ac fundamentals
TRANSCRIPT
Aspectos gerais da arquitectura de computadores
João Canas Ferreira
Setembro de 2010
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 1 / 24
Assuntos
1 Evolução dos computadores
2 O mercado de computadores
3 Arquitectura de computadores
4 Tecnologia de base
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 2 / 24
Evolução dos computadores
O primeiro computador electrónico: ENIAC
Data de desenvolvimento: 1943-46.
Local: Universidade da Pensilvânia.
Autores: John W. Mauchly, J. Presper Eckert Jr.
Tecnologia: válvulas (tubos de vácuo, 18000), resistên-cias (70000), condensadores (10000) e relés (6000).
Frequência de operação: 100 kHz.
Potência consumida: 150-190 kW.
Problema de fiabilidade: 90% do tempo de paragemdeveu-se à necessidade de substituir tubos de vácuo(19000/ano, 52/dia).
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 3 / 24
Evolução dos computadores
Planta do ENIAC
A sala tinha cerca de 93 m2. O ENIAC tinha 3 m de altura e pesava 30 t.
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 4 / 24
Evolução dos computadores
Mainframes: IBM System/360 Model 91
Até ao fim dos anos 70, os grandes computadores centralizados dominaram aindústria. O modelo 91 da “arquitectura” System/360 é um caso típico(1966).
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 5 / 24
Evolução dos computadores
System/360 Model 91 na NASA
Fonte: IBMJoão Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 6 / 24
Evolução dos computadores
A hegemonia do microprocessador
Em meado dos anos 80, deu-se uma reapreciação dos aspectos arquitecturais:ressurgimento e domínio das arquitecturas RISC.
A partir do início dos anos 90, o microprocessador passou a dominar aindústria de computadores.
Hoje os microprocessadores estão presentes em quase todas as áreas.
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 7 / 24
Evolução dos computadores
Evolução do desempenho de CPUs
Fonte: [CAQA4]
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 8 / 24
O mercado de computadores
Tendências de mercado
Actualmente, o mercado de microprocessadores tem três grandescomponentes claramente diferenciadas:
Desktop computingGama 500–5000 Euros.Optimizar a razão desempenho/custo.
ServidoresSubstituem mainframes.Atributos: disponibilidade, escalabilidade, débito.
Computadores “embutidos”Incluídos em outros produtos: fornos micro-ondas, telemóveis, etc.Atributos: preço, execução em tempo-real, memória, potência.Grande gama de preços.Grande gama de implementações: microcontroladores de 4 a 64 bits.Os processadores podem ser embutidos em CIs mais complexos.
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 9 / 24
O mercado de computadores
Disseminação de equipamento electrónico
0100200300400500600700800900
100011001200
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
Cell Phones PCs TVs
FIGURE 1.1 The number of cell phones, personal computers, and televisions manufactured per year between 1997 and 2007. (We have television data only from 2004.) More than a billion new cell phones were shipped in 2006. Cell phones sales exceeded PCs by only a factor of 1.4 in 1997, but the ratio grew to 4.5 in 2007. The total number in use in 2004 is estimated to be about 2.0B televisions, 1.8B cell phones, and 0.8B PCs. As the world population was about 6.4B in 2004, there were approximately one PC, 2.2 cell phones, and 2.5 televisions for every eight people on the planet. A 2006 survey of U.S. families found that they owned on average 12 gadgets, including three TVs, 2 PCs, and other devices such as game consoles, MP3 players, and cell phones. Copyright © 2009 Elsevier, Inc. All rights reserved.
Fonte: [CAQA4]João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 10 / 24
Arquitectura de computadores
Áreas da arquitectura de computadores
De um modo geral, a arquitectura de computadores é actualmente divididaem três áreas:
Arquitectura do conjunto de instruções (definição clássica de AC)Modelo do sistema conforme visto pelo programador: instruções, registos,modelo de E/S, interrupções.
