Введение
Микропроцессор PowerPC G4 — это наименование, которое ранее использовалось компанией Apple для обозначения четвертого поколения 32-битных микропроцессоров PowerPC. Apple применяла это название к различным (хотя и тесно связанным) моделям процессоров от Freescale, ранее входившей в состав Motorola. Официальное наименование этой линейки процессоров от Motorola и Freescale — PowerPC 74xx. Компьютеры Macintosh, такие как ноутбуки PowerBook G4 и iBook G4, а также настольные компьютеры Power Mac G4 и Power Mac G4 Cube, получили свои названия в честь этого процессора. Процессоры PowerPC G4 также использовались в eMac, Xserve первого поколения, Mac mini первого поколения и iMac G4 до появления PowerPC 970. Apple полностью отказалась от серии G4 для настольных моделей после выбора 64-битного процессора PowerPC 970 производства IBM в качестве основы для серии PowerPC G5. Последней настольной моделью, использовавшей G4, был Mac mini. Последним портативным устройством с G4 был iBook G4, который был заменен на MacBook на базе Intel. PowerBook G4 был заменен на MacBook Pro на базе Intel. Процессоры PowerPC G4 также популярны в других компьютерных системах, таких как серия компьютеров AmigaOne и Pegasos от Genesi. Помимо настольных компьютеров, PowerPC G4 широко используется во встраиваемых системах, таких как маршрутизаторы, телекоммуникационные коммутаторы, системы обработки изображений и мультимедиа, авионика и военные приложения, где можно воспользоваться преимуществами AltiVec и его возможностями SMP.
PowerPC G4 is a designation formerly used by Apple to describe a fourth generation of 32 bit PowerPC microprocessors. Apple has applied this name to various (though closely related) processor models from Freescale, a former part of Motorola. Motorola and Freescale's proper name of this family of processors is PowerPC 74xx. Macintosh computers such as the PowerBook G4 and iBook G4 laptops and the Power Mac G4 and Power Mac G4 Cube desktops all took their name from the processor. PowerPC G4 processors were also used in the eMac, first generation Xserves, first generation Mac Minis, and the iMac G4 before the introduction of the PowerPC 970. Apple completely phased out the G4 series for desktop models after it selected the 64 bit IBM produced PowerPC 970 processor as the basis for its PowerPC G5 series. The last desktop model that used the G4 was the Mac Mini. The last portable to use the G4 was the iBook G4, which was replaced by the Intel based MacBook. The PowerBook G4 was replaced by the Intel based MacBook Pro. The PowerPC G4 processors are also popular in other computer systems, such as the AmigaOne series of computers and the Pegasos from Genesi. Besides desktop computers the PowerPC G4 is popular in embedded environments, like routers, telecom switches, imaging, media processing, avionics and military applications, where one can take advantage of the AltiVec and its SMP capabilities.
PowerPC 7400
PowerPC 7400 (кодовое название "Max") дебютировал в августе 1999 года и стал первым процессором, получившим обозначение "G4". Чип работает на частотах от 350 до 500 МГц и содержит 10,5 миллионов транзисторов, изготовленных по технологии Motorola HiPerMOS6 с использованием норм 0,20 мкм. Размер кристалла составляет 83 мм², он оснащен медными межсоединениями. Motorola обещала Apple поставлять компоненты с частотой до 500 МГц, но первоначально урожайность оказалась слишком низкой. Это вынудило Apple отозвать с рынка заявленные 500-мегагерцовые модели Power Mac G4. Серия Power Mac была оперативно переведена с процессоров на 400, 450 и 500 МГц на 350, 400 и 450 МГц, пока проблемы с чипом не были решены. Этот инцидент привел к ухудшению отношений между Apple и Motorola, и, по сообщениям, побудил Apple обратиться к IBM за помощью в повышении объемов производства на линии Motorola 7400. Модель 500 МГц была вновь представлена 16 февраля 2000 года.
Дизайн
Большая часть разработки 7400 была выполнена компанией Motorola в тесном сотрудничестве с Apple и IBM. IBM, третий участник альянса AIM, спроектировала чип совместно с Motorola в своем конструкторском центре в Сомерсете, но отказалась от его производства, поскольку в то время не видела необходимости в блоке векторной обработки. В конечном итоге, в архитектуре G4 был реализован 128-битный блок векторной обработки, обозначенный Motorola как AltiVec, в то время как в маркетинговых материалах Apple он назывался "Velocity Engine". PowerPC 970 (G5) стал первым CPU, произведенным IBM, с реализацией VMX/AltiVec, для которого IBM повторно использовала старую конструкцию 7400, сохранившуюся у них после совместной разработки с Motorola в Сомерсете. Процессор Xenon в Xbox 360 также оснащен VMX с добавленными проприетарными расширениями, разработанными специально для Microsoft. POWER6, представленный в 2007 году, является первым "серверным" процессором IBM с реализацией VMX. Благодаря блоку AltiVec, микропроцессор 7400 способен выполнять четырехпоточные вычисления с плавающей запятой одинарной точности (32 бита), или 16-поточные 8-битные, 8-поточные 16-битные или четырехпоточные 32-битные целочисленные вычисления за один цикл. Более того, блок векторной обработки является суперскалярным и может выполнять две векторные операции одновременно. По сравнению с микропроцессорами Intel x86 того времени, эта функция обеспечивала существенный прирост производительности для приложений, разработанных с использованием блока AltiVec. Примерами служат Adobe Photoshop, использующий блок AltiVec для ускоренной отрисовки эффектов и переходов, и пакет iLife от Apple, использующий блок для импорта и конвертации файлов "на лету". Кроме того, 7400 обладает улучшенной поддержкой симметричной мультипроцессорности (SMP) благодаря усовершенствованному протоколу когерентности кэша (MERSI) и 64-битному блоку с плавающей запятой (FPU), частично основанному на серии 604. Серия 603 имела 32-битный FPU, для выполнения 64-битной арифметики с плавающей запятой требовалось два тактовых цикла. Семейство PowerPC G4 поддерживает две технологии шин: более старую шину 60x, которую оно разделяет с семействами PowerPC 600 и PowerPC 7xx, и более продвинутую шину MPX. Устройства, использующие шину 60x, могут быть совместимы с процессорами 6xx или 7xx, что обеспечивает широкий выбор предложений и четкий, недорогой путь модернизации при минимальных проблемах совместимости. В настоящее время существует две основные компании, производящие системные контроллеры для компьютеров 7xx и 7xxx: Tundra с контроллерами Tsi1xx и Marvell с контроллерами Discovery.
