PowerPC 简史 碌：烽火连天 颓势初显

血月之下·鬼城凶变

前文已经提到，1997 年末苹果凭借着 PowerPC G3 的强大性能以及出色的能耗比，加上乔布斯大刀阔斧的改革，使公司涅槃重生，再度腾飞。但乔布斯并不满足于此，来年随着资金的日益充足，一大批搭载新一代 PowerPC、设计优美的产品接连问世；至于对面的英特尔，精于营销的乔布斯也为他们准备了大礼。

营销攻势

趁着 PowerPC G3 的性能优势，乔布斯以 Think Different 为口号，开启了新一轮营销：通过大量令人印象深刻的广告，例如将奔腾 II 放在蜗牛背上来树立 G3 比奔腾 II 优异的产品形象，宣传语「G3 比奔腾 II 快两倍」更是遍布大街小巷。

蜗牛驮着奔腾 II 以表明其运行的缓慢

晶圆厂中常见的工作服「Bunny Suit」曾于 1997 年被英特尔当成了广告材料：在第三十一届超级碗上，为了营销奔腾 MMX，穿着五彩缤纷「Bunny Suit」的「Bunny People」在视频中随着流行音乐跳起了迪斯科，并获得巨大成功。从此「Bunny People」成为了英特尔的代名词，自然也出现在奔腾 II 的宣传中。

针对此，苹果的营销达人们也出奇制胜：其中一位「Bunny People」被 PowerPC G3 的强大性能所灼伤，以至于引来了消防员拿着灭火器对其一顿狂喷，加上广告中略带轻佻的道歉声，可谓是损到了极点。

英特尔的奔腾 II 广告「左」与苹果的反讽「右」

全新 PowerBook G3 的广告则相比前两者更为直接：只见一台压路机在一排满是搭载奔腾芯片的笔记本电脑中横冲直撞，刹那间 PC 电脑火光四射、碎屑横飞，广告里的男中音则缓缓地说道「整个奔腾世界刚被夷为平地」。

当时拍摄笔电被压出火花的时刻「左」与被碾平后的特写「右」

乔布斯在冷嘲热讽英特尔的同时，也没忘了专注于产品，在天才设计师乔纳森·艾维的构思下，传奇的 iMac 系列就此诞生，在半透明外壳与蛋形机身让大众侧目的同时，极高的易用性也令其加分不少，开卖仅六周就达到了近 30 万台的销量，让公司彻底从泥潭中走了出来、并脱胎换骨。

出类拔萃的设计让 iMac G3 俨然成了那个时代的视觉标志

尽管初代 iMac 只搭载了一颗 233MHz 的 PowerPC G3，但乔布斯仍认为其远远胜过英特尔机型，不仅在发布会上继续宣称其速度比奔腾 II 快两倍，甚至搬出 Byte 杂志的数据加以证明：若想达到相同性能，英特尔的芯片频率必须是 PowerPC 的两倍才行，而他们「Of course can’t even make one of those」

大会上乔布斯的夸张比较

但大众没想到的是，乔布斯的「两倍性能」宣传有断章取义之嫌：在 BYTEmarks 测试中，G3 仅在整数运算方面有着近 80% 的优势，这也是大多情况下乔布斯只展示整数性能的原因。但在浮点运算方面，其与英特尔差距并不大，相同频率下仅快了不到 30%。

Byte 杂志对二者整数、浮点的测试，可见 G3 相比奔腾 II 分别快了 78% 与 15%

并且一向对 Mac 友好的 BYTEmark 此刻也危如累卵：其母公司 Byte 杂志于 1998 年 8 月被收购停刊。从此能比较 PowerPC 与 x86 阵营性能差异的综合基准测试也只剩下了 SPEC95 一项，在该测试中，G3 与奔腾 II 整数、浮点的差距仅为 14% 与 30%¹，随着后续奔腾 II 的奋起直追，这样的差距将进一步缩小。

帝国反击战

正当苹果洋洋得意之时，英特尔却在短短几个月的时间内打出了一场绝佳的反击战，随着新工艺的日新月异，一大批新一代芯片的到来将对处于领先地位的 PowerPC 发起挑战。

新工艺 P856 的成熟对英特尔而言具有里程碑式的意义：之前很长一段时间栅极长度都代表着工艺密度的高低，但从该工艺开始栅极长度的微缩程度开始加快，从此 250nm、180nm 等数据都无法反应晶体管的任一实际尺寸，这一影响延续至今。

若与 G3 使用的 CMOS-6S2 工艺相比，新 P856 工艺也后来居上，在各项参数上均占据优势。

新 P856 工艺的栅极长度「红色标注」为 200nm，已小于该 250nm 节点

在新工艺的光辉下，首先登场的是代号为「Deschutes」的奔腾 II，于 1998 年 1 月亮相，相比初代奔腾 II，其 Die 面积从 203mm² 缩小了近一倍，仅为 113mm²，部分型号还采用了全新的「倒装芯片」封装技术。

采用了「倒装芯片」封装的奔腾 II

尽管 IBM 开展此封装技术由来已久²，但这对于英特尔而言尚属首次，相比「引线键合」其电路连接路径更短，无论是信号延迟、传输速度、还是散热能力都有了极大提高，并且没有了「引线键合」繁多的导线，其整体尺寸也进一步缩小³。

引线键合封装「上」与倒装芯片封装「下」的比较

得益于工艺的提升⁴，新芯片的功耗大幅降低：其可以在 1.8V 的低电压下运行，低于 PowerPC G3 所用的 2.5V，并且核心功耗能在相同频率下比上代降低 75% 之多，或在相同功耗下速度提升一倍。

