PowerPC

PowerPC (PPC) ist eine 1991 durch ein Konsortium aus Apple, IBM und Motorola (heute: Freescale) – auch kurz AIM genannt – spezifizierte CPU-Architektur.

Der Name PowerPC ist ein Akronym, wobei Power für Performance optimization with enhanced RISC (Leistungsoptimierung durch verbessertes RISC) und PC für Performance Chip (Hochleistungs-Chip) steht.

Technik und Einsatzgebiete

PowerPC ist heute eine 64-Bit-Prozessorarchitektur auf RISC-Basis, wobei auch 32-Bit-Versionen verfügbar sind (bei IBM „Subset“ genannt). PowerPC beherrschen Gleitkommazahlen doppelter und einfacher Genauigkeit und arbeiten im Big-Endian-Modus, manche Prozessormodelle können jedoch alternativ auf den Little-Endian-Modus umschalten. Fast alle Prozessoren neuerer Bauart verfügen auch über die von Motorola entwickelte AltiVec-Vektoreinheit oder das IBM-Äquivalent VMX. AltiVec wurde mit dem Power PC 7400 alias PowerPC G4 eingeführt. Der neueste Zugang zur Familie ist der Doppelkern-Prozessor IBM PPC970MP; der Vorläufer IBM PPC970FX kam in den Macintosh G5 mit bis zu 2,7 GHz Taktfrequenz zum Einsatz. Der IBM PPC970MP wurde in der letzten Generation der Power Mac G5 eingesetzt, und zwar mit 2,0 GHz und 2,3 GHz im kleinen und mittleren Modell sowie im Dual-Betrieb (vier Kerne) mit 2,5 GHz im Spitzenmodell Power Mac G5 Quad 2,5 GHz. Als Besonderheit weist der Gekko (CPU im GameCube) spezielle Befehle auf, mit denen paarweise einfach-genaue Gleitkommazahlen, die sich in Floatingpointregistern befinden, bearbeitet werden können. Die Opcodes der Befehle überschneiden sich mit denen der AltiVec-Befehle.

Computer

PowerPC-Prozessoren werden u.a. in der IBM pSeries (RS/6000) und im IBM Blade JS20 sowie in den Motorola-PowerStack-Rechnern eingesetzt. Seit 1996 basieren auch Amiga-Rechner faktisch auf PowerPC-Prozessoren, und auch kompatible Systeme wie der Pegasos-Rechner von Genesi und der AmigaOne von Eyetech setzen ihn ein.

Apple verwendete die Prozessoren zwischen 1994 und 2006, wechselte dann jedoch zu x86-Prozessoren von Intel.^[1] Allerdings kaufte Apple im April 2008 die Firma P.A. Semi auf, die eine besonders stromsparende Variante der G5-Prozessoren entwickelte. Die Zielsetzung dieses Geschäftes war zunächst unklar, später stellte sich heraus, dass Apple den so eingekauften Sachverstand für die Entwicklung eigener Prozessoren nutzte.

Eingebettete Systeme

Auch in vielen eingebetteten Systemen kommen PowerPC-Prozessoren zum Einsatz.

Bei Heimanwendern sind dies zum Beispiel Digitalreceiver wie die d-box 2 (PPC823) oder die Dreambox (PPC405), sowie Spielekonsolen wie Nintendo GameCube und Wii, die Xbox 360 von Microsoft sowie (in Form des Cell) die PlayStation 3 von Sony.

Auch in PKW und in der zivilen und militärischen Luft- und Raumfahrt kommt die PowerPC-Architektur zum Einsatz. Mehrere zum Mars gesandte Orbiter und Lander basieren auf verschiedenen PowerPC-Varianten, zum Beispiel verwendet der Mars Reconnaisance Orbiter eine gegen Strahlung geschützte Variante des G3. Auch die F-22 Raptor, der AN/ALR-93 oder der AN/ALQ-135M verwenden PowerPC-CPUs, insbesondere im Bereich der Signalverarbeitung.

