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 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.