性能层面其也有了大跃进：频率可达 450MHz，并能成功超频到 500MHz，离乔布斯所谓的「不可能」已经近在咫尺，并且 350MHz 以上型号其总线也从 66MHz 提高到了 100MHz，性能得到更好发挥，在 SPEC95 测试中相比初代奔腾 II 整数提升 36%、浮点提升 68%⁵。

各型号性能提升幅度对比，可见 350MHz 型在 100MHz 总线加持下，性能提升幅度远超频率提升幅度

如此强大的性能令新奔腾 II 在 SPEC95 测试中一举超过了乔布斯引以为傲的 PowerPC G3，同时功耗相比前代降低了 1/3⁶，虽然与功耗个位数的 G3 相比依旧「炙手可热」，但已大幅缩短两者的差距。

G3 与新奔腾 II 的 SPEC int95「左」以及 SPEC fp95「右」测试对比

而面对自己另一对手：AMD 在低端市场的蓬勃发展，英特尔祭出了「Celeron」这一全新品牌，即赛扬处理器，与奔腾 II 形成高低搭配抢占市场。

第一款赛扬实际上是新奔腾 II 的低频版：频率仅为 266MHz，且没有 L2 缓存，这自然限制了其性能发挥，但胜在价格低廉：相比动辄五百美元以上的奔腾 II，其仅售一百多美元，性价非常高。

第一款赛扬芯片，代号为「Covington」

当然这样的性能是无法匹敌 PowerPC G3 的，乔布斯也深知这一点，抓着赛扬「Celeron」与芹菜「Celery」谐音这一点穷追猛打，然后摆参数列数据，多次在大会上嘲讽赛扬芯片的糟糕，试图让英特尔难堪。

Celeron 这一品牌在乔布斯那里成了「芹菜」的代名词

但更棘手的还在后面，英特尔开始打起了价格战：在推出新奔腾 II、赛扬后的短短几个月，价格就开始一路走低：到了 1998 第四季度，主流奔腾 II 降幅已经达到了 40% 之巨，而赛扬更是低到了 86 美元的「白菜价」。

尽管这一通操作主要是为了针对当时风头正盛的 AMD K7 处理器，但对 PowerPC 而言也绝非祥瑞之兆：不同于众多 OEM 厂商能在英特尔、AMD 中做出选择，苹果全系仅采用 PowerPC 芯片，供应商也只有 IBM 和 Motorola，议价能力相当薄弱，虽然 PowerPC 性价比仍旧不低，但面对英特尔如此疯狂的价格战，渴求利润的乔布斯心中难免再起波澜。

几个月来英特尔芯片的降价趋势

晴天霹雳

在 PowerPC 与一日千里的新奔腾 II 激战正酣之时，Motorola 这边也为了推广 PowerPC 而殚精竭虑，自从 1997 年 Windows NT 彻底抛弃 PowerPC 芯片后， Motorola 和微软就宣布将继续合作，并在未来推出在 PowerPC 上运行的 Windows CE 掌上机。

但显然，这一宏大愿景更像是给 PowerPC 支持者们的一针安慰剂，虽然 Windows CE 于 1997 年 9 月加入了对 PowerPC 的支持，但几乎没有任何相关设备产出，这一计划就这么胎死腹中了。

作为最后支持 PowerPC 的 Win 系统，Motorola 并未能把握住机会

但 Motorola 并未气馁，其于 1998 年在汽车控制器领域再掀波澜：生产出一款超大型芯片：PowerPC 555，在 350nm 工艺下，Die 面积高达 150mm²，这不仅是 PowerPC 有史以来最大，更是 Motorola 这家公司成立以来所生产最大、最复杂的芯片，足见其在这方面的雄心。

若进入内部，其架构设计也别具一格：晶体管数量为 670 万，相比 G3 的 640 万还要略高，而其中有 360 万、即一半多晶体管都用来放置 448KB 超大容量闪存，整个芯片能在 40° 至 120° 下稳定运行，能将之直接安装在汽车发动机缸体上，并同时配备了诸多 I/O 以迎合该领域需求⁷。

MPC 555「左」及其 Die shot「右」可见其巨大的 Flash

但最终，命运女神并未眷顾这一独具匠心的芯片，单就性能而言，其核心运行频率仅为 40MHz，并且由于没有配备缓存，读取数据时只能让延迟高达 50ns 的闪存担当重任⁸，性能发挥受限，外加高达 45 美元的价格。被 Microprocessor Report 期刊评为「大多数硬件工程师见过的最大、最糟糕的可编程定时器」。

尽管用几何平均法来计算 EEMBC 基准测试得出的性能成绩并不准确，但仍可见 PowerPC 555 性能的孱弱

这还不算完，此时祸不单行的 Motorola 正面临着一场危机：1998 对于 Motorola 而言可不是个吉利的数字，在这一年，这家如日中天的大公司灾患丛生、厄运连连。

随着 2G 时代逐步临近，Motorola 最擅长的 1G 领域惨遭蚕食，手机市场份额从四年前 60% 一路掉到 34%，被诺基亚等后起之秀超越；投资了近 50 亿美元的铱星计划运营初就遭遇了史无前例的滑铁卢；而 1997 年的亚洲金融风暴更是让其雪上加霜。

Motorola 在 1995 年盈利达到高峰后就一路下跌，而这次三者相辅相成，直接导致公司财务自 1985 年来首次出现亏损，金额高达 14 亿美元。

从左至右分别是 Motorola 1998 年的税前收益、摊薄每股收益、平均投入资本回报率，可见都已成负数

面对如此严峻的形势，Motorola 也采取了紧急措施：其于夏季宣布了公司重组计划，裁员 15000 人以节省开支，前前后后共花费 19.5 亿美元，试图让这艘科技界的航空母舰重新焕发生机。

