UNA NUEVA GENERACIÓN: HÍBRIDOS CPU/GPU. Microprocesadores para Comunicaciones. Paloma Monzón Rodríguez M

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1 UNA NUEVA GENERACIÓN: HÍBRIDOS CPU/GPU Microprocesadores para Comunicaciones 2010 Paloma Monzón Rodríguez M

2 Índice 1. Introducción Unidad Central de Procesamiento (CPU)... 4 Arquitectura básica Unidad de Procesamiento Gráfico (GPU)... 6 Arquitectura básica Híbridos CPU/GPU... 7 Unidad de Procesado Acelerado (APU) Xbox 360 Slim Referencias Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 2

3 1. Introducción Desde el comienzo del desarrollo tecnológico la tendencia ha sido la integración de los diferentes componentes de un circuito, un computador, etc. Así por ejemplo, apareció el circuito integrado o desapareció la FPU (Float Point Unit), encargada del procesado matemático en un PC, y cuya función pasó a ser parte de la CPU (Central Processing Unit). La unidad central de procesamiento de un ordenador es aquella que se ocupa del control y el proceso de datos. Está conectada a través de una serie de conexiones a los dispositivos de almacenamiento, de entrada y de salida, siendo éstos últimos por ejemplo, la pantalla. Al principio la CPU se encargaba del procesamiento gráfico, pues no era más que texto. Sin embargo, se desarrollaron entornos más visuales, que requerían de mayor disposición de la CPU, restándole un considerable tiempo de ejecución al resto de las aplicaciones no gráficas. Además, ésta no estaba enfocada al procesamiento de gráficos y como consecuencia era poco eficiente en este aspecto. Así nace la GPU (Graphics Processing Unit), un dispositivo diseñado exclusivamente para esta función. Los tiempos cambian y la tendencia continúa hacia la máxima integración posible. La unión de diferentes componentes en un todo. Pero, Por qué quedarse ahí? Es el momento de avanzar, dar un paso más y mirar hacia la fusión. Aparece así una nueva generación: Híbridos CPU/GPU. En el mercado actual es AMD la gran compañía que está apostando por esta nueva filosofía. Su rival, Intel, pretende seguir sus pasos e intenta adentrarse en este nuevo mundo. Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 3

4 2. Unidad Central de Procesamiento (CPU) Es aquel elemento del PC que se encarga de realizar las operaciones aritmético-lógicas, de control y de comunicación con el resto de dispositivos. Además de ejecutar los programas de usuario y sistema. Es un sistema de propósito general, diseñado para cubrir un amplio rango de aplicaciones y de usuarios. Se trata de un circuito integrado, un único fragmento de silicio que contiene millones de componentes electrónicos. Esto hace que también sea conocida como procesador o microprocesador. Es de lógica secuencial, por lo que su naturaleza es síncrona y opera en función de una señal de reloj, cuadrada periódica. La frecuencia de reloj indica la velocidad a la que un PC trata las instrucciones. Mide la cantidad de operaciones por ciclo (IPC) que puede realizar y los ciclos por segundo que desarrolla o MIPS. No es el único factor determinante del rendimiento de la CPU. Este está condicionado por la memoria caché, número de núcleos (físicos o lógicos), conjunto de instrucciones que soporta (ISA), arquitectura, etc. Cabe destacar que la frecuencia de reloj efectiva no es el producto de la frecuencia de cada núcleo físico por su número de núcleos, es decir, un procesador de 3 GHz con 6 núcleos físicos nunca tendrá 18 GHz, sino 3 GHz, independientemente de su número de núcleos. La frecuencia de reloj va estrechamente relacionada con la intensidad que circula por el semiconductor. Arquitectura básica Registros: Almacenan información temporalmente. Algunos están dedicados para funciones específicas. Unidad de control: Interpreta y ejecuta las instrucciones. Para cada instrucción se realizan cuatro operaciones básicas: 1. Fetch: Se obtiene una instrucción de un programa o datos de la memoria. 2. Decode: Se traduce la instrucción en comandos que la computadora pueda ejecutar. 3. Execute: Se procesan los comandos. 4. Store: Se escribe el resultado a la memoria. Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 4

