可擴充處理器架構

可擴展處理器結構（SPARC，Scalable Processor Architecture）是Sun Microsystems的一種32位及64位微處理器結構，它基於精簡指令集計算機（RISC）。SPARC廣泛應用於使用Unix操作系統（包括Sun自身的Solaris系統）的硬件。Sun已經把SPARC作為一個公開的結構讓微處理器製造商使用。它最近的品牌UltraSPARC可用於面向PC板以及SPARC的原始工作站市場的微處理器製造 ^[1]  。

可以説SPRAC跟Unix一起創建了工作站市場。從1987年誕生以來，SPARC結構包括瞭如下思想：

（1）將微處理器必須執行的指令的數量減少到最少。

（2）減少微處理器需要處理的內存地址的種類。

（3）儘量在微碼中加入最少的處理器操作。

（4）提供編譯優化SPARC微處理的語言的編譯器。

SPARC處理器策略主要有以下幾個方面。

SUN認為開放性是技術成功的關鍵。多個銷售商可以激勵革新和合作。多種實現導致市場競爭和兼容產品。寬大的技術許可制度使得易於獲取其技術規範。這些方法結合起來，增強了規範和實現的開放性。

SUN的高度成功的計算模型的核心是開放技術。隨着開放系統為廣泛的產業接受，SUN已放寬了對整個系

統級和CUP元件技術的控制。為了便利開放許可證制度，SUN提供如下關鍵要素：

（1）對所有級別技術的獲取—CPU、支持ASIC、總線、接口和電路板設計；

（2）對CPU設計及其開發環境的早期獲取；

（3）對用於設計、測試及製造的系統開發工具的獲取；

（4）標準和派生元件開發的綜合性授權。

SPARC體系結構導致半導體與設計可升級性的獨特結合。使用它的多處理器功能、高帶寬總線支持、寄存器窗口設計，SPARC設計可通過一系列性能價格比級別來實現。

（1）單處理器與多處理器設計

SPARC設計結合了一個整型量單元和一個浮點單元。它為用户應用程序假定一個線性32位虛地址空間，為

系統體系結構優化假定一個靈活的數據總線尺寸。

SPARC為浮點單元(FPU)定義了指令、寄存器結構及數據類型。FPU支持單、雙、四精度操作數和操作，使用32個32位寄存器，FPU寄存器能保存32個單精度、16個雙精度或8個四精度值。SPARC浮點裝入和保存雙操作能幫助改善雙和四精度程序的性能。

（2）處理器總線

SPARC體系結構通過使用複雜的總線設計來減少衝突和等待時間以提高性能。寄存器之間的信息傳輸通過數

據總線。總線作為所有系統的供給中心，為處理器、高速緩存、輸入/輸出設備、ALU、轉換後援緩衝區(TLB)及其它系統部件提供數據。

（3）高速緩存

為與處理器週期時間一致，要求處理器與存儲器系統緊耦合。高速緩存通過提供更快的數據存取而改善性能

(比存儲器存取需要較少的週期)。幾個高速緩存體系結構是有效的(單獨或結合使用)，包括集合關聯、分離數據和指令高速緩存、直接映射高速緩存體制。集合關聯要求集合元素為多種形式的，潛在地增加週期時間。直接映射體制是非多樣化的，允許高速緩存簡單和快速。分離數據和指令高速緩存允許同時從兩個高速緩存獲取數據。

（4）存儲器管理能力

SPARC處理器通過一個虛擬存取高速緩存訪問主存儲器。虛擬存儲器是一種方法，通過它，應用程序假定整個32位地址空間可用。虛地址高速緩存屏蔽處理的物理存儲器配置與機器的依賴性。存儲器管理單元實現虛擬存儲器並轉換每個運行進程的虛地址到存儲器的物理地址 ^[2]  。

1987年，SUN和TI公司合作開發了RISC微處理器—SPARC。SPARC微處理器最突出的特點就是它的可擴展性，這是業界出現的第一款有可擴展性功能的微處理。SPARC的推出為SUN贏得了高端微處理器市場的領先地位。

與SPARC同時產生的還有Sun那句“網絡就是計算機”。當時很多人不能理解Sun的這個論斷，因為那時連個人計算還沒有普及，更不要説是虛浮飄渺的網絡計算了。實踐證明，Sun的這個論斷是正確的。現在的網格、雲計算等，可以説都是來自於Sun的“網絡就是計算機”。

1995年，Sun公司的微處理器技術有了一次質的飛躍。繼 第一款SPARC微處理器之後，Sun推出了64位UltraSPARC I微處理器。UltraSPARC I革新了微處理器的可擴展性和帶寬等工業標準，其頻率達143MHz，採用0.5微米工藝技術，集成了520萬個晶體管。UltraSPARC I的推出加強了Sun在高端微處理器市場的領導地位。

僅僅兩年後，Sun就推出了UltraSPARC I的升級版——UltraSPARC Ⅱ。UltraSPARC Ⅱ芯片頻率為300MHz，採用0.25微米工藝技術，集成了600萬個晶體管，比UltraSPARC I芯片的速度高2.5倍。在數據帶寬方面，UltraSPARC Ⅱ高達1600MB/s，比當時其他同類產品高600MB/s；UltraSPARC Ⅱ的VIS指令集可加速多媒體、圖像處理和網絡等應用。在高性能通信處理器、高檔工作站和服務器等市場，UltraSPARC Ⅱ在各種環境中均能提供業界較高的性能。

