«Все мы — и IBM, и Motorola — твердо уверены, что архитектура PowerPC очень перспективна».
Нэнси Имз

«Что было, то и будет… и нет ничего нового под солнцем».
Екклесиаст

Рождение PowerPC

Десять-пятнадцать лет назад RISC-процессоры фирм MIPS, Sun, Hewlett-Packard, а также более новые архитектуры — DEC Alpha и IBM POWER — обгоняли процессоры Intel в разы. Казалось, что архитектура IA-32 (х86) обречена, а будущее целиком и полностью принадлежит RISC-чипам. Правда, выпущенный в 1993 году Pentium довольно близко подобрался к RISC-процессорам в целочисленных тестах, но отставание в вычислениях с плавающей точкой по-прежнему было огромным. Почему же высокопроизводительные RISC-процессоры при такой разнице в производительности не нашли применения в ПК? Для этого были очень веские причины.

- Несовместимость наборов инструкций (ISA). RISC-процессоры обладают несовместимыми с х86 наборами инструкций, поэтому единственным способом исполнения кода х86 была эмуляция. Тогда (впрочем, как и сейчас) эмуляция означала падение производительности от десятков до сотен процентов, что сводило на нет скоростные преимущества RISC-процессоров. Некоторые фирмы выделяли значительные ресурсы на создание эффективных эмуляторов (например, FX!32 для процессоров DEC Alpha), но скорость их работы все же была неудовлетворительной.

- Программное обеспечение. Традиционной операционной системой для ПК была DOS, под которую написано огромное количество популярных и хорошо знакомых пользователям программ. В дальнейшем к DOS присоединились 16-битные версии Microsoft Windows. Различные RISC-платформы обычно использовали несовместимые между собой разновидности Unix, для которых существовало значительно меньше программ, главным образом научно-технических (для рабочих станций) либо сетевых приложений (для серверов).

- Дороговизна RISC-процессоров и систем на их основе. Хотя первоначальная «идея RISC» подразумевала упрощение процессора за счет уменьшения числа команд и их фиксированной длины, реальные RISC-чипы начала 90-х обычно были крупнее и дороже, чем процессоры Intel. Более того, среди них встречались даже целые наборы из микросхем (IBM POWER), поскольку полупроводниковые технологии тех времен не позволяли разместить на одном кристалле столько транзисторов, сколько требовалось. К тому же шина данных этих процессоров частенько была шириной 128 или даже 256 бит (сравним с 32 битами у i486 и 64 битами у Pentium), что означало усложнение чипсета и системной платы. RISC-процессоры предназначались для рабочих станций стоимостью десятки тысяч долларов, поэтому разработчики могли применять схемотехнические решения, слишком дорогие для использования в ПК. Но даже специальные, «дешевые» варианты RISC-компьютеров стоили гораздо дороже сравнимых с ними Intel-ПК по причине малых объемов производства.

- Отсутствие интереса у самих производителей RISC-систем. Многие «серьезные» фирмы вроде DEC или Sun полагали, что нет нужды удешевлять свои RISC-станции, потому что пользователи все равно выберут их системы из-за очевидных технических преимуществ.

Тем не менее, идея создать недорогой, но мощный RISC-процессор и платформу для него буквально витала в воздухе. В идеале пользователи получили бы высокопроизводительный процессор, масштабируемую платформу, лишенную архаичного наследия IBM PC (вроде шины ISA), способность работать с широким спектром многозадачных операционных систем — Unix, Mac OS, OS/2 (в перспективе Windows NT) — и все эти прелести за цену обычного PC. Производителю новых процессоров досталась бы львиная доля громадного рынка процессоров для ПК (Intel пришлось бы стать достоянием истории), а компании, продающие компьютеры с RISC-процессорами, смогли бы потеснить традиционных партнеров Intel — таких как Dell и Compaq. Видимо, подобными соображениями руководствовались Apple, Motorola и IBM, когда в 1991 году основали альянс PowerPC (AIM Alliance, по первым буквам входящих в альянс фирм). Целью этой организации была разработка стандартов на процессоры PowerPC (так назвали новорожденную RISC-архитектуру) и платформ для них. После трех лет работы на свет появилась спецификация PowerPC Platform (PPCP) — детальное описание аппаратных и программных средств новой платформы. Спецификация включала в себя описание драйверов устройств, firmware, сервисов абстракции времени исполнения и уровней абстракции аппаратуры. Теперь каждый желающий мог создавать компьютеры с процессорами PowerPC, разрабатывать периферийные устройства для этой платформы и портировать операционные системы. За основу был взят набор команд RISC-архитектуры IBM POWER, и первым процессором, созданным усилиями альянса, стал 32-разрядный PowerPC 601 — по сути, выполненный на одном кристалле IBM POWER1.

Выпущенный почти одновременно с Intel Pentium (1993 год), он выглядел неплохо — на частоте 66 МГц опережал процессор Intel в тесте SPECfp92 на 26% и уступал 4% в SPECint92. При этом тепловыделение PowerPC было вдвое ниже, а площадь кристалла — в 2,2 раза меньше, чем у Intel Pentium (оба процессора изготавливались по 0,6-мкм технологическому процессу). За PowerPC 601 последовали PowerPC 603 и 603e, PowerPC 604… G3, G4. До появления архитектуры Intel NetBurst процессоры PowerPC почти всегда превосходили чипы Intel в скорости вычислений с плавающей точкой на десятки процентов, при этом рассеивая намного меньшую мощность. Почему же «RISC-революция» не состоялась, а процессоров Intel сегодня продается в десятки раз больше, чем PowerPC?