Organização: Aspectos de alto nível da implementaçãosistema de memória, incluindo memórias cachebarramentosestrutura funcional do CPU
Implementação em hardwareuma realização específica (Pentium II vs. Centrino)projecto lógico detalhado, tecnologia de empacotamento
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 11 / 24
Arquitectura de computadores
Requisitos funcionais
Computadores são projectados para satisfazer requisitos funcionais, paraalém de objectivos de desempenho, custo e consumo de potência.
Da perspectiva do cliente, é necessário determinar se os requisitos funcionaissão relevantes para a utilização a fazer do computador e em que medida sãoatingidos.
Exemplos:
Classe Requisitos típicos
Área:Desktop Desempenho equilibrado para tarefas variadas, de-sempenho interactivo, gráficos, vídeo, áudio.
Compatibilidade Compatibilidade de código objecto.SO: memória Gestão de memória paginada/segmentada.SO: protecção Gestão de direitos de acesso.Normas: VF Implementação da norma IEEE 754.
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 12 / 24
Tecnologia de base
Tendências tecnológicas
A evolução da tecnologia constitui o principal elemento do pano de fundopara a inovação e avaliação das arquitecturas de computadores.
Circuitos integradosdensidade de transístores: ↑ 35% ao ano (4× em 4 anos)dimensão da pastilha: ↑ 10%-20% ao anoresultado: nº de transístores ↑ 55% ao ano (2× em 18 meses)
Memória DRAMdensidade ↑ 40%–60% ao ano (4× em 3-4 anos)tempo de leitura ↓ 30% em 10 anoslargura de banda ↑ 33% em 5 anos
Discos magnéticosdensidade ↑ 100% ao ano (4× em 2 anos) [1996–2004]; 30%actualmentetempo de acesso ↓ 33% em 10 anos
Redes de comunicaçõesEthernet: 10 Mb→ 100 Mb em 10 anos; 100 Mb→ 1 Gb em 5 anos
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 13 / 24
Tecnologia de base
Desempenho relativo das tecnologias de CPUs
Year Technology used in computers Relative performance/unit cost
1951 Vacuum tube 0,000,001
1965 Transistor 0,000,035
1975 Integrated circuit 0,000,900
1995 Very large-scale integrated circuit 2,400,000
2005 Ultra large-scale integrated circuit 6,200,000,000
FIGURE 1.11 Relative performance per unit cost of technologies used in computers over time. Source: Computer Museum, Boston, with 2005 extrapolated by the authors. See Section 1.10 on the CD. Copyright © 2009 Elsevier, Inc. All rights reserved.
Fonte: [COD4]
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 14 / 24
Tecnologia de base
Evolução da capacidade de circuitos DRAM
FIGURE 1.12 Growth of capacity per DRAM chip over time. The y-axis is measured in Kilobits, where K = 1024 (210). The DRAM industry quadrupled capacity almost every three years, a 60% increase per year, for 20 years. In recent years, the rate has slowed down and is somewhat closer to doubling every two years to three years. Copyright © 2009 Elsevier, Inc. All rights reserved.
1,000,000
1976 1978 1980 1982 1984 1986
Year of introduction
1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008
Kbi
t cap
acity
16K
64K
256K
1M
4M
16M64M
128M256M 512M
1G
100,000
10,000
1000
100
10
Fonte: [COD4]
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 15 / 24
Tecnologia de base
Latência vs. débito
Fonte: [CAQA4]
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 16 / 24
Tecnologia de base
Evolução de CPUs (ITRS 2009)
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 17 / 24
Tecnologia de base
Evolução de System-on-Chip (ITRS 2009)
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 18 / 24
Tecnologia de base
Consumo de energia
O consumo de energia constitui uma limitação importante para osprocessadores actuais; pode ser mesmo mais importante que a área. Aenergia é dissipada sob a forma de calor. (Potência=Energia/Tempo)
Factor dominante tradicional: potência dinâmica.
Pdin =12× V2 × F × carga capacitiva
No caso de dispositivos móveis, interessa mais a energia (a capacidadeda bateria é dada em 1 A h = 3600 C).
Edin = V2 × carga capacitiva
Actualmente: potência (estática) da corrente de fugas é importante.
