Todo sobre el IBM POWER11, la arquitectura que quiere cambiarlo todo

IBM lleva mucho tiempo actualizando su arquitectura POWER ISA, y también las microarquitecturas para lanzar nuevas versiones de su procesador POWER. Ahora vamos a analizar la última versión lanzada, el misterioso POWER11, del que poco se ha hablado, y que IBM ha preferido mostrar más de sus nuevas gamas de servidores y sistemas HPC que de él, para las cosas tan interesantes que se incluyen en él…

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Proceso de fabricación y empaquetado

POWER11 se fabrica en un proceso de 7 nm EUV de Samsung, el mismo nodo base que POWER10, pero acompañado de mejoras sustanciales en diseño lógico, distribución de energía y empaquetado avanzado:

• Hasta 30.000 millones de transistores en un die de aproximadamente 654 mm².
• Uso de empaquetado 2.5D con interposer iCube SI, permitiendo una interconexión de alta densidad entre chips y controladores externos.
• Integración de Integrated Stack Capacitor (ISC), una innovación clave que mejora la estabilidad de voltaje y reduce la latencia de entrega de energía a los núcleos, especialmente bajo cargas transitorias intensivas.

Este enfoque permite a POWER11 alcanzar frecuencias elevadas (hasta 4.4 GHz en ciertas SKU) sin penalizar la fiabilidad ni el consumo térmico.

Escalabilidad del IBM POWER11

POWER11 mantiene la filosofía modular característica de IBM, con chiplets como lleva haciendo desde hace años, para mayor escalabilidad a la hora de incluir más núcleos por socket:

• Single-die: hasta 16 núcleos activos con SMT8 (cada núcleo físico puede procesar hasta 8 threads paralelos, lo que significa 128 hilos totales).
• Dual-Chip Module (DCM): hasta 30 núcleos activos, incorporando núcleos de reserva (spare cores) para activarse en caso de que algún otro falle y así garantizar mayor fiabilidad.

Generalmente van en placas base con 2 o 4 sockets, permitiendo escalar hasta:

• 256 núcleos SMT8 por sistema
• Más de 2000 hilos hardware concurrentes

Esto que puede parecer mucho, va muy orientado a las cargas de virtualización de estos equipos, permitiendo así asignar recursos de hardware virtual a muchas más máquinas virtuales.

Microarquitectura del núcleo POWER11

Como sabes, la línea IBM POWER son procesadores RISC, y se basan en la Power ISA 3.1 de 64-bit gestionada ahora por la OpenPOWER Foundation. Esta ISA es una revisión del set de instrucciones Power, compatible con el software de sistemas POWER10, también basados en la v3.1, y con algunas características interesantes para las cargas de nueva generación, como mejoras en instrucciones para IA e inferencia, modos de retrocompatibilidad (LPM o Live Partition Mobility) para la ISA 3.0, facilitando la migración de servidores antiguos.

Cada núcleo POWER11 es un core muy ancho (throughput), optimizado para extraer paralelismo tanto a nivel de instrucciones como de hilos:

• SMT8: hasta 8 hilos simultáneos por núcleo.
• Pipeline: profundo y altamente especulativo.
• Predictores y prefetch: mejoras en predicción de saltos y prefetching frente a POWER10.

El resultado eso se traduce en:

• ~55% más rendimiento por núcleo vs POWER9.
• 15–25% más rendimiento por núcleo vs POWER10.
• Hasta x2 rendimiento por hilo vs POWER9.

El núcleo integra múltiples clústeres de ejecución, es decir, se organiza así:

• Enteros y coma flotante de alta capacidad.
• Vectorización avanzada, con FPU para vectores largos.
• Unidades MMA (Matrix Multiply-Accumulator) mejoradas, fundamentales para IA.

Las MMA permiten ejecutar operaciones de matrices directamente en CPU con una mejora de hasta x4 en cargas de IA frente a POWER9, reduciendo la necesidad de offload a GPU y minimizando la latencia de datos.

Me gustaría también resaltar que el IBM POWER11 incluye un motor denominado OLTP (Online Transaction Processing) específico para transacciones, lo que permite gestionar E/S con gran agilidad y realizar multitud de pequeñas transacciones de datos en tiempo real, lo que es útil para servidores bancarios, sistemas de reserva de billetes, etc. Algo que nos recuerda también al IBM z/System, los mainframes especializados en este tipo de operaciones financieras…

Subsistema de caché y memoria

POWER11 mantiene una jerarquía de caché grande y de baja latencia. Este diseño favorece cargas con grandes y reduce la presión sobre memoria principal. Concretamente, en el POWER11 tenemos:

• L2 privada: 2 MB por núcleo.
• L3 compartida: 128 MB por chip (organizada en dos bloques de 64 MB).