但正所谓大厦将倾，一木难支，面对陷入危机的 Motorola，刚刚有所起色的半导体部门也因外部市场的疲软难以独善其身，开始由盛转衰：原有的 23 个产品线被砍到只有 4 个、关闭了位于加利福尼亚、德克萨斯、亚利桑那、北卡罗来纳、菲律宾等地的大量工厂。

面对外界的关注，Motorola 表示「未来相当长一段时间内不会建设新晶圆厂」，并在三年内大幅提高外包产量的比重：从之前的 6% 上升至 50%。而在一年后，甚至以 16 亿美元出售了其一部分半导体业务，使其更加专注于嵌入式市场。

而这对在与英特尔对抗中尚处优势地位的 PowerPC 而言可是晴天霹雳：其半导体部门的削减意味着 PowerPC 等桌面级芯片将逐渐被忽视，这无疑给未来 PowerPC 的发展再度蒙上一层阴影。

攀登 400MHz

正在 Motorola 努力摆脱困境时，另一旁的 IBM 却在芯片制造上获得了一项重大成就：铜互联工艺。

当各大芯片制造厂商沿着摩尔定律一路高歌之时，藏匿在物理定律之下的危机逐渐显现，首当其冲的就是金属互联层：当微缩到一定程度、且有电位差时，金属间就会产生电容效应，导致信号泄漏或串扰；并且随着横截面的缩小，就算金属长度有了缩短，电阻也会不降反增。

金属间距过小导致的电容效应，引发一系列信号泄漏、串扰问题

这一影响在 250nm 工艺上已经有了体现：随着宽度又缩小 50%，为了尽量不让电阻增加，金属厚度不得不提升 50% 来保持横截面积，但这仍然让电阻提升了 33%；并且提升厚度也会让电容效应愈发明显，导致性能下降。二者相加，金属互联层传输速度已经无法与晶体管开关速度同步增加，频率也难以进一步提高，并且未来几无改进的空间。

500nm「左」与 250nm「右」工艺金属层的对比

针对此，各家都八仙过海、各显神通，而 IBM 则率先提出了自己的解决方案：在较低的金属互联层中将普遍采用的铝改为电阻率更小的铜。这样一来，不仅使电阻降低 40%⁹，芯片的频率也能提升 15%，熔点也增加了 64%¹⁰，可靠性更是得以大幅提高 100 倍。

使用铜互联工艺对互联层的延迟「左」以及频率「右」的影响，可见其显著优于铝

但理想很丰满，现实很骨感，使用铜互联工艺将会遇到数不尽的工程难题¹¹，英特尔等其他厂商都对该项技术持谨慎态度，均放缓了这一巨大转变，在 220nm、180nm 等节点上依旧采用铝作为金属互联层主要材料。

而 IBM 则一马当先，率先攻克所有难关、宣布了自家的全新工艺 CMOS-7S 与 8S，对这项巨大成就，各界给予了极高评价，圣何塞水星报甚至认为 IBM 这一技术「使其领先竞争对手三年」。

「这是芯片制造行业几十年来一直没有取得的突破性技术进步」IBM 研究副总裁兰迪·艾萨克骄傲地说道「我认为这是自 35 年前集成电路发明以来最大的进步之一」。

而另一边的 Motorola 此刻也没闲着，为了与 IBM 同步、保证 PowerPC 未来的发展，其也曝光了铜互联工艺：HIP5 与 HIP 6，各项指标与 IBM 几乎完全相同，但生产日期相对滞后半年至一年。

各大厂商新工艺的参数对比

消息传到苹果公司，乔布斯喜出望外，3 月 17 日在会上毫不吝啬地赞扬 IBM 和 Motorola 的出色成绩，并再度说出了「若想超越 400MHz 的 G3 芯片，奔腾 II 的频率必须要到 800MHz 才行」的豪言壮语，表示未来几年 PowerPC 将前程似锦。

而面对媒体对 AIM 联盟内部关系的质疑，乔布斯也予以了坚决回应。

最近我听到了一些谣言，说这些公司之间有矛盾和各种问题，这完全是胡言乱语！与事实相差甚远，我不知道是谁编造了这种东西，但是苹果、Motorola 和 IBM 正在紧密合作，今天你们就会看到一些成果。

至于真相如何，下文将会详细阐明。

这比较愈发地离谱了

而苹果用户们更是欣喜若狂，幻想着这一伟大突破将成为彻底击溃英特尔的绝佳利器，甚至到了不切实际的地步，1998 年 4 月 MacWorld 杂志上刊登了一篇「Look，Up in the Sky…It’s SuperChip！」的文章，作者激动地写道。

有时，最具毁灭性的侮辱就是打扮成称赞的言辞。看看最近 PC 专家们对 PowerPC 的评论吧，这些人居然认为：尽管 PowerPC 在速度、价格方面目前占据优势，但在未来将不可避免地陷入困境，并且英特尔不久就会发布性能远超 G3 的芯片。

行吧，让我们谈谈未来、谈谈速度！当你读到这时，PowerPC 的合作伙伴 IBM 已经完成了一项技术的重大突破。到明年，PowerPC 的运行频率都将达到 1000 兆赫兹！要知道就算那些所谓专家的猜想是真的，1GHz 的 PowerPC 也将更快、更便宜！

Motorola 在 180nm HiPerMOS6 工艺下的六层铜互联

时间到了 1999 年 1 月，铜互联工艺下生产的 PowerPC G3 在大众期待下也如约而至，相比之前，Die 面积缩小了 40%：从 67mm² 微缩至 40mm²。频率从 266MHz 提升至 400MHz，显然 1GHz 这一极度乐观的想法是不可能发生的。

