概念

SPARC（Scalable Processor Architecture，可扩展处理器架构）是SUN公司在1985年提出的处理器体系结构标准，它基于1980年到1982年间加州大学伯克利分校关于Berkeley RISC的研究成果，并由一个独立、非盈利组织SPARC Internationa负责SPARC架构标准的管理和开发认证，是国际上流行的RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集）微处理器体系架构之一。

可以说SPRAC跟Unix一起创建了工作站市场。从1987年诞生以来，SPARC结构包括了如下思想：
（1）将微处理器必须执行的指令的数量减少到最少。
（2）减少微处理器需要处理的内存地址的种类。
（3）尽量在微码中加入最少的处理器操作。
（4）提供编译优化SPARC微处理的语言的编译器。

特点

SPARC处理器策略主要有以下几个方面。
开放性。SUN认为开放性是技术成功的关键。多个销售商可以激励革新和合作。多种实现导致市场竞争和兼容产品。宽大的技术许可制度使得易于获取其技术规范。这些方法结合起来，增强了规范和实现的开放性。

可扩展性。从笔记本到超级计算机上的微处理器均可采用SPARC架构。1987年由SUN和TI公司合作开发的微处理器，称为“Sparc”，是业界出现的第一款有可扩展性功能的微处理器。

寄存器窗口技术既是SPARC微处理器的显著特点，也是SPARC架构不同于其他理器架构的主要不同点之一。采用这项技术可以显著减少过程调用和返回执行时间、执行的指令条数和访问存储器的次数，从而易于实现直接高效的编译。如上图所示，它将工作寄存器组成若干个窗口，建立起环形结构，利用重叠寄存器窗口技术来加快程序的运转。每个过程分配一个寄存器窗口（含有一组寄存器），当发生过程调用时，可以把处理器转换到不同寄存器窗口使用，无需保存和恢复操作。相邻寄存器窗口部分重叠，便于调用参数传送。为每个过程提供有限数量的寄存器窗口，各个过程的部分寄存器窗口重叠。

发展历史

1984，SPARC架构元年

20世界的80年代是RISC处理器的时代，RISC架构把较长的指令分拆成若干条长度相同的单一指令，可使CPU的工作变得单纯、速度更快，设计和开发也更简单。1984年，Sun工程师中的一个小团队开始研发被称为SPARC的32位RISC处理器，而SPARC项目的开发顾问就是提出RISC架构的David Patterson
SPARC是Scalable Processor Architecture的缩写，即可扩展的处理器架构，Sun对SPARC寄以厚望，当时首席执行官Scott McNealy认为SPARC可以将公司每年5亿美元的收入提升至每年数十亿美元。

1987，首款SPARC处理器诞生

Sun在1987年推出了第一款32位的SPARC 86900“Sunrise”处理器，这款处理器采用SPARC V7架构，采用0.8微米工艺，主频只有16MHz，当时被应用在Sun 4/260工作站上。第一款SPARC处理器规格虽然和现今的处理器无法相提并论，每秒仅可处理1000万个指令，但是这比当时的复杂指令集计算机(CISC)处理器要快三倍。SPARC最早的架构是V7版本，也是最基础的SPARC架构。

1990，SPARC V8架构推出

SPARC V8架构包含了几种关键改进，如硬件multiply/divide的 MMU 作用，支持对于128 位浮点运算。

1993，SPARC V9架构推出

增加了支持对于64位地址和数据类型，包括处理器从UltraSPARC到SPARC64 。

1995，64位UltraSPARC I

1995年，Sun公司的微处理器技术有了一次质的飞跃。继第一款SPARC微处理器之后，Sun推出了64位UltraSPARC I微处理器。UltraSPARC I革新了微处理器的可扩展性和带宽等工业标准，其频率达143MHz，采用0.5微米工艺技术，集成了520万个晶体管。UltraSPARC I的推出加强了Sun在高端微处理器市场的领导地位。

1997，UltraSPARC Ⅱ

仅仅两年后，Sun就推出了UltraSPARC I的升级版——UltraSPARC Ⅱ。UltraSPARC Ⅱ芯片频率为300MHz，采用0.25微米工艺技术，集成了600万个晶体管，比UltraSPARC I芯片的速度高2.5倍。在数据带宽方面，UltraSPARC Ⅱ高达1600MB/s，比当时其他同类产品高600MB/s；UltraSPARC Ⅱ的VIS指令集可加速多媒体、图像处理和网络等应用。在高性能通信处理器、高档工作站和服务器等市场，UltraSPARC Ⅱ在各种环境中均能提供业界较高的性能。