5 La CPU debe esperar hasta que una instrucción complete las cuatro operaciones antes de comenzar a trabajar en la próxima instrucción. Para evitar esta espera se utiliza el pipelining, así se comienza a ejecutar la segunda instrucción antes de completar la primera. De esta manera se procesa con mayor rapidez. Unidad aritmético-lógica: Al sólo ejecutar instrucciones programadas a muy bajo nivel, realiza operaciones simples, aritméticas y lógicas (cálculos, comparaciones y toma de decisiones lógicas). Unidad de coma flotante (Coprocesador matemático o FPU): Permite operaciones con números decimales, elevando notablemente la eficiencia que proporciona solo la ALU. Memoria Caché: Se emplea para tener acceso rápido a ciertos datos que predeciblemente serán utilizados en las siguientes operaciones sin tener que acudir a la memoria RAM reduciendo el tiempo de espera. Poseen la llamada cache interna de primer nivel o L1, es decir, la que está más cerca. Las CPU más modernas incluyen otro nivel de caché más grande aunque algo menos rápida, la caché de segundo nivel o L2. Buses: Conjunto de conexiones que utiliza la CPU para aceptar órdenes del usuario, acceder a los datos y presentar los resultados. Figura 1. Diagrama de bloques. Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 5

6 3. Unidad de Procesamiento Gráfico (GPU) Se trata de un segundo procesador que se añade al ordenador para poder manejar los gráficos y así liberar la carga computacional de la CPU. A diferencia de ésta, es un dispositivo de propósito específico, dedicado a la obtención de imágenes 2D a partir de escenas sintéticas 3D para PC, Workstation o consolas de videojuegos. La función principal del pipeline gráfico es la generación de una imagen 2D a partir de un sistema compuesto por una cámara virtual, representaciones en tres dimensiones de objetos, fuentes de luz, etc. Algunas de sus operaciones son efectos de iluminación, transformaciones de un objeto y el movimiento 3D. Está especializada en la computación intensiva y masivamente paralela, que es exactamente de lo que se trata el renderizado de gráficos. Además, están diseñadas de forma que la mayor parte de los transistores que la componen están destinados al procesado de datos en lugar de al almacenamiento de ellos o control de flujo. Arquitectura básica Está compuesta por un número escalable de multiprocesadores paralelos (SM), que se agrupan en Cluster de Procesado de Hilos (TPC). Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 6

7 Cada SM cuenta con: Ocho procesadores escalares, que comparten la búsqueda y lanzamiento de las instrucciones, de manera que se ejecute la misma instrucción al mismo tiempo en ellos. Dos Unidades Especiales de Función (SFUs), son las que realizan las operaciones en punto flotante. Una unidad de multiplicación y suma (MAD) Una unidad de multiplicación (MUL) La comunicación entre la CPU y la GPU se realiza a través del bus PCI- Express. 4. Híbridos CPU/GPU Como se comentó en la Introducción, la tendencia es la integración y así es como aparece esta nueva tecnología de circuitos integrados. Se ha creado una nueva microarquitectura para que la CPU y la GPU funcionen coordinadamente, compartiendo varios componentes de ambas. Una de las ventajas que proporciona esta nueva generación es el menor consumo global. Esto se debe a que cuanto más se integren menos electricidad Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 7

8 consumirán, con ello hará falta un menor número de resistencias que disipen calor y, por tanto, que el dispositivo se caliente menos. Unidad de Procesado Acelerado (APU) Fusion es la tecnología por la que está apostando AMD, consiste en la combinación de un procesador x86, una unidad de procesamiento gráfico, un procesador de vídeo y otros coprocesadores en un solo dado de silicio. Este dispositivo se denomina Acelerate Processing Unit, APU. Los elementos importantes del sistema (núcleos x86, motores de vector (SIMD) y el decodificador de vídeo unificado (UVD)) se conectan directamente al mismo bus de alta velocidad, evitando así conectarse a los buses típicos (PCI- Express). Este concepto de diseño elimina una de las limitaciones fundamentales del rendimiento: la latencia, y por consiguiente, el consumo de energía. Además, la Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 8

9 GPU usará unas partes de la memoria central y la CPU otras, de manera que las transferencias entre ambas son muy rápidas. APU no solo ofrece un nuevo horizonte en el diseño hardware, sino que también le permitirá a los desarrolladores poder crear algoritmos de vectores de alto nivel, que antes estaban limitados por la reducida capacidad de cómputo. Debido a que los sistemas operativos y las aplicaciones más básicas tienen requisitos muy bajos comparados con las especificaciones técnicas de una máquina, permitirá a los fabricantes de hardware mantener un cierto rendimiento y a la vez reducir el tamaño de cada componente. AMD Fusion busca un menor consumo energético manteniendo un potencial suficiente para prácticamente cualquier usuario. Como esta nueva tecnología actualmente se ha centrado en las tareas básicas de un usuario, está orientada a ordenadores de bajo coste, bajo consumo energético y potencia limitada, así como para netbooks. Por ahora para aquellos que juegan a la máxima configuración posible o trabajan con aplicaciones profesionales, esta no será la tecnología más adecuada. Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 9