使用铜互联工艺的 PowerPC G3，代号「Lonestar」

但频率的升高外加总线从 66MHz 提高至 100MHz 已经能让其再次与奔腾 II 相媲美¹²，功耗也百尺竿头，更进一步：从之前 7.3W 降到惊人的 5.7W，仅为奔腾 II 的 20%；价格也从 40 美元降至 30 美元，继续在与英特尔的竞争中保持优势地位。

新 G3 与新奔腾 II 的 SPEC int95「左」以及 SPEC fp95「右」测试对比

而乔纳森·艾维与鲁宾斯坦的双剑合璧也使 iMac 优美的设计语言衍生到了桌面平台：PowerMac G3 由此诞生。强大的性能外加无需工具即可访问内部的优点让其大卖，不仅彻底消除了之前产品线冗余且复杂的弊病，更是成为了那个时代的设计标杆。

PowerMac 极其独特的打开方式，由于 G3 的低功耗，仅有一小块散热鳍片贴附其上

而 Motorola 则在老旧的铝互联工艺的基础上进行改进¹³，也让 G3 的 Die 面积微缩至 51mm²，频率提高到 366MHz，性能与 400MHz 的新奔腾 II 不相上下，功耗仅为 5.8W，与 IBM 的全新工艺一道构筑了新一代 G3 产品线。

如此低的功耗也让苹果更新笔记本产品线成为了可能，在著名的初代 iBook 中，就搭载了 Motorola 生产的新 G3 芯片，在提供「iMac to go」性能的同时保证了六小时的续航成绩¹⁴，加之一以贯之的设计风格和对 Wi-Fi 的支持，让其与 iMac、PowerMac 一并让苹果的市场份额翻了一番，达 11.2%，盈利 61 亿美元。

iBook 的宣传图

征服太空

除了在苹果阵营大放异彩，G3 也凭借着可靠性、低功耗等优点成功「破圈」，英国 BAE 公司基于 PowerPC G3 打造出了专用于航天的 RAD 750 系统，取代了 PowerPC 的先祖：IBM 的 POWER1，成为了航天界的新宠。

在 RAD 750 系统上的 PowerPC G3 芯片

与追求高性能的个人电脑市场不同，太空中条件恶劣：空气稀薄、远离地球，且致命的射线会让电子设备造成不可逆的损伤，这对散热、可靠性、抗辐射性能提出了更高的要求：RAD 750 系统平时功耗仅 5W 左右，能在 -55°C 至 125°C 的温度条件下稳定运行，并能承受 2000 至 10000 戈瑞的辐射剂量，相比人类的 4 戈瑞高出上千倍。

RAD 750 单板计算机，单价为 20 万美金

由于 G3 相比 POWER1 在性能层面有着云泥之别：晶体管数量从 110 万增加到 1040 万，频率也从 33MHz 上升到 200MHz，相比每秒只能运行 3500 万条指令的 POWER1，其运行速度快了十倍，每秒能运行 4 亿条指令，同时功耗依旧维持在 10W 以下。

2005 年 1 月 12 日，深度撞击号彗星探测器发射成功，其首次搭载了 RAD 750 系统，并且使用了两台作为冗余，每个系统都配备了 309MB 的内存，标志着 RAD 750 系统开始正式投入使用。

深度撞击号彗星探测器「左」及其撞击彗星时的画面「右」

但即使可靠性如此之高的 RAD 750，在环境险恶的太空中依旧很难安然无恙，例如携带两个 RAD 750 系统的好奇号火星车于 2012 年 8 月着陆后仅仅半年，在 2013 年 2 月，其 A 面的内存就出现问题，不得不靠着 B 面继续运转，而在 2018 年 10 月又因为内存问题再度切换至 A 面，这种「反复横跳」也是当代太空项目艰难险阻的一个缩影。

RAD 750 中的 PowerPC G3「左」与好奇号火星车「右」其包含了两个单板计算机以提高容错率

尽管如此，作为当时最好的太空微处理器，RAD 750 依旧是众多航天项目的不二选择，2005 年后，搭载 RAD 750 的一系列航天器：从开普勒太空望远镜一直到 2022 年投入使用的詹姆斯韦伯太空望远镜无所不包。并且随着新一代 RAD 510 系统的逐步推广，在可见的未来，PowerPC 架构在航天领域的地位依旧难以替代。

以小见大

除了在工艺和航天领域大有长进，随着专用于嵌入式的 Book E 标准¹⁵发布以及 PowerPC 405 和 440 系列的相继推出，形成高低搭配，PowerPC 在嵌入式、超算等领域再次崭露头角。

不同于 PowerPC 项目由驻扎在萨默塞特的 IBM、Motorola 工程师合力领导完成，其嵌入式项目在 IBM 一直由 Thomas Sartorius 一人统筹安排，而这位杰出的芯片架构师将带领 PowerPC 400 系列走向辉煌。

Thomas Sartorius，曾任 PowerPC 400 系列的首席架构师，后又为高通骁龙系列的首席架构师

先看 PowerPC 405 核心，其代表芯片 PowerPC 405GP 于 1999 年发布，在架构设计上有了大幅改进，首次加入了 CoreConnect 总线，其由处理器本地总线、片上外设总线构成，运行的频率分别为核心的 1/2 和 1/4，从此奠定了未来嵌入式 PowerPC 内外总线的基础架构¹⁶。

405GP 的架构图，其最大的改进是加入了一系列外设控制器以及 64bit 的 CoreConnect 总线

而在性能层面，405GP 也大幅改进，相比前代 403 仅为 50MHz 的频率，其能在 200MHz 下运行，IBM 宣称其运行速度比前代快了 3 倍，并且在 250nm 工艺生产时，Die 面积仅为 49mm²，整体功耗只有 1.1W，单颗芯片售价也仅 41 美元。