«Слишком дорогие и слишком медленные»

Промедление в IT смерти подобно, но альянс PowerPC не слишком торопился с выводом новых машин на рынок. Самая быстрая реакция оказалась у Apple — ее настольные компьютеры и ноутбуки почти сразу были переведены с умирающей линейки процессоров Motorola 680x0 на PowerPC. Mac OS, а также значительное число программ для этой операционной системы были оперативно портированы на платформу PowerPC. В течение довольно продолжительного времени единственными доступными ПК с процессорами PowerPC были только компьютеры Apple.

 IBM очень долго разрабатывала версию OS/2 для PowerPC, из-за чего слишком затянула с выпуском этих машин. Системы IBM, Motorola и немногих фирм-производителей клонов в основном работали под управлением Windows NT, хотя в то время, когда они появились на рынке (1995 год), были доступны Linux и некоторые версии Unix, включая IBM AIX. Основной проблемой машин на PowerPC была высокая стоимость — хотя процессоры, на которых они работали, зачастую были дешевле, чем конкурирующие с ними чипы Intel. Трудность заключалась в узком рынке комплектующих — небольшие объемы производства приводили к тому, что цены на машины PowerPC были на 30–50% выше, чем у аналогичных компьютеров с процессорами Intel. Кроме того, компьютеры PowerPC, как правило, работали гораздо медленнее машин с процессорами Pentium в приложениях вроде Microsoft Office — причем нередко отставание составляло десятки и сотни процентов (видимо, вследствие плохой оптимизации). Большинству потенциальных покупателей PowerPC было трудно объяснить, зачем они должны покупать машины, осуществляющие, скажем, проверку правописания в Word вдвое медленнее, чем более дешевые компьютеры Intel.

Суперскалярность, внеочередное исполнение команд, переименование регистров — эти техники использовали как разработчики RISC-процессоров, так и х86 (Intel, AMD), и разница в производительности между PowerPC и x86 стремительно сокращалась. Больше того, оказалось, что ISA x86 может быть «оперативно» и весьма эффективно расширена путем введения дополнительных наборов инструкций — MMX, 3DNow!, SSE, SSE2, при этом сохраняя совместимость с ранними процессорами и гигантским количеством скомпилированных для x86 программ. Открытая архитектура PowerPC как конкурент IA-32 (x86) погибла, не успев расцвести, — уже в 1996 году IBM заявила, что будет использовать вместо PowerPC процессоры Intel в своих высокопроизводительных ПК. В 1998 году из всех крупных поставщиков компьютеров с процессорами PowerPC осталась лишь Apple, и в Microsoft посчитали ненужным создавать версии Windows NT 5.0 (2000) для этой платформы. Фактически это было подтверждением провала PowerPC и срыва амбициозных планов альянса AIM. Но хотя процессоры PowerPC и потерпели поражение в схватке с продуктами Intel и AMD, для них нашлись другие применения.

Процессоры не для компьютеров

Когда дым над полем боя рассеялся и корпорации посчитали убытки (1996–97 гг.), оказалось, что архитектура PowerPC может с успехом применяться на рынке встраиваемых процессоров (embedded processors) — своеобразном «кладбище» для некогда быстрых CPU. Под этим термином скрывается широкий класс вычислительных устройств, предназначенных для управления разного рода аппаратурой, не относящейся к компьютерам в обычном понимании этого слова. Встраиваемые процессоры используются в сетевых маршрутизаторах, промышленных роботах и установках, цифровых видеокамерах, плейерах и т. д. Обычно это сравнительно медленные процессоры с небольшим энергопотреблением, часто интегрированные с контроллером памяти и другими интерфейсами. Motorola и IBM активно действуют на этом рынке, предлагая широкий спектр процессоров, в том числе версии популярных в свое время PowerPC 603 и 604. Самый быстрый PowerPC от IBM — PowerPC 750FX 1 ГГц с рассеиваемой мощностью 5,6 Вт, разработанный для рынка встроенных процессоров, откровенно слаб для настольных компьютеров. Motorola никогда не бросала Apple на произвол судьбы, и ее самый быстрый 0,13-мкм MPC7455 1,42 ГГц (G4) применяется во флагманских Apple PowerMac. Процессоры G4 в свое время успешно конкурировали с Pentium III, но сегодня они выглядят архаично. Apple использует все возможности G4, чтобы продолжить борьбу с Wintel-ПК — PowerMac стандартно оснащаются двумя процессорами и двухмегабайтным кэшем третьего уровня DDR SRAM, — однако результат не впечатляет. Да, эти компьютеры способны оторваться от Pentium 4 при выполнении некоторых, специально оптимизированных фильтров Photoshop, но вы нигде не найдете официальных результатов таких общепринятых процессорных тестов, как SPEC CPU, потому что они разгромны. В очень многих случаях Apple PowerMac значительно уступают машинам с процессорами Intel/AMD, в частности в интенсивных вычислениях с плавающей точкой, в том числе рендеринге и играх. Возникают серьезные сомнения в способности Motorola выдерживать темп процессорной гонки, заданный Intel. Разговоры о «суперпроцессоре» G5 идут уже почти два года, однако уже ясно, что ожидать его появления в этом году не стоит. Пока Motorola готовится к выпуску очередной ревизии G4, IBM собирается взорвать сонное царство PowerPC своим 64-разрядным процессором PowerPC 970, начало поставок которого ожидается в третьем квартале текущего года.