Geschichte und Zukunft

Das Konsortium wurde auf Betreiben von Apple gegründet, die einen Nachfolger für die von ihnen verwendeten 680x0-Prozessoren von Motorola (heute: Freescale) suchten. Der von IBM für deren High-End-Workstations entwickelte POWER-Prozessor war wegen seiner leistungsfähigen und erweiterbaren Architektur ein interessanter Kandidat, jedoch in der Fertigung viel zu teuer, da es sich zum damaligen Zeitpunkt noch um ein Modul mit mehreren Chips handelte. Motorola brachte in die Entwicklung die Speicherverwaltungs- und Puffer-Einheit ihrer 88000-RISC-Prozessoren ein (die 88k-Familie wurde daraufhin eingestellt, die 68k-Familie existiert heute noch als Mikrocontroller und bildet auch die Basis für die hierzu kompatible ColdFire-Familie).

Gleichzeitig mit der Entwicklung der PowerPC-Prozessoren wurde auch die Referenzplattform PReP (PowerPC Reference Platform) geschaffen, die zur Konkurrenz gegen die etablierten Intel-basierten PCs werden sollte. Dabei zeigte sich dann allerdings, dass die Allianz der drei Firmen nicht in allen Belangen einer Meinung war; und die ohnehin eher zurückhaltenden Bemühungen verliefen später im Sande.

PReP wurde später durch CHRP (Common Hardware Reference Platform) abgelöst. Der jüngste, kommerziell erhältliche Spross dieser Familie war der IBM-zertifizierte Pegasos von Genesi, der auch durch Freescale vertrieben wurde.

Am 6. Juni 2005 kündigte Apple an, die PowerPC-Architektur aufzugeben und künftig PC-Systeme mit Intel-Prozessoren (x86) zu fertigen.

In einem am 6. Dezember 2005 veröffentlichten Interview bekräftigte der CEO von Freescale, Michel Mayer, u. a. als Konsequenz hieraus die Entscheidung, die PowerPC-Baureihe ggf. umzubenennen und sich bei der weiteren Vermarktung nicht weiter um den Desktop-/Laptop-Markt zu kümmern.

Auf der Ende Juni 2005 abgehaltenen 20. Internationalen Supercomputer-Konferenz ISC 2005 zeigte sich außerdem, dass sechs der zehn zu diesem Zeitpunkt schnellsten Computer der Welt auf PowerPC basierten, davon fünf auf dem PowerPC 440 (eServer BlueGene).^[2]

Der Schwerpunkt der Einsatzgebiete der PowerPC-Architektur verlagert sich somit an die beiden Enden der Skala: den Bereich eingebetteter Systeme einerseits und den Hochleistungsserverbereich andererseits.

PowerPC-Generationen und -Modelle (Auswahl)

PowerPC 601 von IBM

PowerPC 604e 233 MHz, montiert auf einer Phase5 CyberStormPPC Karte für Amiga-Rechner

Motorola XPC750ARX266PE

GEKKO im GameCube

Erste Generation G1

• MPC601 – 50, 66, 80 und 100 MHz, 32 KByte Unified L1 Cache, L2 Cache bis 1 MByte; 0,6 µm Herstellungsprozess (1993, verwendet u.A. in der ersten Power-Mac-Generation)
• MPC601+ – 110 und 120 MHz, sonst wie MPC601; 0,6 µm Herstellungsprozess
• MPC602 – speziell für Embedded-Anwendungen (gemultiplexter Daten-/Adressbus); 0,6 µm Herstellungsprozess

Zweite Generation G2

• MPC603 – 66 bis 80 MHz, 16 KByte (8 KByte Instruction, 8 KByte Data), L2 Cache bis 1 MByte; vor allem für den mobilen und „Low Cost“-Bereich; 0,5 µm Herstellungsprozess
• MPC603e – 100 bis 200 MHz, ab 166 MHz 32 KByte L1 Cache (16 KByte Instruction, 16 KByte Data), L2 Cache bis 1 MByte (größere L1 Caches für bessere 68k Emulator-Performance); 0,5 µm Herstellungsprozess
• MPC603ev – 225 bis 300 MHz, 32 KByte L1 Cache (16 KByte Instruction, 16 KByte Data), L2 Cache bis 1 MByte; 0,35 µm Herstellungsprozess

• MPC604 – 100 bis 180 MHz, 32 KByte L1 Cache (16 KByte Instruction, 16 KByte Data), L2 Cache bis 1 MByte; der 604 war vor dem 603 erhältlich (1994) und der erste High End PowerPC; 0,5 µm Herstellungsprozess