PowerPC 405GP「左」及其 Die shot「右」

这样一款高性价比芯片的加入也带来了新一轮采购热潮，小到 Dilog、Dreambox 等各种品牌的机顶盒、大到用于服务器的磁带库控制卡，甚至作为 I/O 控制器在 PlayStation 2 slim 中，到处都有 PowerPC 405GP 的身影。

使用 PowerPC 405GP 的 Dilog DT 550 机顶盒「左」以及 SUN 的 StorageTek SL8500「右」

若 PowerPC 405 在性能方面相比同价位竞品已经足够惊艳，那 1999 年推出的 PowerPC 440 核心则到了登峰造极的境界，其代表产品：PowerPC 440GP 最初就能在 400 MHz 下运行，频率已与新 G3 不相上下，性能相比 405GP 更是有了三倍提升。

而其内部也有了大升级，不仅支持 DDR 内存、处理器本地总线由 64bit 升至 128bit，带宽翻倍，微架构流水线级数也从 403、405 的五级提升至七级，使之更容易在高频下运行，64KB 的 L1 缓存容量甚至等同于 G3， 是一个不折不扣的超标量、乱序的桌面级核心。

PowerPC 440GP 的内部结构「右」及其 440 内核「左」

作为 IBM 嵌入式领域的旗舰产品，其在发售后频率仍在不断精进，最高可达 800MHz，尤其是当其运行至 555MHz 时更是在 Dhrystone 2.1 测试中突破了 1000MIPS 大关，成为首个性能突破这一参数的嵌入式芯片。

而在功耗、成本方面，其由 180nm 铜互联工艺生产、在 400MHz 运行时功耗只有 1.4W，Die 面积由于去除了浮点单元仅为 59mm²，单芯片售价低于 100 美元。

用于苹果 Xserve 的 PowerPC 440SPe「左」及 440GP 的 Die shot「右」

如此强大的芯片让各界为之疯狂，PowerPC 440 系列成为了 IBM 最受欢迎的嵌入式芯片之一，并赢得 Microprocessor Report 期刊的「1999 年进步最大的嵌入式架构奖」，采用它的设备不计其数，整个 1999 年，IBM 与 Motorola 分别卖出 500 万、共 1000 万枚嵌入式芯片，是 1998 年 490 万的两倍多，1997 年 350 万的近三倍。

但显然 IBM 的野心并不止于此，随着 PowerPC 440 的普及以及其出色的架构设计，一大批超级计算机正席卷而来。

其中最有代表性的就是 IBM 自家的蓝色基因系列，在首款产品 L 系列中，IBM 别出心裁的将两块 700MHz 的 PowerPC 440 放在同一主板上：其超宽的总线让对称多处理成为可能，与内存一并作为一个计算节点，而一台 16 层蓝色基因 L 机架就囊括了整整 1024 个计算节点。

包含两个计算节点的计算卡「左」及其机架一层所容纳的 16 张计算卡「右」

2004 年 11 月，一个包含 16 台机架的蓝色基因击败 NEC 的地球模拟器，成功摘得「世界上最快计算机」这一桂冠，并保持了三年多，直至 2008 年 6 月才屈居第二，此时其机架数量已为 104 台，峰值算力已达 596 Tflops 之巨。

蓝色基因 P 对算力的暴力堆砌

而第二代蓝色基因 P 系列则如法炮制，将经过稍微修改的 PowerPC 440 命名为 450，一个计算节点包含了 4 颗 PowerPC 450 及其缓存和内存，峰值性能高达 13.6 Gflops，并和 L 系列类似进行算力堆叠，爆发出极强的性能，甚至被用于模拟大约 1% 的人类大脑皮层。

蓝色基因 P 超级计算机

在赢得举世瞩目性能的同时，IBM 表示这款超算达到了 371 Mflops/W 的惊人能效，在能效榜中排名第一，这或许与 PowerPC 440 系列定位嵌入式、低功耗的初衷不无关系。

2007 年 11 月的超算能耗比榜单，可见蓝色基因 P 系列包揽了前五名

超算的性能，尽在手中

1999 年 8 月，在 Seybold 研讨会上，乔布斯在台上意气风发，在回顾了近 8 个月来 PowerMac G3 所取得的辉煌成绩后，问出了那句令人期待的「What’s next ?」，预示着新产品即将到来，而接下来的图片却引得众人哄堂大笑。

给你超算的性能

只见一个巨型超级计算机展现在众人眼前，乔布斯表示，随着多媒体的盛行，图片编辑、视频编码等任务对性能的需求已经与 NASA、CIA 相比肩：动辄数十亿的运算量。以前单纯的整数、浮点单元已经难以应付如此庞大的数据流，急需一套全新的解决方案。

先发制人

对面的英特尔早已意识到了这一点，在大家都还在比较纯粹的整数、浮点性能时，率先于 1996 年宣布了 MMX 拓展指令以及 MMX 单元，随着英特尔的领先，MIPS、Alpha、HP、SUN 等其余厂商也不甘落后：纷纷推出了自家的 SIMD 单元。

英特尔则再接再厉，于 1999 年 2 月发布了全新的奔腾 III 芯片，号称相比前代有了重大改进，与此同时，营销机器全面启动，砸下了近 3 亿美元来说服开发者重写软件以利用 SIMD 单元：投入几乎是之前的三倍。