1999，里程碑式的UltraSPARC Ⅲ

1999年，Sun推出了第三代产品—— UltraSPARC Ⅲ，这是SunSPARC微处理器发展历史上具有里程碑意义的产品。UltraSPARC Ⅲ全面提高了系统应用程序的性能，它的带宽可达2.4GB，比UltraSPARC Ⅱ高出2倍。首款UltraSPARC Ⅲ微处理器主频达600MHz，采用了更先进的0.18微米工艺技术，集成了1600万个晶体管，并与Solaris操作系统和应用软件兼容。

借助出众的存储器带宽和多处理器可扩展性，UltraSPARC Ⅲ为电子商务、科学计算和数据开采等高性能计算应用提供了非同寻常的平台。凭借卓越的性能和Solaris操作环境，UltraSPARC Ⅲ进一步推动了服务器的发展。

2004，首款双核UltraSPARC IV

UltraSPARC IV是Sun公司的首款双核处理器，于2004年上半年推出。UltraSPARC IV采用CMT（chipmultithreading，芯片多线程）技术，片上集成了两个UltraSPARC III的内核、二级Cache的tag体和MCU，外部缓存16MB，每个内核独享8MB。UltraSPARCIV采用0.13微米工艺，主频1.2GHz，功耗100W，和UltraSPARC III管脚兼容，实现系统的平滑升级。

Sun紧接着在下半年又推出了UltraSPARC IV+。UltraSPARC IV+是UltraSPARC IV的0.09微米工艺的升级版本，而且增加了片上高速缓存的容量，主频1.8GHz。相对UltraSPARC IV制程更加进步，并且将一个新的L3缓存层与一个快速片上的2MB L2缓存、以及一个32MB的片外高速三级缓存连接在一起。此外，UltraSPARC IV+通过扩展的高速缓存、功能与转移预测机制、增强的预取能力等新技术，将UltraSPARC IV的应用吞吐量提高一倍。

2005，首款8核心UltraSPARC T1

2005年11月，Sun推出了UltraSPARC T1处理器，其代号为“Niagara”（尼亚加拉）。UltraSPARC T1处理器采用了基于SPARC的CoolThreads技术，还有一个创新性的8内核技术，每个内核有4个线程，共有32个线程。32个线程等于32个系统同时工作，这就使多任务能够并行执行，无需互相等待。UltraSPARC T1芯片节约了能耗并提高了系统的吞吐量，它还利用了Sun具有创新性的CMT(芯片多线程)处理器架构，以确保与Internet的多线程应用环境并驾齐驱。

UltraSPARC T1还进行大量的创新：它将系统架构放到了芯片上，内部的通信任务就在芯片上完成，数据几乎不靠金属传输，这样就获得了更高的功效和更高的特性；首次将4个内存控制器放到一块芯片上，芯片就成为了处理内核和内存之间的数据传输通路，这样数据就在被处理的同时迅速传入芯片；每一个UltraSPARC T1内核相对都很简单，它生成的热量很少，这使整个处理器所需功率小于70瓦。

2007，64线程的UltraSPARC T2

SUN公司在推出UltraSparc T1之后，就开始投入代号为“Niagara2”的“UltraSparc T2”处理器的开发。2007年8月，UltraSparc T2正式发布。UltraSparc T2虽然仍然保持8核心设计，但每个核心可支持的线程数提升到8个。换句话说，UltraSparc T2拥有高达64线程的并行处理能力，比UltraSparc T1整整提升一倍。

另外，UltraSparc T2直接集成了8个独立的加密加速单元、支持虚拟运行的两个10Gbps以太网接口和八个PCI-E通道，而浮点单元仍保持精简设计的原则，数量只有8个。

多线程和虚拟运行是UltraSparc T2的拿手好戏，SUN表示UltraSparc T2的每个线程都可以独立运行一个操作系统，因此理论上一枚UltraSparc T2处理器可以最多支持64个系统并行运作。而在Web访问等事务处理中，64线程的UltraSparc T2将具备常规处理器难以达到的超快响应能力。也是为了应对多线程处理的需要，UltraSparc T2配备了4个内存控制器，内存总带宽将超过50GBps。