• MPC604e – 166 bis 233 MHz, 64 KByte L1 Cache (32 KByte Instruction, 32 KByte Data), L2 Cache bis 1 MByte; 0,35 µm Herstellungsprozess
• MPC604r – 250 bis 375 MHz, 64 KByte L1 Cache (32 KByte Instruction, 32 KByte Data), L2 Inline-Cache bis 1 MByte; 0,25 µm Herstellungsprozess (300- und 350-MHz-Modell) oder 0,35 µm (250-MHz-Modell), Codename „Mach 5“ und „Helmwind“
• MPC620 – 64 KByte L1 Cache (32 KByte Instruction, 32 KByte Data), 1 bis 128 MByte L2 Cache; die erste 64-Bit-PowerPC-Implementierung (nicht POWER)
• x704 BiCOMOS PowerPC Implementierung von Exponential Technologies (nie verfügbar)^[3]

Dritte Generation G3

• MPC750 – 200 bis 366 MHz, 0,25 µm Herstellungsprozess, Codename „Arthur“, eingeführt 1997
• MPC750CX – 350 bis 550 MHz, 64 KByte L1 Cache (32 KByte Instruction, 32 KByte Data), 256 KByte on-Chip L2 Cache, 0,18 µm Herstellungsprozess; Codename „Sidewinder“
• MPC750CXe – 400 bis 700 MHz, 350 bis 550 MHz, 64 KByte L1 Cache (32 KByte Instruction, 32 KByte Data), 256 KByte on-Chip L2 Cache, L3 Cache extern möglich, 0,18 µm Herstellungsprozess; Codename „Anaconda“
• MPC750FX – 600 bis 1000 MHz, 64 KByte L1 Cache (32 KByte Instruction, 32 KByte Data), 512 KByte on-Chip L2 Cache, L3 Cache extern möglich, 0,13 µm Herstellungsprozess; Codename „Sahara“
• MPC750GX - 733 bis 1000 MHz, 64 KByte L1 Cache (32 KByte Instruction, 32 KByte Data), 1024 KByte on-Chip L2 Cache, L3 Cache extern möglich, 0,13 µm Herstellungsprozess; Codename „Gobi“
• Gekko 485 MHz (verwendet im Nintendo GameCube)

Vierte Generation G4

• MPC7400 — 350 bis 500 MHz, 32 KByte/32 KByte Data/Instruction L1 Cache, maximal 2 MByte L2 Cache (ECC und non-ECC), Verlustleistung max. 11 Watt, erster PowerPC mit AltiVec, Codename „Max“

• MPC7410 — 400 bis 550 MHz, 32 KByte/32 KByte Data/Instruction L1 Cache, maximal 2 MByte L2 Cache (ECC und non-ECC), Verlustleistung max. 11 Watt

• MPC7441 — 600 und 700 MHz, 32 KByte/32 KByte Data/Instruction L1 Cache, 256 KByte L2 Cache on Chip, maximal 2 MByte L3 Cache; Low Power-Version des 7450/7451

• MPC7445 — 600 bis 1000 MHz, 32 KByte/32 KByte Data/Instruction L1 Cache, 256 KByte L2 Cache on Chip, Verlustleistung max. 26 Watt

• MPC7447 — 600 bis 1267 MHz, 32 KByte/32 KByte Data/Instruction L1 Cache, 256 oder 512 KByte L2 Cache on Chip, Verlustleistung max. 26 Watt, kein L3 Cache

• MPC7447A — 600 bis 1420 MHz, 32 KByte/32 KByte Data/Instruction L1 Cache, 512 KByte L2 Cache on Chip, Verlustleistung max. 29 Watt

• MPC7448 — 600 bis 2000 MHz, 32 KByte/32 KByte Data/Instruction L1 Cache, 1024 KByte L2 Cache mit ECC on Chip, Verlustleistung ca. 10 Watt bei 1,5 GHz

• MPC7450 — 533 bis 867 MHz, 32 KByte/32 KByte Data/Instruction L1 Cache, Codename „Voyager“

• MPC745 — 300 bis 350 MHz, 32 KByte/32 KByte Data/Instruction L1 Cache, Verlustleistung max. 5,3 Watt

• MPC7451 — 533 bis 867 MHz, 32 KByte/32 KByte Data/Instruction L1 Cache, 256 KByte L2 Cache on Chip, maximal 2 MByte L3 Cache