Uno de los pilares arquitectónicos es el uso de OMI (Open Memory Interface). Es una tecnología de interconexión de memoria de alta velocidad y baja latencia desarrollada por el consorcio OpenCAPI. A diferencia de los sistemas tradicionales donde el controlador de memoria está diseñado para un tipo específico de RAM (como DDR4 o DDR5), OMI actúa como una capa de abstracción, y no necesita conocer si es de un tipo u otro para funcionar. OMI es la pieza clave que permite al IBM POWER11 niveles de ancho de banda impresionantes, llegando hasta los 1.200 GB/s por socket.

En sistemas AMD EPYC e Intel Xeon, los pads o pines de estos procesadores se conectan directamente a los módulos de la memoria mediante los canales. Sin embargo, OMI usa un enlace serie, sin necesidad de tantos pines, y con características similares al bus PCIe. Por tanto, en las I/O del procesador, solo existen puertos OMI genéricos y se podría usar DDR4, DDR5, actualizar a futuras DDR6, e incluso otras más exóticas.

Cada socket POWER11 permite gestionar hasta 32 puertos de memoria OMI, con capacidades de hasta 8 TB de RAM soportadas. Además, permite ECC para corrección de errores avanzada. Es decir, tenemos:

• • Hasta 32 puertos DDR5 por socket.
  • Ancho de banda agregado de hasta 1200 GB/s por socket.
  • Soporte de módulos DDIMM DDR5‑4800 propietarios.
  • Compatibilidad heredada con DDR4 OMI de POWER10.
  • Hasta 8 TB de memoria RAM por socket. O un total de 64 TB RAM por sistema, con grupos de 4 nodos (16 sockets).
  • OMI desacopla la MMU del POWER11 de la memoria, permitiendo compatibilidad incluso con futuras memorias, así como también memorias persistentes.

Es importante también analizar el sistema de controladores e I/O del POWER11, que incorpora:

• PCIe Gen5, duplicando el ancho de banda frente a Gen4.
• Interconexión de alta velocidad entre sockets y módulos.

Gracias a esto se puede conectar de forma directa con almacenamiento SSD NVMe a alta velocidad, y también con el acelerador de IA que te detallo en el siguiente apartado…

Aceleración de Inteligencia Artificial

Aunque no es parte del IBM POWER11, el sistema incluye un elemento muy importante que enlaza directamente con el procesador, y es una tarjeta aceleradora de cargas de IA. El propio POWER11 se concibe como un motor de inferencia de IA:

• MMA integradas en cada núcleo.
• Ejecución de modelos directamente donde residen los datos.
• Ideal para inferencia en tiempo real, scoring financiero y análisis transaccional.

Sin embargo, dada la importancia de las cargas de inteligencia artificial en la actualidad, IBM también incluye un acelerador específico. Se llama IBM Spyre:

• Chip externo de 5 nm, ~75 W.
• 32 núcleos neuronales especializados en IA.
• Optimizado para inferencia intensiva y modelos complejos.
• Formato tarjeta de expansión PCIe.

La combinación CPU + Spyre permite escalar IA sin sacrificar latencia ni coherencia de datos.

Fiabilidad, seguridad y operación autónoma

Otros detalles importantes del sistema IBM POWER11 van enfocados a la seguridad y a garantizar la alta disponibilidad tan importante en sistemas HPC y servidores. Para ello, el POWER11 incluye lo que la compañía ha denominado resiliencia a nivel microarquitectónico:

• Spare cores activables automáticamente ante fallos, como ya indiqué al principio.
• Migración dinámica de cargas (LPM).
• Parcheo autónomo de firmware para solucionar problemas o vulnerabilidades posibles.

El resultado es un Zero Downtime real:

• 99.9999% de disponibilidad.
• Menos de 31 segundos de inactividad anual.

En cuanto a la seguridad, tan importante actualmente, y con la vista puesta en la computación cuántica, se ha dotado al sistema de una serie de niveles avanzados de seguridad post-cuántica:

• Criptografía resistente a ataques harvest‑now, decrypt‑later.
• Cadena de arranque y firmware reforzados.
• IBM Power Cyber Vault con detección de ransomware en <1 minuto.

Software y ecosistema

POWER11 soporta de forma nativa sistemas operativos IBM i, IBM AIX (Unix) y múltiples distribuciones Linux, como pueden ser SUSE y Red Hat. También mejora la integración con Red Hat OpenShift y Kubernetes para el despliegue en la nube, y se potencia con IBM watsonx (IA generativa empresarial). Además, tenemos funciones de retrocompatibilidad como comenté antes, lo que permite ejecutar simultáneamente aplicaciones actuales y legacy.

Casos de uso clave

• Finanzas: detección de fraude y trading en tiempo real.
• Healthcare: inferencia de IA en imágenes médicas y análisis predictivo.
• Gobierno y defensa: entornos seguros, soberanos y de cumplimiento estricto.
• Nube híbrida: consolidación de cargas y contenedores empresariales.

El objetivo de esta generación es maximizar rendimiento por núcleo y por vatio, reducir la latencia en cargas mixtas y garantizar zero downtime operativo incluso en escenarios de fallo de hardware o mantenimiento.

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