得益于65纳米工艺，UltraSparc T2的工作频率提高到了1.4GHz，而平均工作仍保持在70瓦左右，即便全速运行不过为120~130瓦，平均每个线程只需要消费2瓦。

2008~2009，16核心“Rock”出师未捷

Sun在数年前还规划了面向中高端服务器应用的“Rock”处理器，独立于“Niagara”，替代目前的SPARC64。“Rock”被命名为“UltraSPARC-RK”，最早的计划是在2008年第二季度推出。

“Rock”处理器采用65纳米工艺，具备16个核心，芯片面积为396平方毫米，主频2.3GHz，功耗250W。16个核心被分成四个部分，每4个核心构成一个“簇”，4个核心共享一个I-cache、2个FPU和2个数据缓存。每个核心支持2个线程，总共支持32个线程，虽然从线程数量上远不如规划中的具备256个线程的Niagara-III，但是Rock具备更强的单线程能力，在每个核心的执行效率上会更高。Rock还具备“Scout预取”功能，实现指令的预取，提升处理器性能。

Sun对这款高端处理器寄以厚望，经历5年的研发时间并投入了数十亿的研发资金，不过遗憾的是，我们今后可能根本看不到这款处理器的身影。在研发过程中“Rock”出现了比较严重的性能问题，并没有达到当初Sun的预期，并且连续的财政赤字让Sun无力再继续负担高昂的研发费用，在2009年4月Sun被甲骨文收购，这个新东家也似乎不打算支持这个耗资巨大的项目，2009年6月中旬，纽约时报披露“Rock”已经被Sun废止，这个投入大量时间和资金的处理器最终出师未捷。

应用领域

基于sparc的工作站曾经大行其道炙手可热，但随着2009年4月Sun被甲骨文收购，sparc也从工作站，服务器市场退出历史舞台。目前，sparc出现在我们视野中并不多见，其实利用sparc处理器一直是航天上面在使用，由于其架构的开放性以及目前美国对中国的态势，sparc架构在航天、飞机、雷达领域的利用也是越来越重要了。

星载计算机，即在卫星上使用的计算机系统，是计算机技术在空间环境下的应用,负责完成空间飞行器的控制和数据处理任务。航天计算机是航天设备控制的中枢神经，随着航天工程复杂性的不断提高，设备对计算机的要求越来越高。航天电子产品不但要耐火箭起飞时的冲击、振动等苛刻的力学环境，而且要承受宇宙空间的高温、低温、高真空、高辐射等极端条件；另外，由于在空间环境条件下，电子产品的可维护性非常差，而且一旦发生故障，其后果往往比较严重，甚至是致命的。因此相对于普通计算机，其可靠性要求更高。由于空间环境的恶劣条件，从而对星载计算系统在性能、可靠性和成本上提出了巨大的挑战。在高昂的研究与制造费用、有限的硬件资源下,要确保海量数据处理的高可靠性是一项困难又关键的任务。

在星载计算机系统中处理器性能的稳定与可靠，在整个系统的稳定与可靠性中占有重要地位，因此选择合适的处理器架构变得相当重要。目前，在世界范围内星载计算机系统中所使用的处理器架构只有两种，一种是由美国使用的POWERPC架构，另一种就是欧洲主导的SPARC架构。在嵌入式领域颇为火热的ARM、MIPS、X86等架构，并不能够应用于星载计算中，或者说其不具备在这一领域应用的优势。

美国现在使用的最高端的星载计算机，采用的是基于PowerPC体系结构的。欧空局为了摆脱美国对其空间研发能力的制约而独立开发了基于SPARC V7机构的面向空间应用的微处理器：ERC32，其辐射加固版本已经成熟使用于航天环境中。06年5月22日，基于LEON SPARC V8的处理器也成功使用于航天工程。可以说SPARC体系结构的CPU在今后的航天计划中将发挥更大作用。

由于中国与美国的战略竞争关系，中国的星载计算机不太可能使用跟随美国使用POWERPC架构，因此SPARC架构目前正逐渐被国内相关星载处理器研制单位所采用，特别是因为SPARC架构的开源优势，可以替资本并不雄厚的本土IC设计企业省下一大笔开发经费。基于笔者的观察，目前国内研究与使用SPARC架构的机构有这么几家：西安微电子研究所（771所）、北京微电子研究所（772所）、国防科技大学、航天二院、哈尔滨工业大学、北京理工大学、北京航空航天大学、珠海欧比特控制工程股份有限公司等。

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