teknologinya. Dimulai dengan "G3", yang merupakan nama proyek internal di dalam AIM untuk pengembangan yang akan menjadi keluarga PowerPC 750. Apple mempopulerkan istilah "G3" ketika mereka memperkenalkan Power Mac G3 dan PowerBook G3 pada sebuah acara pada 10 November 1997. Motorola dan Apple menyukai julukan itu dan menggunakan istilah "G4" untuk keluarga 7400 yang diperkenalkan pada tahun 1998 dan Power Mac G4 pada tahun 1999.

Pada saat G4 diluncurkan, Motorola mengkategorikan semua model PowerPC mereka (dulu, sekarang, dan yang akan datang) menurut generasi yang mereka anut, bahkan mengganti nama inti 603e yang lebih lama menjadi "G2". Motorola memiliki proyek G5 yang tidak pernah membuahkan hasil, tetapi namanya macet dan Apple menggunakannya kembali ketika keluarga 970 diluncurkan pada tahun 2003 bahkan jika itu dirancang dan dibangun oleh IBM.

Generasi PowerPC menurut Motorola

• G1: Keluarga prosesor 601, 500, dan 800
• G2: Keluarga prosesor 602, 603, 604, 620, 8200, dan 5000
• G3: Keluarga prosesor 750 dan 8300
• G4: Keluarga prosesor 7400 dan 8400*
• G5: Keluarga prosesor 7500* dan 8500 (Motorola tidak menggunakan julukan "G5" setelah Apple menggunakannya)
• G6: 7600*

(*) Desain berikut tidak direalisasikan

Fitur desain

PowerPC dirancang dengan prinsip RISC, dan memungkinkan implementasi superskalar. Versi desain ada dalam implementasi 32-bit dan 64-bit. Dimulai dengan spesifikasi POWER dasar, PowerPC menambahkan:

• Dukungan untuk pengoperasian dalam mode endian besar dan kecil; PowerPC dapat beralih dari satu mode ke mode lainnya saat waktu nyata. Fitur ini tidak didukung di PowerPC 970.
• Bentuk presisi tunggal dari beberapa instruksi titik kambang, selain bentuk presisi ganda
• Petunjuk titik kambang tambahan atas perintah Apple
• Spesifikasi 64-bit lengkap yang kompatibel dengan mode 32-bit
• Perkalian–penjumlahan yang menyatu
• Sebuah arsitektur manajemen memori halaman yang digunakan secara luas di sistem PC dan peladen.
• Penambahan arsitektur manajemen memori baru yang disebut Book-E, menggantikan arsitektur manajemen memori halaman konvensional untuk aplikasi terbenam. Book-E adalah perangkat lunak aplikasi yang kompatibel dengan implementasi PowerPC yang ada, tetapi memerlukan sedikit perubahan pada sistem operasi.

Beberapa instruksi yang ada dalam set instruksi POWER dianggap terlalu rumit dan telah dihapus dalam arsitektur PowerPC. Beberapa instruksi yang dihapus dapat ditiru oleh sistem operasi jika perlu. Instruksi yang dihapus adalah:

• Gerakan bersyarat
• Instruksi muat dan simpan untuk tipe data titik kambang 4 presisi
• Instruksi string

Mode endian

Kebanyakan chip PowerPC mengalihkan endian melalui bit di MSR (machine state register, register status mesin), dengan bit kedua disediakan untuk memungkinkan sistem operasi berjalan dengan endian yang berbeda. Akses ke "tabel halaman terbalik" (tabel hash yang berfungsi sebagai TLB dengan penyimpanan luar chip) selalu dilakukan dalam mode endian besar. Prosesor dimulai dalam mode endian besar.

Dalam mode endian kecil, tiga bit urutan terendah dari alamat efektif di-OR-kan secara eksklusif dengan nilai tiga bit yang dipilih berdasarkan panjang operan. Ini cukup untuk tampil sepenuhnya endian kecil ke perangkat lunak normal. Sebuah sistem operasi akan melihat pandangan dunia yang menyimpang ketika mengakses chip eksternal seperti video dan perangkat keras jaringan. Memperbaiki tampilan melengkung ini mengharuskan papan utama melakukan pertukaran bita 64-bit tanpa syarat pada semua data yang masuk atau keluar dari prosesor. Endian dengan demikian menjadi milik papan utama. Sistem operasi yang beroperasi dalam mode endian kecil pada papan utama endian besar harus menukar bita dan membatalkan eksklusif-OR saat mengakses chip endian kecil.

Operasi AltiVec, meskipun 128-bit, diperlakukan seolah-olah 64-bit. Ini memungkinkan kompatibilitas dengan papan utama endian kecil yang dirancang sebelum AltiVec.

Mercury Systems dan Matrox menjalankan PowerPC dalam mode endian kecil. Ini dilakukan agar perangkat PowerPC yang berfungsi sebagai koprosesor pada papan PCI dapat berbagi struktur data dengan komputer induk berbasis x86. Baik PCI dan x86 merupakan endian kecil. OS/2 dan Windows NT untuk PowerPC menjalankan prosesor dalam mode endian kecil sementara Solaris, AIX dan Linux berjalan dalam mode endian besar.

Beberapa chip PowerPC terbenam milik IBM menggunakan bit endian per halaman. Tidak satupun dari yang sebelumnya berlaku untuk mereka.