IBM RS64

IBM RS64 هي عائلة من المعالجات الدقيقة التي قدمتها شركة IBM في منتصف التسعينيات، وتستخدم في خوادم RS/6000 و AS/400 .

تُطبّق هذه المعالجات الدقيقة بنية مجموعة تعليمات "أمازون" أو "باور بي سي-إيه إس" . تُعدّ أمازون مجموعةً مُوسّعةً من مجموعة تعليمات باور بي سي ، مع إضافة ميزات خاصة غير موجودة في مواصفات باور بي سي، وهي مُستمدة بشكل أساسي من معالج باور 2 ومعالج إيه إس/400 الأصلي، وكانت 64 بت منذ البداية. صُمّمت المعالجات في هذه العائلة خصيصًا لأحمال العمل التجارية ( أداء الأعداد الصحيحة ، وذاكرة التخزين المؤقت الكبيرة، والتفرعات المتكررة )، ولا تتمتع بأداء الفاصلة العائمة القوي الذي تتميز به معالجات عائلة باور ، وهي العائلة الشقيقة لها.

تم التخلص التدريجي من عائلة RS64 بعد فترة وجيزة من طرح POWER4 ، الذي تم تطويره لتوحيد عائلتي RS64 و POWER.

في عام 1990، بدأ فريق هندسة AS/400 في شركة IBM روتشستر العمل على بنية جديدة تُعرف باسم C-RISC ( معالج RISC التجاري ) لتحل محل بنية IMPI الخاصة بنظام AS/400. ^{[ 1 ] [ 2 ]} مثّلت C-RISC تطورًا لمجموعة تعليمات IMPI، حيث وسّعت نطاق العناوين إلى 96 بت، وأضافت بعض تعليمات RISC لتسريع التطبيقات التجارية الأكثر كثافة حسابية التي كانت تُصمم خصيصًا لنظام AS/400. أراد رئيس شركة IBM آنذاك، جاك كوهلر، أن يستخدم فريق AS/400 معالج PowerPC، لكنهم رفضوا ذلك، بحجة أن مجموعة تعليمات PowerPC الحالية ذات 32/64 بت لن تُمكّن من انتقال سلس لبرمجيات نظام التشغيل OS/400، وأن مجموعة التعليمات الحالية تتطلب إضافات للتطبيقات التجارية على نظام AS/400. وبإصرار من كوهلر، قام فريق في روتشستر بقيادة فرانك سولتيس بدراسة جدوى توسيع مجموعة تعليمات PowerPC لدعم احتياجات منصة AS/400. أصبحت هذه الإضافات تُعرف باسم أمازون ، وقد اختارتها الإدارة التنفيذية لشركة IBM لمزيد من التطوير بدلاً من مواصلة تطوير C-RISC. ^{[ 3 ]}

في الوقت نفسه، وسّع مطورو نظام RS/6000 خط إنتاجهم ليشمل أنظمة تتراوح بين محطات العمل منخفضة التكلفة ، وأنظمة SMP الكبيرة المنافسة للحواسيب المركزية ، وأنظمة الحوسبة الفائقة IBM RS/6000 SP العنقودية . وقد ناسبت معالجات PowerPC، التي طُوّرت في تحالف AIM، محطات عمل RISC منخفضة التكلفة وخوادمها الصغيرة. لكن أنظمة الحواسيب المركزية وأنظمة الحوسبة الفائقة العنقودية الكبيرة تطلّبت أداءً وموثوقيةً وتوافرًا وسهولة صيانة أعلى من المعالجات المصممة لأجهزة Apple Power Mac . لذا، كان لا بد من تصميم معالجات متعددة لتلبية متطلبات نظام Apple Power Mac المُركّز على التكلفة، وأنظمة RS/6000 عالية الأداء وأنظمة RAS، بالإضافة إلى الانتقال من نظام AS/400 إلى معالجات PowerPC.

تم توسيع نطاق دعم أمازون لتلك الميزات أيضًا، بحيث يمكن تصميم المعالجات للاستخدام في كل من أجهزة RS/6000 و AS/400 المتطورة.

كان مشروع تطوير أول معالج من هذا النوع هو "بيلاتريكس" (اسم نجم في كوكبة الجبار ، ويُعرف أيضًا باسم "نجم الأمازون"). وقد اتسم مشروع بيلاتريكس بطموحه الكبير في استخدامه المكثف للدوائر ذاتية التوقيت والدوائر القائمة على النبضات، بالإضافة إلى أدوات التصميم الإلكتروني اللازمة لدعم استراتيجية التصميم هذه، إلا أنه أُلغي في نهاية المطاف. ولمواجهة أسواق محطات العمل التقنية، والحواسيب العملاقة ، والأسواق الهندسية والعلمية، بدأت شركة IBM أوستن (مقر RS/6000) بتطوير نسخة أحادية الشريحة من معالج Power2 (P2SC) ذات سرعة طرح عالية في السوق، بالتوازي مع تطوير معالج PowerPC متطور 64 بت مزود بامتدادات POWER2 ووحدتي حساب الفاصلة العائمة MAF متطورتين (POWER3/630). لمعالجة التطبيقات التجارية RS/6000 وأنظمة AS/400، بدأت شركة IBM Rochester (موطن أنظمة AS/400) في تطوير أول معالجات PowerPC عالية الأداء 64 بت مع ملحقات AS/400، وبدأت شركة IBM Endicott في تطوير معالج PowerPC أحادي الشريحة منخفض الأداء مع ملحقات AS/400.