1999年，Sun推出了第三代產品—— UltraSPARC Ⅲ，這是SunSPARC微處理器發展歷史上具有里程碑意義的產品。UltraSPARC Ⅲ全面提高了系統應用程序的性能，它的帶寬可達2.4GB，比UltraSPARC Ⅱ高出2倍。首款UltraSPARC Ⅲ微處理器主頻達600MHz，採用了更先進的0.18微米工藝技術，集成了1600萬個晶體管，並與Solaris操作系統和應用軟件兼容。

藉助出眾的存儲器帶寬和多處理器可擴展性，UltraSPARC Ⅲ為電子商務、科學計算和數據開採等高性能計算應用提供了非同尋常的平台。憑藉卓越的性能和Solaris操作環境，UltraSPARC Ⅲ進一步推動了服務器的發展。

UltraSPARC IV是Sun公司的首款雙核處理器， 於2004年上半年推出。Sun緊接着在下半年又推出了UltraSPARC IV+。UltraSPARC IV採用CMT（chipmultithreading，芯片多線程）技術，片上集成了兩個UltraSPARC III的內核、二級Cache的tag體和MCU，外部緩存16MB，每個內核獨享8MB。UltraSPARCIV由德州儀器生產，採用0.13微米工 藝，主頻1.2GHz，功耗100W，和UltraSPARC III管腳兼容，實現系統的平滑升級。UltraSPARC IV+是UltraSPARC IV的0.09微米工藝的升級版本，而且增加了片上高速緩存的容量，主頻1.8GHz。

2005年11月，Sun推出了UltraSPARC T1處理器，其原來的編碼名稱為“Niagara”（尼亞加拉）。UltraSPARC T1處理器採用了基於SPARC的CoolThreads技術，還有一個創新性的8內核技術，每個內核有4個線程，共有32個線程。32個線程等於32個 系統同時工作，這就使多任務能夠並行執行，無需互相等待。UltraSPARC T1芯片節約了能耗並提高了系統的吞吐量，它還利用了Sun具有創新性的CMT(芯片多線程)處理器架構，以確保與Internet的多線程應用環境並駕 齊驅。

UltraSPARC T1還進行大量的創新：它將系統架構放到了芯片上，內部的通信任務就在芯片上完成，數據幾乎不靠金屬傳輸，這樣就獲得了更高的功效和更高的特性；首次將4個內存控制器放到一塊芯片上，芯片就成為了處理內核和內存之間的數據傳輸通路，這樣數據就在被處理的同時迅速傳入芯片；每一個UltraSPARC T1內核相對都很簡單，它生成的熱量很少，這使整個處理器所需功率小於70瓦；採用SunStudio11軟件，將三大創新技術――Solaris10、Java和採用CoolThreads技術的UltraSPARC T1處理器融合在了一起。

SUN公司在推出UltraSparc T1之後，就開始投入代號為“Niagara2”的“UltraSparc T2”處理器的開發。2007年8月，UltraSparc T2正式發佈。UltraSparc T2雖然仍然保持8核心設計，但每個核心可支持的線程數提升到8個。換句話説，UltraSparcT2擁有高達64線程的並行處理能力，比UltraSparc T1整整提升一倍。

另外，UltraSparc T2直接集成了八個獨立的加密加速單元、支持虛擬運行的兩個10Gbps以太網接口和八個PCI-E通道，而浮點單元仍保持精簡設計的原則，數量只有8個。

多線程和虛擬運行是UltraSparcT2的拿手好戲，SUN表示UltraSparc T2的每個線程都可以獨立運行一個操作系統，因此理論上一枚UltraSparc T2處理器可以最多支持64個系統並行運作。而在Web訪問等事務處理中，64線程的UltraSparc T2將具備常規處理器難以達到的超快響應能力。也是為了應對多線程處理的需要，UltraSparc T2配備了4個內存控制器，內存總帶寬將超過50GBps。

得益於65納米工藝，UltraSparc T2的工作頻率提高到了1.4GHz，而平均工作仍保持在70瓦左右，即便全速運行不過為120~130瓦，平均每個線程只需要消費2瓦。“ROCK”

在推遲了一年之後，Sun的16核“Rock”處理器即將在秋季正式推出。Rock是首款針對中端服務器的16核芯片。Rock處理器採用了多線程的新設計，內核數量是Sun目前最快服務器處理器UltraSparc T2的兩倍。這款處理器將主要針對那些處理數據庫等數據密集應用的企業級服務器。

ROCK更多的細節，中關村在線服務器頻道將隨着發佈日子的逼近而逐步為大家揭開其神秘的面紗。

現時最新版本的SPARC為第8及第9版，在2005年12月，Sun方面宣佈其UltraSPARC T1處理器將採用開放源代碼方式。2006年4月12日，sun計算機宣佈完整的UltraSPARC T2處理器已經進行試產。Oracle收購Sun之後，於2010年發佈了UltraSPARC T3。

對於需要在所有應用層都提供高性能、一流可用性和無與倫比的可伸縮性的任務關鍵型應用程序而言，運行Oracle Solaris的Oracle SPARC服務器是一個理想選擇。Oracle制定了一個強有力的計劃，可通過SPARC/Solaris完全二進制兼容性確保最高級別的投資保護，這在二十多年以來的成百上千次部署中得到了驗證。

下面是該版本的優勢：

（1）SPARC服務器為各種企業應用程序提供創世界紀錄的性能；

（2）只需大型機成本的一小部分即可獲得無與倫比的任務關鍵型可靠性；

（3）唯一包含片上加密和Oracle Solaris安全框架的平台；

（4）與Oracle數據庫、業務應用程序、中間件軟件和Oracle優化的解決方案完全集成；

（5）利用全面、內置的零成本虛擬化功能提高系統利用率。