PowerPC G3

PowerPC G3とは

PowerPC G3は、Apple Computerによって名付けられた、PowerPCアーキテクチャの第3世代マイクロプロセッサの名称です。主にApple製品に搭載されたPowerPC 75xシリーズを指しますが、組み込み用途のPowerPC 74xシリーズを含むこともあります。

当初、PowerPC G3はMacintosh互換機向けに供給されていましたが、1997年に発売されたPower Macintosh G3から、Apple純正のMacintoshコンピュータにも採用されるようになりました。その後、PowerBook G3、iMac、iBookなど、様々な製品に採用され、2003年のiBook G4まで、約6年間その役割を担いました。

2006年、AppleはMacintoshのCPUをPowerPC系からIntel系に変更する方針転換を行い、PowerPCは組み込み用途に特化した製品へと移行しました。IBMは2009年以降、PowerPC G3シリーズをPowerPC 400系と統合し、PowerPC 476FPを発表しています。

設計

PowerPC G3は、PowerPC 603eおよび603evをベースに開発されました。Apple Computer、IBM、モトローラの共同開発によって誕生しました。

CPUバスには60xバスが採用され、パッケージはCBGAまたはPBGAです。既存のPowerPCとの完全な互換性を持っています。PowerPC G3では、ベースとなるPowerPC 603eの2+1命令実行のスーパースカラプロセッサコアを改良し、以下の点が強化されました。

バックサイド・キャッシュ・アーキテクチャの採用（750/750Lのみ）
従来のシステムバス上にあった外部L2キャッシュを、CPU専用の高速バスで直接接続することで、L2キャッシュへのアクセス速度を大幅に向上させました。また、L2キャッシュのタグもプロセッサに内蔵し、高速なキャッシュヒット検出を実現しました。
内蔵L1キャッシュの64KBへの倍増
603eではデータ16KB+命令16KBの合計32KBだったL1キャッシュが、604eと同等の64KBに倍増されました。
一次命令キャッシュの帯域を16バイト/サイクルに倍増
603eではL1命令キャッシュの帯域が8バイト/サイクルだったため、コアへ1サイクルあたり2命令しか供給できませんでした。G3ではこの帯域を倍増し、コアの性能を最大限に引き出せるようにしました。
整数演算ユニットを2つに増加
乗除算などレイテンシの長い命令以外を実行可能な演算器を増設し、整数演算ユニットの数を2個にしました。これにより、整数演算命令を同時に実行できるようになり、性能が大幅に向上しました。
動的分岐予測機構の採用
603eでは、命令ヒントを利用した静的分岐予測のみでしたが、G3では動的分岐予測（2レベル予測）が実装されました。G3の動的分岐予測は、分岐先の命令を直接キャッシュするBTIC（Branch Target Instruction Cache）を用いることで、高速な分岐処理を実現しました。
ハードウェアによるTLBミスの処理
603シリーズではTLBミス時にOSがTLBを更新する必要がありましたが、G3ではプロセッサが自動的にTLBを更新するように変更され、TLBミス時のペナルティが減少しました。

当初、PowerPC G3はハイエンドのPowerPC 604の後継として開発されていたものの、PowerPC 750の性能が604を上回ることが判明したため、Apple ComputerはPowerPC 750を「PowerPC G3」と命名し、自社製品に採用しました。ほぼ同時期に、Appleは互換機戦略を撤回しています。

特徴

PowerPC G3は、以下の点で優れた特徴を持っていました。

小型である (25mm角または27mm角)
1クロックあたりの処理能力が高い
低消費電力
安価

特に低消費電力は大きな特徴であり、例えば銅配線のPowerPC 750Lでは、500MHz動作時の平均消費電力が6.0W、最大消費電力が7.5Wでした。このため、ノートパソコンでも動作クロックをほとんど下げずに搭載でき、据え置き型と同等の処理能力を実現しました。また、安価だったため、iMacのような低価格なパソコンにも採用されました。

ただし、L2キャッシュなどの影響を考慮しない純粋な演算能力の比較では、PowerPC 604がG3を上回ります。604シリーズを全面的に超えるのは、G3の後継であるPowerPC G4が登場してからです。

製品

2023年現在、「PowerPC 750シリーズ」は、IBM認定のもとロチェスターエレクトロニクスが再生産をサポートしています。

以下に主なPowerPC G3の製品を挙げます。

PowerPC 750 (Arthur)
モトローラが180nmで製造、200～300MHzで動作。L2キャッシュは外部に配置。
PowerPC 750L
IBMが製造した銅配線版、300～500MHzで動作。
PowerPC 750CX/CXe
IBMが180nm SOIで製造。L2キャッシュ256KBを内蔵。CXは350～550MHz、CXeは500～700MHzで動作。
Gekko
IBMが180nm SOIで製造。ニンテンドーゲームキューブ用に開発されたもの。PowerPC 750CXeをベースに倍精度浮動小数点数演算対応SIMDを追加。
PowerPC 750FX/FL
2002年から出荷。IBMが130nm SOI, low-k誘導体で製造。L2キャッシュ512KB。800MHz動作時で3.6Wの低消費電力。
PowerPC 750GX
IBMが90nm SOIで製造。200MHz FSB対応。L2キャッシュ1MB。1.1GHzまで動作。
PowerPC 750CL
IBMが90nm SOIで製造。L2キャッシュ256KB。1GHzまで動作。400MHzで1.7W、900MHzで5.6Wの省電力性能。64ビット倍精度浮動小数点レジスタを使用した単精度SIMD演算命令を追加。
Broadway
IBMが90nm SOIで製造。任天堂Wii用に開発されたもの。Gekko互換でPowerPC 750CLがベースと推測されるが詳細は非公開。
Espresso
IBMが45nm SOIで製造。任天堂Wii U用に開発されたもの。Broadway互換。
PowerPC 74x
組み込み用途向け。L2キャッシュなし。
RAD750
PowerPC 750をベースに、耐放射線仕様、-55℃から125℃での動作保証を付加したマイクロコントローラ。宇宙探査機に搭載。

関連項目

PowerPC G4
PowerPC 970
IBM POWER

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