في عام 1995، أصدرت شركة IBM معالج Cobra ، أو A10 ، وهو أول تطبيق كامل لمعالج PowerPC AS، لأنظمة IBM AS/400 . كان معالجًا أحادي الشريحة يعمل بتردد يتراوح بين 50 و77  ميجاهرتز. صُمم المعالج بمنهجية شبه مخصصة، نتيجةً لضيق الوقت اللازم لطرحه في السوق. تحتوي الشريحة على 4.7 مليون ترانزستور ، وتبلغ أبعادها 14.6  مم × 14.6  مم (213  مم² ⁾ . صُنعت الشريحة بواسطة IBM باستخدام تقنية CMOS 5L، وهي تقنية CMOS رباعية الطبقات المعدنية بدقة 0.5 ميكرومتر . استخدم المعالج مصدر طاقة 3.0 فولت، وبلغت قدرته القصوى 17.7 واط، وقدرته الدنيا 13.4 واط عند تردد 77 ميجاهرتز. تم تغليفه في مصفوفة شبكية كروية خزفية (CBGA) ذات 625 طرف توصيل، بأبعاد 32 مم × 32 مم.    

سبقت كوبرا نسخة مبسطة تُعرف باسم كوبرا-لايت في عام 1994، والتي استُخدمت في أنظمة IBM Advanced/36 الأولى . ^{[ 1 ]} كانت تفتقر إلى 17 تعليمة من مجموعة تعليمات PowerPC AS الكاملة، والتي لم تكن ضرورية لنظام Advanced/36.

في عام 1996، أصدرت شركة IBM النسخة المتطورة متعددة الرقاقات من نوع SMP رباعي الاتجاهات ، والتي تحمل اسم Muskie أو A25 أو A30، والمخصصة لأنظمة AS/400. وكانت تعمل بتردد يتراوح بين 125 و154  ميجاهرتز، وقد صُنعت باستخدام تقنية BiCMOS .

تم استخدام هذه المعالجات فقط في أجهزة AS/400 و Advanced/36.

طُرحت وحدة المعالجة RS64 أو أباتشي عام 1997. وقد طُوّرت من وحدتي "كوبرا" و"ماسكي"، ولكنها تضمنت بنية مجموعة تعليمات PowerPC أكثر اكتمالاً، ولذلك صُممت للاستخدام في أجهزة RS/6000 وأنظمة AS/400. تميزت بذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الأول (L1) مدمجة بسعة 128 كيلوبايت ، وذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الثاني (L2) خارجية بسرعة كاملة بسعة 4 ميجابايت على ناقل بيانات 128 بت، وتردد ساعة 125 ميجاهرتز. وكانت قابلة للتوسع لتشمل تكوين SMP مكون من 12 معالجًا في أجهزة IBM. 

كان يُطلق على RS64 اسم A35 في AS/400 وكان يُشار إليه في وقت من الأوقات باسم PowerPC 625 ، بين PowerPC 620 المتوقف وPowerPC 630 (الذي أعيد تسميته لاحقًا إلى POWER3 ).

تم تصنيعه باستخدام عملية تصنيع BiCMOS.

تم طرح معالج RS64-II، أو نورث ستار، بتردد 262  ميجاهرتز عام 1998، مزودًا بذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الثاني (L2) بسعة 8 ميجابايت وبسرعة كاملة، على ناقل بيانات 6XX ذي 256 بت (المستخدم أيضًا في معالجات PowerPC 620 و POWER3 ). ويمكن استبدال لوحات المعالجات التي تحتوي على 4 معالجات RS64-II في الأجهزة المصممة للوحات RS64 رباعية المنافذ، مما يغني عن الحاجة إلى ترقية شاملة. يحتوي معالج RS64-II على 12.5 مليون ترانزستور، وتبلغ مساحته 162 مم²، ويستهلك طاقة قصوى قدرها 27 واط. وقد تم تغيير تقنية التصنيع إلى تقنية CMOS  بدقة 0.35 ميكرومتر .