使用 Slot 1 插槽的奔腾 III

终于在其不遗余力的宣传下，奔腾 III 在发售时已经有 300 个软件适配完成，让拓展指令对多媒体加速的必要性家喻户晓。

显然，留给 PowerPC 阵营的时间不多了，英特尔在这场多媒体战争中已先下一城。

分道扬镳

与英特尔在该领域一帆风顺相对应的，PowerPC 阵营这边的发展却坎坷不堪，为了抵消英特尔 MMX 指令的强大优势，萨默塞特研发中心的工程师们也早早地开始研发专属于 PowerPC 的 SIMD 指令，Motorola 称之为 Altivec，IBM 称为 VMX，苹果称为 Velocity Engine¹⁷。

相比苹果与 Motorola 对该项目的大力推进，作为 AIM 联盟之一的 IBM 对此却并未上心：其 POWER 系列产品主要面对的是服务器等大型机市场，对能够加速多媒体的拓展指令兴趣不大。

而反观这几年，拜苹果和 Motorola 所赐，IBM 大量精力都被用在了 PowerPC 研发上，以至于自家最主要的 POWER 项目屡次拖延：POWER3 等了整整五年才于 1998 年发布，且频率欠佳、性能堪忧，难以与 21264 等竞品相提并论¹⁸。

POWER3 及其 Die shot，初代频率只有 200MHz

虽然 IBM 高管们也看好 PowerPC，早早地就打算将 POWER 系列朝 PowerPC 方向发展¹⁹，甚至击败棋王卡斯帕罗夫的「深蓝」超算都是由 30 个 PowerPC 604e 所构成，但对 Velocity Engine 这种 IBM 不感兴趣的领域，他们实在不想再浪费时间和精力了。

击败棋王的「Deep Blue」超级计算机，配备有 30 个 200MHz 的 PowerPC 604e

随着双方在这方面的分歧越来越大，1998 年 5 月 17 日，即乔布斯否认 AIM 内部有矛盾的两个月后，Motorola 把 IBM 撇在一边，单方面宣布了 PowerPC 新芯片的计划，一个月后，IBM 与 Motorola 正式分道扬镳：IBM 将萨默塞特的股份全数售给了 Motorola，自身则退出新芯片的研发，全力以赴设计 POWER4，只负责继续给苹果提供各种工艺下的 PowerPC G3。

IBM 的退出标志着一个时代的结束，在被 Motorola 全资拥有后，象征 AIM 联盟的萨默塞特研发中心淡出历史长河，再不被媒体关注、不被人提起，最终在 Motorola 重组、拆分的风风雨雨中逐渐停止运营，至此能推进 PowerPC 向前的只有苹果与 Motorola 两位了²⁰。

IBM 的中途退出影响了新芯片的研发进程，终于一年多之后，在乔布斯夸张的开场下，携带萨默塞特研发中心遗作的 PowerPC G4 虽迟但到，与英特尔奔腾 III 的恶战即将到来。

多媒体之争

先看英特尔奔腾 III 这颗处理器，虽然相比前代其微架构几乎未变，依旧采用的是从奔腾 Pro 一脉相承来的 P6，但为了加强其在多媒体领域的话语权，英特尔加入了全新的 SSE 指令集，并且为了赶时髦，将其称为「Internet SSE」，相比 MMX 有了极大增强。

奔腾 III、II 与 Pro 的对比，可见微架构几乎没变，主要变化在于增加多媒体扩展指令

之前英特尔的 MMX 指令虽然已经「技惊四座」，但仍存在诸多缺陷：不能加速浮点运算，只能进行整数运算，且宽度只有 64bit，并且运行时要占用 8 个 80bit 的浮点寄存器，即 MMX 指令与浮点指令无法同时执行，效率低下。

SSE 指令部分解决了上述问题：首先添加了矢量浮点运算的支持，能在一周期内处理 4 个 FP32 数据，若运行在 600MHz，理论上能达到 2.4Gflops 的峰值算力，并加入了 128bit 宽度的寄存器，但恼人的是，为了避免 Die 面积增加而导致的成本上涨，英特尔在设计上并不完美。

为了保留了内部总线仅 64bit 这一瓶颈，英特尔将矢量浮点单元一分为二，分为了乘法器和加法器²¹并放在不同执行端口上，而前端的解码器则将 128bit 的 SSE 指令解码为两个 64bit 的 µop 指令，分发至不同端口执行。

矢量浮点单元被一分为二以保持执行端口不变，其中矢量与标量浮点乘法器合并为一个单元

这样一来，英特尔得以在不让 P6 微架构大改的情况下保证指令完整运行，但也引来了一系列问题。

在矢量浮点方面，前端将指令解码为 2 µop、拆分矢量浮点单元的做法让调度机制甚是复杂；且拆分后的指令宽度仅为 64bit，虽然矢量浮点乘/加法器能同时运行以达到 128bit 的吞吐量，但乘/加法指令并不总是均匀分布，而区区 8 个寄存器更是让理论上的 2.4Gflops 算力难以实现²²。

而更糟糕的是英特尔将矢量浮点乘法器与标量浮点乘法器合并为一个单元，由于共享执行资源，致使二者无法同时运行，性能发挥严重受限。而在矢量整数那边，情况也没有太多改善，虽然加入了一系列新指令²³，但依旧是 MMX 时代的 64bit 宽度²⁴。

奔腾 III 与新奔腾 II 的性能对比，其在浮点运算密集的 3D 方面性能大增，但在整数方面原地踏步

尽管算力并不极致，但英特尔最初的目标得以实现，SSE 的加入只让晶体管数量增加了 200 万，总数从 750 万上升至 950 万，辅之改进的 250nm 工艺²⁵，使 Die 面积依旧维持在了可控的 128mm²，与上代 113mm² 相比只上涨了 10%。

