[科普中国]-可扩充处理器架构

基本概念

可扩展处理器结构（SPARC，Scalable Processor Architecture）是Sun Microsystems的一种32位及64位微处理器结构，它基于精简指令集计算机（RISC）。SPARC广泛应用于使用Unix操作系统（包括Sun自身的Solaris系统）的硬件。Sun已经把SPARC作为一个公开的结构让微处理器制造商使用。它最近的品牌UltraSPARC可用于面向PC板以及SPARC的原始工作站市场的微处理器制造1。

SPARC结构特点可以说SPRAC跟Unix一起创建了工作站市场。从1987年诞生以来，SPARC结构包括了如下思想：

（1）将微处理器必须执行的指令的数量减少到最少。

（2）减少微处理器需要处理的内存地址的种类。

（3）尽量在微码中加入最少的处理器操作。

（4）提供编译优化SPARC微处理的语言的编译器。

SPARC处理器策略主要有以下几个方面。

开放性SUN认为开放性是技术成功的关键。多个销售商可以激励革新和合作。多种实现导致市场竞争和兼容产品。宽大的技术许可制度使得易于获取其技术规范。这些方法结合起来，增强了规范和实现的开放性。

SUN的高度成功的计算模型的核心是开放技术。随着开放系统为广泛的产业接受，SUN已放宽了对整个系
统级和CUP元件技术的控制。为了便利开放许可证制度，SUN提供如下关键要素：

（1）对所有级别技术的获取—CPU、支持ASIC、总线、接口和电路板设计；

（2）对CPU设计及其开发环境的早期获取；

（3）对用于设计、测试及制造的系统开发工具的获取；

（4）标准和派生元件开发的综合性授权。

SPARC可升级性SPARC体系结构导致半导体与设计可升级性的独特结合。使用它的多处理器功能、高带宽总线支持、寄存器窗口设计，SPARC设计可通过一系列性能价格比级别来实现。

（1）单处理器与多处理器设计

SPARC设计结合了一个整型量单元和一个浮点单元。它为用户应用程序假定一个线性32位虚地址空间，为
系统体系结构优化假定一个灵活的数据总线尺寸。

SPARC为浮点单元(FPU)定义了指令、寄存器结构及数据类型。FPU支持单、双、四精度操作数和操作，使用32个32位寄存器，FPU寄存器能保存32个单精度、16个双精度或8个四精度值。SPARC浮点装入和保存双操作能帮助改善双和四精度程序的性能。

（2）处理器总线

SPARC体系结构通过使用复杂的总线设计来减少冲突和等待时间以提高性能。寄存器之间的信息传输通过数
据总线。总线作为所有系统的供给中心，为处理器、高速缓存、输入/输出设备、ALU、转换后援缓冲区(TLB)及其它系统部件提供数据。

（3）高速缓存

为与处理器周期时间一致，要求处理器与存储器系统紧耦合。高速缓存通过提供更快的数据存取而改善性能
(比存储器存取需要较少的周期)。几个高速缓存体系结构是有效的(单独或结合使用)，包括集合关联、分离数据和指令高速缓存、直接映射高速缓存体制。集合关联要求集合元素为多种形式的，潜在地增加周期时间。直接映射体制是非多样化的，允许高速缓存简单和快速。分离数据和指令高速缓存允许同时从两个高速缓存获取数据。

（4）存储器管理能力

SPARC处理器通过一个虚拟存取高速缓存访问主存储器。虚拟存储器是一种方法，通过它，应用程序假定整个32位地址空间可用。虚地址高速缓存屏蔽处理的物理存储器配置与机器的依赖性。存储器管理单元实现虚拟存储器并转换每个运行进程的虚地址到存储器的物理地址2。

SPARC处理器的发展1987年，SUN和TI公司合作开发了RISC微处理器—SPARC。SPARC微处理器最突出的特点就是它的可扩展性，这是业界出现的第一款有可扩展性功能的微处理。SPARC的推出为SUN赢得了高端微处理器市场的领先地位。

与SPARC同时产生的还有Sun那句“网络就是计算机”。当时很多人不能理解Sun的这个论断，因为那时连个人计算还没有普及，更不要说是虚浮飘渺的网络计算了。实践证明，Sun的这个论断是正确的。现在的网格、云计算等，可以说都是来自于Sun的“网络就是计算机”。

UltraSPARC I1995年，Sun公司的微处理器技术有了一次质的飞跃。继 第一款SPARC微处理器之后，Sun推出了64位UltraSPARC I微处理器。UltraSPARC I革新了微处理器的可扩展性和带宽等工业标准，其频率达143MHz，采用0.5微米工艺技术，集成了520万个晶体管。UltraSPARC I的推出加强了Sun在高端微处理器市场的领导地位。

UltraSPARC Ⅱ仅仅两年后，Sun就推出了UltraSPARC I的升级版——UltraSPARC Ⅱ。UltraSPARC Ⅱ芯片频率为300MHz，采用0.25微米工艺技术，集成了600万个晶体管，比UltraSPARC I芯片的速度高2.5倍。在数据带宽方面，UltraSPARC Ⅱ高达1600MB/s，比当时其他同类产品高600MB/s；UltraSPARC Ⅱ的VIS指令集可加速多媒体、图像处理和网络等应用。在高性能通信处理器、高档工作站和服务器等市场，UltraSPARC Ⅱ在各种环境中均能提供业界较高的性能。