Pest = Iest × V
Em 2006: tentar limitar Pest a menos de 25% da potência total, o quenão é sempre conseguido.
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 19 / 24
Tecnologia de base
Consumo e frequência de operação para CPUs da Intel
2667
12.5 16
2000
200
66
25
3600
75.395
29.110.14.94.13.3
103
1
10
100
1000
1000080
286
(198
2)
8038
6(1
985)
8048
6(1
989)
Pen
tium
(199
3)
Pen
tium
Pro
(19
97)
Pen
tium
4W
illam
ette
(200
1)
Pen
tium
4P
resc
ott
(200
4)
Cor
e 2
Ken
tsfie
ld(2
007)
Clo
ck R
ate
(MH
z)
0
20
40
60
80
100
120
Pow
er (
Wat
ts)
Clock Rate
Power
FIGURE 1.15 Clock rate and Power for Intel x86 microprocessors over eight generations and 25 years. The Pentium 4 made a dramatic jump in clock rate and power but less so in performance. The Prescott thermal problems led to the abandonment of the Pentium 4 line. The Core 2 line reverts to a simpler pipeline with lower clock rates and multiple processors per chip. Copyright © 2009 Elsevier, Inc. All rights reserved.
Fonte: [COD4]
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 20 / 24
Tecnologia de base
Processo de fabrico
FIGURE 1.18 The chip manufacturing process. After being sliced from the silicon ingot, blank wafers are put through 20 to 40 steps to create patterned wafers (see Figure 1.19). These pat terned wafers are then tested with a wafer tester, and a map of the good parts is made. Then, the wafers are diced into dies (see Figure 1.9). In this fi gure, one wafer produced 20 dies, of which 17 passed testing. (X means the die is bad.) The yield of good dies in this case was 17/20, or 85%. These good dies are then bonded into packages and tested one more time before shipping the packaged parts to customers. One bad packaged part was found in this fi nal test. Copyright © 2009 Elsevier, Inc. All rights reserved.
Slicer
Dicer
20 to 40processing steps
Bond die topackage
Silicon ingot
Wafertester
Parttester
Ship tocustomers
Tested dies Testedwafer
Blankwafers
Packaged dies
Patterned wafers
Tested packaged dies
Fonte: [COD4]
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 21 / 24
Tecnologia de base
Bolacha com circuitos integrados
FIGURE 1.19 A 12-inch (300mm) wafer of AMD Opteron X2 chips, the predecessor of Opteron X4 chips (Courtesy AMD). The number of dies per wafer at 100% yield is 117. The several dozen partially rounded chips at the boundaries of the wafer are useless; they are included because it’s easier to create the masks used to pattern the silicon. This die uses a 90-nanometer technology, which means that the smallest transistors are approximately 90 nm in size, although they are typically somewhat smaller than the actual feature size, which refers to the size of the transistors as “drawn” versus the final manufactured size. Copyright © 2009 Elsevier, Inc. All rights reserved.
Fonte: [COD4]
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 22 / 24
Tecnologia de base
Densidade de defeitos e dimensão da pastilha
A figura mostra como a mesma densidade de defeitos afecta o rendimento demaneira diferente consoante a dimensão da pastilha.
4 pastilhas com defeito8 pastilhas sem defeitorendimento: 66,6%
4 pastilhas com defeito60 pastilhas sem defeitorendimento: 93,75%
Y =(1 + D×A
α
)−α
Y: rendimento D: defeitos por unidade de áreaA: área da pastilha α: parâmetro de calibração
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 23 / 24
Referências
Referências
CAQA4 J. L. Hennessey & D. A. Patterson, Computer Arquitecture: AQuantitative Approach, 4ª ed.
COD4 D. A. Patterson & J. L. Hennessey, Computer Organization andDesign, 4a ed.
ITRS International Tecnology Roadmap for Semiconductors, 2009Edition.http://www.itrs.net/Links/2009ITRS/Home2009.htm
Os tópicos tratados nesta apresentação são abordados nas seguintes secçõesde [CAQA4]:
1.1–1.6
João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 24 / 24