奔腾 III「Katmai」的 Die shot

虽然奔腾 III 一经发布，许多人都失望透顶，表示「奔腾 III = 奔腾 II + SSE」转而期待 AMD 的 K7 芯片，但若是与新 G3 对比，奔腾 III 不仅在多媒体领域相比「一穷二白」的新 G3 占尽优势，并且频率又有了提升：从新奔腾 II 的 450MHz 跃升到 600MHz，绝对性能再度超过了新 G3。

但只过了 6 个月，G4 的出现就将这一势头再度打断：频率从新 G3 的 400MHz 上升至 500MHz，一路对奔腾 III 穷追不舍。

若是深入其内部，G4 与奔腾 III 类似，在微架构层面相比新 G3 并没有大改，仅在浮点单元有了加强：可以更好的运行双精度浮点运算²⁶。而整数单元则完全没有改进，且受限于稍低的频率，整数性能与奔腾 III 相差无几，仅在浮点方面比奔腾 III 具有明显优势²⁷。

G4 与 奔腾 III 的 SPEC95 整数「左」、浮点「右」的测试对比，可见除了 G4 的浮点，大家的 IPC 都几乎没变

但不同于英特尔的保守，为了喂饱 Velocity Engine 超高的算力，G4 的 L2 和 60x 总线由 64bit 升级至 128bit，并支持最大 2MB 的 L2 容量，使二者的吞吐量均翻了一番，且加强了对称多处理能力：最多可以同时将 4 个 G4 放在主板上同时运行，而 G3 则几乎没有对称多处理能力²⁸。

G4 的架构图，可见除了 Velocity Engine 其仅在浮点和总线上有改动

作为萨默塞特的遗产，也是此次升级的重中之重，G4 所搭载的 Velocity Engine 不可谓不激进：相比英特尔还得和浮点单元共享执行资源这种「凑合」的设计，Velocity Engine 奢侈地独立于整数、浮点单元之外，并且支持超标量：能在同一周期执行两条矢量运算指令。还配备了整整 32 个 128bit 的超宽寄存器，其中包含 6 个重命名寄存器²⁹，以保证高吞吐运算的稳定进行。

PowerPC Velocity Engine 与英特尔 MMX 寄存器大小对比，可见前者配置的豪华

若深入 Velocity Engine 内部，其由两大部分构成：矢量置换区块³⁰与矢量算术逻辑区块，每周期共能分到两条指令。矢量算术逻辑区块构成了 Velocity Engine 的主要部分：包含矢量简单、复杂整数单元与矢量浮点单元。

矢量简单整数单元负责绝大多数的整数运算³¹，1 周期就能完成指令，矢量复杂整数单元则负责延迟较长的指令³²，需要 3 周期完成，而矢量浮点单元负责所有浮点计算，需要 4 周期完成³³。三大单元都可以同时独立运行，释放最大性能。

Velocity Engine 内部，必要时两条指令能同时进同一单元以获得最大峰值性能

由于寄存器宽度为 128bit，单个就能容纳 16 个 int8、或 8 个 int16、或 4 个 FP32/int32，若处理器频率为 500MHz，其在处理 FP32 这类数据时，能轻松达到 2Gflops 的持续算力，而在处理突发任务时，两条指令同时涌入矢量浮点单元，更能达到 4Gflops 的峰值算力，使之真正成为突破 1Gflops 的「超级计算机」。

Altivec 支持 int8、int16、int32、FP32 四种矢量运算

若将其与英特尔对比，差距也显而易见，在整数方面，英特尔的 SSE 依旧只支持 64bit，Velocity Engine 的 128bit 的吞吐量是它的两倍。

浮点方面 Velocity Engine 也不遑多让，128bit 高吞吐的矢量浮点单元相比英特尔乘/加法分开、宽度只有 64bit 的设计，性能更易释放，加之其 32 个超多的寄存器，显然 G4 在这场多媒体竞争中后来居上，将英特尔远远甩在身后。

PowerPC Altivec 与其它拓展指令的对比，可见其后来居上之势

当然，如此强大的单元需要软件的适配才能利用起来，作为苹果的最佳开发者 Adobe 也在第一时间就完成了适配，在介绍 PowerMac G4 时，乔布斯再次表演了 Mac 发布会上的保留节目：与营销副总裁菲尔·席勒一个唱红脸、一个唱白脸，将配置相近的 Mac 与 PC 同时运行 Photoshop，看谁快。

这次展示进行得尤为顺利：G4 迅速完成了任务，留下奔腾 III 在后面苦苦挣扎，惹得观众一阵哂笑，最后结果显示：G4 在运行 Photoshop 时比奔腾 III 快了近三倍，Velocity Engine 在其中功不可没。

PowerPC G4 发布会上乔布斯与 Philip Schiller 的现场演示

但和英特尔一样，如此豪华且强大的 Velocity Engine 也带来了一些问题，首当其冲的就是其超大的规模：在使用类似的铜互联工艺时，G4 的面积几乎是 G3 的两倍：从 40mm² 上升至 83mm²。而 Velocity Engine 那 17mm² 的面积就吃掉了其中的 20%。

晶体管数量也随之增长了 64%：从 G3 的 640 万飙升至 1050 万。显然大多数晶体管预算都给了 Velocity Engine，好在 PowerPC 的 Die 面积向来远低于英特尔阵营，在这种消耗下，总生产成本并没有暴增，只从 40 美元上升至 45 美元，相比奔腾 III 的 75 美元依然优势明显。