UltraSPARC Ⅲ1999年，Sun推出了第三代产品—— UltraSPARC Ⅲ，这是SunSPARC微处理器发展历史上具有里程碑意义的产品。UltraSPARC Ⅲ全面提高了系统应用程序的性能，它的带宽可达2.4GB，比UltraSPARC Ⅱ高出2倍。首款UltraSPARC Ⅲ微处理器主频达600MHz，采用了更先进的0.18微米工艺技术，集成了1600万个晶体管，并与Solaris操作系统和应用软件兼容。

UltraSPARC VI借助出众的存储器带宽和多处理器可扩展性，UltraSPARC Ⅲ为电子商务、科学计算和数据开采等高性能计算应用提供了非同寻常的平台。凭借卓越的性能和Solaris操作环境，UltraSPARC Ⅲ进一步推动了服务器的发展。

UltraSPARC IVUltraSPARC IV是Sun公司的首款双核处理器， 于2004年上半年推出。Sun紧接着在下半年又推出了UltraSPARC IV+。UltraSPARC IV采用CMT（chipmultithreading，芯片多线程）技术，片上集成了两个UltraSPARC III的内核、二级Cache的tag体和MCU，外部缓存16MB，每个内核独享8MB。UltraSPARCIV由德州仪器生产，采用0.13微米工 艺，主频1.2GHz，功耗100W，和UltraSPARC III管脚兼容，实现系统的平滑升级。UltraSPARC IV+是UltraSPARC IV的0.09微米工艺的升级版本，而且增加了片上高速缓存的容量，主频1.8GHz。

UltraSPARC IV+（1）UltraSPARC T1

2005年11月，Sun推出了UltraSPARC T1处理器，其原来的编码名称为“Niagara”（尼亚加拉）。UltraSPARC T1处理器采用了基于SPARC的CoolThreads技术，还有一个创新性的8内核技术，每个内核有4个线程，共有32个线程。32个线程等于32个 系统同时工作，这就使多任务能够并行执行，无需互相等待。UltraSPARC T1芯片节约了能耗并提高了系统的吞吐量，它还利用了Sun具有创新性的CMT(芯片多线程)处理器架构，以确保与Internet的多线程应用环境并驾 齐驱。

UltraSPARC T1还进行大量的创新：它将系统架构放到了芯片上，内部的通信任务就在芯片上完成，数据几乎不靠金属传输，这样就获得了更高的功效和更高的特性；首次将4个内存控制器放到一块芯片上，芯片就成为了处理内核和内存之间的数据传输通路，这样数据就在被处理的同时迅速传入芯片；每一个UltraSPARC T1内核相对都很简单，它生成的热量很少，这使整个处理器所需功率小于70瓦；采用SunStudio11软件，将三大创新技术――Solaris10、Java和采用CoolThreads技术的UltraSPARC T1处理器融合在了一起。

（2）UltraSPARC T2

SUN公司在推出UltraSparc T1之后，就开始投入代号为“Niagara2”的“UltraSparc T2”处理器的开发。2007年8月，UltraSparc T2正式发布。UltraSparc T2虽然仍然保持8核心设计，但每个核心可支持的线程数提升到8个。换句话说，UltraSparcT2拥有高达64线程的并行处理能力，比UltraSparc T1整整提升一倍。

另外，UltraSparc T2直接集成了八个独立的加密加速单元、支持虚拟运行的两个10Gbps以太网接口和八个PCI-E通道，而浮点单元仍保持精简设计的原则，数量只有8个。

多线程和虚拟运行是UltraSparcT2的拿手好戏，SUN表示UltraSparc T2的每个线程都可以独立运行一个操作系统，因此理论上一枚UltraSparc T2处理器可以最多支持64个系统并行运作。而在Web访问等事务处理中，64线程的UltraSparc T2将具备常规处理器难以达到的超快响应能力。也是为了应对多线程处理的需要，UltraSparc T2配备了4个内存控制器，内存总带宽将超过50GBps。

得益于65纳米工艺，UltraSparc T2的工作频率提高到了1.4GHz，而平均工作仍保持在70瓦左右，即便全速运行不过为120~130瓦，平均每个线程只需要消费2瓦。“ROCK”

在推迟了一年之后，Sun的16核“Rock”处理器即将在今年秋季正式推出。Rock是首款针对中端服务器的16核芯片。Rock处理器采用了多线程的新设计，内核数量是Sun目前最快服务器处理器UltraSparc T2的两倍。这款处理器将主要针对那些处理数据库等数据密集应用的企业级服务器。

ROCK更多的细节，中关村在线服务器频道将随着发布日子的逼近而逐步为大家揭开其神秘的面纱。

最新版本现时最新版本的SPARC为第8及第9版，在2005年12月，Sun方面宣布其UltraSPARC T1处理器将采用开放源代码方式。2006年4月12日，sun计算机宣布完整的UltraSPARC T2处理器已经进行试产。Oracle收购Sun之后，于2010年发布了UltraSPARC T3。

对于需要在所有应用层都提供高性能、一流可用性和无与伦比的可伸缩性的任务关键型应用程序而言，运行Oracle Solaris的Oracle SPARC服务器是一个理想选择。Oracle制定了一个强有力的计划，可通过SPARC/Solaris完全二进制兼容性确保最高级别的投资保护，这在二十多年以来的成百上千次部署中得到了验证。

下面是该版本的优势：

（1）SPARC服务器为各种企业应用程序提供创世界纪录的性能；

（2）只需大型机成本的一小部分即可获得无与伦比的任务关键型可靠性；

（3）唯一包含片上加密和Oracle Solaris安全框架的平台；

（4）与Oracle数据库、业务应用程序、中间件软件和Oracle优化的解决方案完全集成；

（5）利用全面、内置的零成本虚拟化功能提高系统利用率。