كان معالج RS64-II أول معالج يُطرح في الأسواق على نطاق واسع يُطبّق تقنية تعدد الخيوط . في الأساس، تخزن كل شريحة معلومات حالة خيطين في أي وقت، وتظهر لنظام التشغيل كمعالجين منفصلين. يُشغّل أحد المعالجين المنطقيين ما يُسمى بالخيط الأمامي. عندما يواجه هذا الخيط حدثًا ذا زمن استجابة عالٍ ( مثل عدم وجود بيانات في ذاكرة التخزين المؤقت L2 )، يتم التبديل إلى الخيط الخلفي، الموجود على المعالج المنطقي الثاني من وجهة نظر نظام التشغيل. في حالة حدوث حدث ذي زمن استجابة أقل (مثل عدم وجود بيانات في ذاكرة التخزين المؤقت L1)، لن يحدث تبديل الخيوط إلا إذا كان الخيط الخلفي جاهزًا للتنفيذ. إذا كان الخيط الخلفي ينتظر أيضًا عدم وجود بيانات في ذاكرة التخزين المؤقت L2، فلن يحدث تبديل الخيوط. تُطلق IBM على هذه الآلية اسم "تعدد الخيوط ذي الحبيبات الخشنة". وهي ليست مطابقة تمامًا لتعدد الخيوط المتزامن الموجود في معالجات Pentium 4 اللاحقة. تشير ورقة بحثية من IBM إلى أن آلية الحبيبات الخشنة تُناسب بشكل أفضل بنية معمارية دقيقة مُرتبة مثل RS64.

كان يُطلق على RS64-II اسم A50 في أنظمة AS/400.

طُرح معالج RS64-III أو Pulsar في عام 1999 بتردد 450 ميجاهرتز . وشملت التغييرات  الرئيسية زيادة سعة ذاكرة التخزين المؤقت L1 للتعليمات والبيانات إلى 128 كيلوبايت، وتحسين دقة التنبؤ بالتفرعات ، وتقليل عقوبة التنبؤ الخاطئ بالتفرعات إلى دورة واحدة أو صفر. يتميز RS64-III بخط أنابيب من خمس مراحل وناقل ذاكرة تخزين مؤقت L2 بعرض 256 بت، مما وفر للمعالج نطاقًا تردديًا قدره 14.4 جيجابايت/ثانية من ذاكرة التخزين المؤقت L2 بسعة 8 ميجابايت، والمُنفذة باستخدام  ذاكرة DDR SRAM بتردد 225 ميجاهرتز.

يحتوي RS64-III على 34 مليون ترانزستور، وحجم رقاقة يبلغ 140  مم²، ويتم تصنيعه على عملية CMOS 7S 0.22 ميكرومتر مع ستة مستويات من التوصيلات النحاسية .

في عام 2000، أطلقت شركة IBM نسخة محسّنة تُدعى IStar، مصنّعة بتقنية SOI مع وصلات نحاسية، مما رفع تردد ساعة المعالج إلى 600 ميجاهرتز. وكان هذا أول معالج يُطبّق بهذه التقنية. مع ذلك، كان تصميم IStar مطابقًا لتصميم Pulsar. 

طُرحت وحدة المعالجة RS64-IV أو Sstar  في عام 2000 بتردد 600 ميجاهرتز، ثم رُفع لاحقًا إلى 750  ميجاهرتز. ودعمت ذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الثاني (L2) بسعة تصل إلى 16 ميجابايت من نوع DDR، على غرار وحدة RS64-III (بعرض نطاق ترددي 19.2 جيجابايت/ثانية). احتوت RS64-IV على 44 مليون ترانزستور، وبلغت  مساحتها 128 مم²، وصُنعت بتقنية 0.18 ميكرومتر. وعلى عكس وحدات POWER، ظل استهلاك الطاقة منخفضًا، حيث لم يتجاوز 15 واط لكل نواة.

لفترة من الزمن، بينما ظلّت سرعة معالجات POWER راكدة عند نصف سرعة منافسيها، تصدّرت عائلة RS64 خط إنتاج خوادم IBM الكبيرة متعددة المعالجات أحادية التناظر (SMP) التي تعمل بنظام UNIX . كان أداء معالج RS-64 IV في معالجة الأعداد الصحيحة/الأعباء التجارية مماثلاً لمعالجات Sun Microsystems التي نافسها، على الرغم من أن قدرته على معالجة الأعداد العشرية لم تكن تُضاهي معالج POWER3-II المعاصر له ، والذي حافظ على قدرته التنافسية بشكل معقول طوال دورة حياته.

• غويناب، لينلي (31 يوليو 1995). "شركة آي بي إم تُنتج معالجات باور بي سي لنظام AS/400". تقرير المعالجات الدقيقة .

• ورقة بحثية من شركة IBM حول RS64-IV
• 27 عامًا من معالجات IBM RISC
• متى لا يكون معالج PowerPC معالج PowerPC؟ - تاريخ معمارية POWER بقلم فرانك سولتيس
• السلطة للشعب
• تصميم معالج تجاري متوافق مع PowerPC من الجيل الرابع ذو 64 بت، مؤرشف بتاريخ 30 مايو 2009 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .
• داخل نظام PowerPC AS (مؤرشف بتاريخ 31 أغسطس 2013 على موقع Wayback Machine)