PowerPC G4「左」及其 Die shot「右」可见 Velocity Engine「紫框」占用面积巨大

其次则是 PowerPC 曾引以为傲的低功耗优势开始削弱，尽管相比奔腾 III 动辄二十几瓦的功耗其依然「生性冷静」，但同样在 400MHz 运行时，G4 的功耗相比 G3 提高了近两倍：从 5.7W 窜升至 11.3W，Motorola 估计 Velocity Engine 在其中「贡献」了 25% 的功耗。

PowerMac G3「左」与 G4「右」散热鳍片对比，可见 G4 相比 G3 肉眼可见有所增大

不过对苹果而言，这样的交换或许是值得的，在 Velocity Engine 的加持下，PowerMac G4 成为了第一款持续算力在 Gigaflops 级别的个人电脑，如此强大的性能甚至一度被美国政府列为「超级计算机」并限制出口至朝鲜、叙利亚、中国等 50 个「敏感国家」。

虽然该限制不久就被解除，但乔布斯却对此大做文章：在广告片中，一辆辆坦克围着 PowerMac G4 以保证不会落入敌军之手，而至于奔腾电脑，他们倒是「无害」的。

广告片幕后的画面

不仅如此，为了展示 Velocity Engine 相比 SSE 近两倍的性能，乔布斯更是在英特尔官网上找了他们的 SSE 测试成绩，并让 G4 也运行了一番，然后将数据做成广告并公之于众：G4 的运行速度平均是英特尔的 2.94 倍。

MacWorld 上的 G4 宣传广告，左下是与英特尔比较的测试数据

只是近黄昏

只可惜，这大概是 PowerPC 阵营的最后一次大胜了，属于它的黄金时代已然快走到尽头，随着 IBM 的淡出，苹果似乎又回到了 80 年代末的局面：执行力糟糕的 Motorola 成了苹果的唯一芯片供应商。加之此时 Motorola 正在全力重组半导体部门，当年让斯卡利焦头烂额的处境，乔布斯不久也将尝到其中的苦楚。

外界也早已发现这一点，早在 G4 发布之前，各路谣言四起，称 G4 芯片在 1999 年压根无法发货，必须要等到 2000 年 1 月，可乔布斯却偏偏不信邪，在发布会的最后宣布：400MHz 的 G4 立刻就能发货，而 500MHz 的 G4 两个月后就能到来。

但很不幸，这次他的「现实扭曲力场」失灵了，到了 10 月中旬，大众苦苦等待的 500MHz G4 连个影子也没有，而坏消息却接踵而至：Motorola 表示无法生产出那么多的高频 G4，并且 500MHz 的 G4 还有设计缺陷³⁴，难以迅速解决。

乔布斯万万没想到 Motorola 居然会这样坑自己

面对那些预购了 500MHz 版 G4 的客户，乔布斯的空头支票已经难以兑现，只好尴尬地宣布：所有之前的预订全部取消，并且 PowerMac 均「降频 50MHz」销售，同时价格不变。

这一操作自然引来了消费者、媒体一致的口诛笔伐，在一篇「Apple Goes Crazy」的文章中，作者 Sho Fukamachi 气愤地写道。

我不知道你是怎么想的，但几个小时前，当我加载 Apple Store 网页时，简直不敢相信自己的眼睛！这不仅是非常糟糕的商业行为，并且听起来应该是非法的。

而这只是苹果和乔布斯一长串精神分裂的策略中的最新一步。首先，他们会表现得非常积极，而第二天，似乎一心要摧毁他们之前建立起来的信心和美好愿望，这是一家卓越而富有创意的公司，却又不可预测且极其傲慢。

这一事件被愤怒的群众称之为「G4 Speed Dump」，迫于压力下，几天后乔布斯不得不出场道歉。

「我们的目标是让顾客感到愉悦，但在这个事件中，我们明显出现了问题。我们对在过去一周内让我们的顾客感到失望和不满深感歉意」乔布斯说道，「我们希望能够修补这些过错，正如一句古老的商业谚语所说：好的公司会犯错，伟大的公司会改正」。

于是几天后，苹果再次更改规定：之前的预订得以恢复，但依旧只能「降频 50MHz」，若要购买原先频率仍需加钱，但给予一定的折扣，苹果将这一情况归咎于最近 RAM 价格的飙升，虽然大众依旧有所不满，也只好作罢。

尽管 PowerMac G4 开局不利，但开卖后依旧广受欢迎

在摆平大众情绪的同时，暴跳如雷的乔布斯指责 Motorola 没有按时交付应有的 G4 芯片，并立即联系到已经逐渐淡出的 IBM，希望 IBM 能再度加入，帮助其生产 G4。

而另一边，Motorola 却认为其并没有任何问题，声明自己定期向苹果通报 G4 芯片的可用性，言下之意是苹果夸下海口导致的后果，双方剑拔弩张的态势已经很难让人想起 8 年前签署协议时其乐融融、一团和气的氛围了。

经过一系列协商，IBM 重新进入舞台中央：其将签约使用 Motorola 与苹果的 Velocity Engine 技术，并于 2000 年上半年开始继续为苹果提供 G4 等新芯片的制造，暂时避免了这场危机。

但时间已经不想再等互相掣肘的 AIM 联盟了，随着竞争的白热化，x86 世界在这千禧年到来之际，爆发了一场影响深远的冲突：1GHz 战争。英特尔的新奔腾 III 将与 AMD 阵营为了争夺 1GHz 的宝座大打出手：在这一时期疯狂提高芯片频率。

眼看对面处理器速度如同坐着火箭般上升，此时的 PowerPC G4 却如同一个迟暮的老人，面对向前狂奔的英特尔与 AMD，自身频率却在 2000 年停滞不前，500MHz 成了它的难以逾越的枷锁，从此再无力追上这个世界的步伐。接下来发生的故事将在下篇中介绍。