Радикальным подходом к созданию новых процессоров является Chip MultiProcessing (CMP) - размещение нескольких процессорных ядер на одном кристалле, и в настоящее время технология достигла того уровня, когда стало возможным разместить на одном чипе два сложных суперскалярных процессора и достаточное количество кэша. Фактически мы получаем SMP-систему, а благодаря расположению ядер на одном кристалле можно получить намного более высокую скорость обмена между процессорами, чем при использовании любых внешних шин, коммутаторов и т.д.
Рассмотрим архитектуру POWER4 подробнее. Чтобы лучше разобраться в архитектуре POWER4, следует учесть основные принципы, которыми руководствовались разработчики при его создании. Прежде всего, это процессор, ориентированный на максимальную производительность, на рынок hi-end серверов и суперкомпьютеров, рассчитанный на создание 32-процессорных SMP-систем. Большое внимание было уделено разработке выскопроизводительных средств коммуникации процессоров между собой и с памятью. Для повышения отказоустойчивости POWER4 разрабатывался таким образом, чтобы в случае критических сбоев по возможности происходило не "зависание" системы, а генерация прерываний, обрабатываемых системой. POWER4 разрабатывался для эффективной работы как коммерческих (серверных), так и научно-технических приложений. Ранее в семействе процессоров IBM Power/Power PC существовало разделение на "серверные" и "научные" процессоры - POWER и RS64. Можно сказать, POWER4 - бескомпромиссный процессор, рассчитанный на широкий круг hi-end приложений, использующий все актуальные на сегодняшний момент способы повышения производительности (в рамках набора инструкций PowerPC, конечно). POWER4 представляет собой 2 идентичных процессорных ядра, реализующих набор инструкций PowerPC AS, изготовляется по 0.18 мкм медной SOI-технологии IBM CMOS 8S2 c 7-слоями металлизации, работает на частотах 1.1 и 1.3 GHz, и, несомненно, является самым быстрым в настоящее время микропроцессором. Четыре чипа POWER4 могут быть упакованы в один модуль, образуя 8-процессорный SMP. Для связи с другими чипами POWER4 на одном модуле логически используются четыре 128-битные шины, работающие на половинной частоте процессора. Физически они реализованы как шесть однонаправленных шин, три в одном, три в другом направлении, их суммарная пропускная способность порядка 35 Гбайт/с.
На чипе POWER4 размещено 2 процессора, каждый из которых обладает собственными кэшами первого уровня для данных и инструкций. На кристалле имеется единый для обоих процессоров кэш 2-го уровня объемом 1450 КБ, управляемый тремя раздельными контроллерами, подключенными к процессорным ядрам через коммутатор (Core Interface Unit, CIU). Контроллеры работают автономно и могут выдавать за такт 32 байта данных. Каждый из процессоров использует для коммуникации с CIU две раздельные 256-битные шины для выборки инструкций и загрузки данных, а также отдельную 64-битную шину для сохранения результатов, пропускная способность L2-кэша порядка 100 GB/s.У каждого из процессоров имеется специальный блок для поддержки некэшируемых операций (Noncacheable Unit).Потоками данных из памяти, кэшей 2-го и 3-го уровня, а также шинами между чипами управляет устройство, называемое "Fabric Controller".
Итак, отдельный процессор POWER4 представляет собой суперскалярное ядро со спекулятивным "беспорядочным" исполнением. Всего имеется 8 конвейерных исполняющих устройств - два одинаковых конвейера плавающей точки, каждый из которых способен за такт производить сложение и умножение, т.е. максимум 4 операции с плавающей точкой за такт, два устройства загрузки/записи, два целочисленных исполняющих устройства, устройство исполнения переходов и устройство для выполнения логических операций.