• MPC7455 — 600 bis 1425 MHz, 32 KByte/32 KByte Data/Instruction L1 Cache, 256 KByte L2 Cache on Chip, maximal 2 MByte L3 Cache, Verlustleistung max. 45 Watt, Codename „Apollo“

• MPC7457 — 600 bis 1333 MHz, 32 KByte/32 KByte Data/Instruction L1 Cache, 512 KByte L2 Cache on Chip, maximal 2 MByte L3 Cache, Verlustleistung max. 25 Watt

• MPC755 — 300 bis 400 MHz, 32 KByte/32 KByte Data/Instruction L1 Cache, maximal 1 MByte L3 Cache, Verlustleistung max. 8 Watt

Fünfte Generation G5

• 970 G5 64-Bit-Implementierung, abgeleitet vom IBM POWER4, erweitert um VMX (IBMs Äquivalent zu Motorolas AltiVec) mit 1,4 GHz, 1,6 GHz, 1,8 GHz, und 2,0 GHz Taktfrequenz (2003)
• 970FX G5 mit bis zu 2,5 GHz Taktfrequenz (2004), von Apple auf 2,7 GHz übertaktet
• 970MP G5 „Antares“ (2005) Dual Core mit 1,4 bis 2,3 GHz Takt (2005), von Apple auf 2,5 GHz übertaktet
• 970GX G5 (2006) bis zu 3 GHz Takt. Bei 1,6 GHz 16 W Leistungsaufnahme, 85 W bei 3 GHz

Betriebssysteme

• IBM i for Business
• Apple Mac OS ab Version 7.5 und Mac OS X bis 10.5 Leopard
• Darwin bzw. OpenDarwin
• Linux (LinuxPPC)
• Microsoft Windows NT 3.51 und 4.0
• Sun Solaris (Release 2.5.1) bzw. „Polaris“
• IBM AIX
• OS-9
• PikeOS
• INTEGRITY Echtzeitbetriebssystem von Green Hills
• BeOS
• NetBSD
• OpenBSD
• FreeBSD
• AmigaOS (Version 4)
• AROS
• PowerUP/WarpUP PowerPC Kernel (für AmigaOS bis Version 3.9)
• MorphOS
• IBM OS/2 Warp Power Edition
• QNX
• MQX
• MUNIX
• VxWorks

Einzelnachweise

1. ↑ http://www.heise.de/newsticker/meldung/60335 Apple wechselt zur Intel-Plattform
2. ↑ http://www.heise.de/newsticker/meldung/60871 Bericht zur ISC 2005 auf heise.de
3. ↑ http://www.heise.de/newsticker/meldung/892 Meldung bei heise.de vom 13. März 1997

Weblinks

 Commons: PowerPC – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• realworldtech – PowerPC 970GX Vorstellung auf der SSCC 2006 in San Francisco.
• Cnet Interview mit Freescale CEO Michel Mayer über die Zukunft des PowerPC
• Das Linux PPC-Projekt
• PowerPC Prozessoren: Bilder und Beschreibungen auf cpu-collection.de
• Pegasos: CHRP-Rechner, Entwicklung eingestellt
• Efika: einziger verbliebener, frei verfügbarer CHRP-Rechner
• PPCNUX
• Eine Community rund um die POWER-Architektur
• Polaris
• Pegasos Forum – Deutsche Community zum Pegasos PowerPC Project
• MQX Embedded – Homepage vom Embedded OS Distributor MQX
• FreeBSD/ppc Project
• Macinfo – Prozessoren-Übersicht (nicht nur PowerPC)
• Hersteller von Starterkits und Serienmodulen

Freescale/Motorola-Produkte

Industrial Control Unit: 14500 

6800er-Familie: 6800 | 6809 | (Hitachi 6309) 

68000er-Familie: 68000 | 68008 | 68010 | 68012 | 68020 | 68030 | 68040 | 68060 | ColdFire | DragonBall 

88000er-Familie: 88110 | 88200 

Mathematische Koprozessoren: 68881, 68882 

Memory Management Unit: 68451 | 68851 

PowerPC-Familie: PPC 601 | PPC e200 | PPC 603/e300 | PPC 75x | PPC e500 | PPC 74xx/e600 | PPC e700 | PowerQUICC-Familie | QorIQ