PowerPC 7410
PowerPC 7410 "Nitro" – это энергоэффективная версия 7400, но она была изготовлена по техпроцессу 180 нм вместо 200 нм. Как и 7400, он содержит 10,5 миллионов транзисторов. Он впервые был представлен в PowerBook G4 9 января 2001 года. Этот чип обеспечил возможность использования всего или половины кэша в качестве высокоскоростной, некэшируемой памяти, отображаемой в физическое адресное пространство процессора по требованию. Данной функцией пользовались производители встраиваемых систем, такие как Mercury Computer Systems.
PowerPC 7450
PowerPC 7450 "Voyager"/"V'ger" был единственной значительной переработкой процессора G4. Этот 33-миллионный транзисторный чип значительно расширил конвейер выполнения команд по сравнению с 7400 (7 против минимум 4 стадий) для достижения более высоких тактовых частот, улучшил пропускную способность инструкций (3 + ветвления против 2 + ветвлений за цикл) для компенсации повышенной задержки инструкций, заменил внешний L2 кэш (до 2 МБ с ассоциативным отображением 2-х путей, 64-битная шина данных) на интегрированный (256 КБ с ассоциативным отображением 8-ми путей, 256-битная шина данных), поддерживал внешний L3 кэш (до 2 МБ с ассоциативным отображением 8-ми путей, 64-битная шина данных) и включал множество других архитектурных усовершенствований. Модуль AltiVec был улучшен в 7450: вместо выполнения одной векторной инструкции перестановки и одной векторной инструкции ALU (простые целые, сложные целые, числа с плавающей точкой) за цикл, как в 7400/7410, 7450 и его последователи от Motorola/Freescale могут одновременно выполнять две произвольные векторные инструкции (перестановка, простые целые, сложные целые, числа с плавающей точкой). Он был представлен вместе с Power Mac G4 с частотой 733 МГц 9 января 2001 года. Motorola выпустила промежуточную версию, 7451, под кодовым названием "Аполлон 6", как и 7455. Первые компьютеры AmigaOne XE поставлялись с процессором 7451. Улучшения в дизайне 745x привели к неофициальным прозвищам G4e или G4+, но они так и не стали официальными обозначениями.
PowerPC 7447 и 7457
PowerPC 7447 "Аполлон 7" является незначительной модернизацией по сравнению с 7450/55, имеет 512 КБ L2 кэша на чипе и был изготовлен по 130-нм технологии с использованием SOI, что позволило снизить энергопотребление. Он содержит 58 миллионов транзисторов. В 7447A, который включал в себя встроенный тепловой диод и DFS (динамическое изменение тактовой частоты), компании Freescale удалось достичь немного более высокой тактовой частоты. 7447B по сути является 7447A с еще более широким диапазоном изменения тактовой частоты, с официальной частотой до 1,7 ГГц и возможностью разгона до 2,4 ГГц и выше. 7457 и 7457A имеют дополнительный интерфейс L3 кэша, поддерживающий до 4 МБ L3 кэша, в отличие от 2 МБ, поддерживаемых 7455 и 7450. Однако изменение тактовой частоты остановилось, когда Apple предпочла использовать 7447 вместо 7457, несмотря на то, что 7457 являлся преемником 7455 с поддержкой L3 кэша, который Apple использовала ранее. Единственными компаниями, предлагающими 7457 в качестве обновления для Power Mac G4, iMac G4 и Power Mac G4 Cube, являются Giga Designs, Sonnet Technology, Daystar Technology (они используют 7457 только для обновлений iMac G4) и PowerLogix. Компьютерная платформа Pegasos от Genesi также использует 7447 в Pegasos II/G4. 7457 часто используется для ремонта CPU-модуля AmigaOne XE; некоторые программы AmigaOS с установленным 7457 могут ошибочно определять AmigaOne как компьютер Pegasos II, поскольку Eyetech никогда не выпускала официальных плат 7457.
e600
В 2004 году Freescale переименовала ядро G4 в e600 и переориентировалась с универсальных процессоров на высокопроизводительные встраиваемые SoC, а также представила новую систему наименований MPC86xx. 7448 должен был стать последним чистым G4 и послужил основой для нового ядра e600 с семиступенчатым конвейером с трехканальной выдачей и мощным блоком предсказания переходов, способным выполнять до шестнадцати инструкций вне очереди. Он оснащен улучшенным блоком AltiVec, поддерживающим ограниченное внеочередное исполнение, и кэшем L2 объемом 1 МБ.