10 Como arquitecturas novedosas se emplearán Bulldozer, dedicada a sobremesas (domésticos y servidores); y Bobcat, para portátiles. Ambas implementarán un juego de instrucciones para SIMD, SSE5 y tendrán unos consumos muy bajos dependiendo del modelo escogido, entre 1 y 100W. Lanzamientos en los próximos años Nombre en Año Tecnología Arquitectura código Ontario nm Bobcat Zacate nm Bobcat Llano nm Stars/K10 Krishna nm Bobcat Wichita nm Bobcat Trinity nm Bulldozer Por su parte, Intel presentará el Sandy Bridge con la intención de adentrarse en este nuevo mundo. No será una renovación completa respecto de los actuales Nehalem, sino una pequeña evolución en ciertos aspectos: - Implementación de la CPU y la GPU bajo el mismo chip, aunque a diferencia de las APU no sobre el mismo dado. - Gráfica integrada tendrá un nuevo juego de extensiones del procesador (AVX). - Nueva arquitectura denominada de tipo anillo, la cual permitirá compartir cachés y memoria entre GPU y CPU. Lo más interesante está en las placas base, ya que utilizarán un nuevo socket (LGA 1155), un desarrollo que permite los 22 y 32 nm, una GPU integrada y una potencia que ofrecerá un rendimiento de un 20% superior a los modelos actuales (según los primeros tests) Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 10

11 Otra de las novedades serán los chipsets: Intel P67, H67 y H61, cuyas características aún son desconocidas. Se incluirá en procesadores de gama baja, media y alta. Las tres utilizarán el mismo socket, las mismas placas y los mismos chipsets, con lo que se podrá utilizar el Intel Core i3, i 5 e i7 con LGA 1155 independientemente del modelo. Las características siguen un camino similar al de los modelos de sobremesa, pero con menor potencia y más cometidos. Sandy Bridge también estará para portátiles. Su lanzamiento se prepara para Enero de 2011 y seguirán la misma nomenclatura que los microprocesadores actuales (Intel Core i3, i5 e i7). Algunos de los modelos serán: Intel Core i3-2100t Intel Core i5-2500t Intel Core i Intel Core i5-2500s Intel Core i Intel Core i Intel Core i5-2390t Intel Core i5-2500k Intel Core i Intel Core i7-2600s Intel Core i5-2400s Intel Core i Intel Core i Intel Core i7-2600k 5. Xbox 360 Slim Mientras AMD e Intel se abren camino en esta nueva generación, cuyos lanzamientos serán en los próximos años, Microsoft e IBM revelan que la Xbox GB System (Slim) combina una CPU y una GPU. IBM fabrica el procesador de la Xbox 360, Xenon, de tres núcleos y con una velocidad de reloj de 3,2 GHz. Por otro lado, ATI (ahora AMD/ATI) desarrolló un Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 11

12 chip de gráficos con una velocidad de 500 MHz, Xenos. Ambos chips comenzaron con la tecnología de 90 nm y fueron bajando hasta alcanzar los 45 nm. Esto permitió su unión bajo un mismo chip Vejle. Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 12

13 Los principales componentes internos de Vejle son un procesador de tres núcleos con caché L1 dedicado y 1 MB de caché L2 compartido, un núcleo de procesamiento gráfico y un controlador de memoria de doble canal. Además, incluye un componente llamado FSBR (Front-side bus replacement), cuya función es reducir el rendimiento del chip para que en ningún momento supere el alcanzado por los chips de las consolas antiguas. Es decir, estas consolas técnicamente son más rápidas pero Microsoft se ha encargado de frenar la velocidad de proceso. El número de transistores llega a tan solo 372 millones, lo que indica una simplificación en el diseño del chip, menor generación de calor y una significativa reducción en el consumo de potencia. En conclusión, los beneficios que aporta Vejle son costo, energía y tamaño, ya que la nueva consola es más pequeña, consume menos energía y es más barata de hacer. Es un chip extremadamente estable, con una refrigeración mucho más sencilla. 6. Referencias [1]-Wikipedia Unidad de coma flotante [En línea] Disponible en Consultado en Diciembre [2]-Wikipedia Microprocesador [En línea] Disponible en Consultado en Diciembre [3]- Tema 1: Introducción a los Sistemas Informáticos [En línea] Disponible en NTSI02.htm. Consultado en Diciembre Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 13

14 [4]- Central Processing Unit (CPU) [En línea] Disponible en Consultado en Diciembre [5]-Wikipedia Unidad central de procesamiento [En línea] Disponible en Consultado en Diciembre [6]-Prieto, A. Capítulo 5. Esquema de funcionamiento de un computador, Octubre [7]-Juega Reimúndez, Carlos. Estudio de rendimiento en GPU, Universidad Complutense de Madrid, Curso académico [8]-Benes, Bedrich. GPU and computer architecture, Universidad Purdue. [9]-Brookwood, Nathan. AMD Fusion Family of APUs: Enabling a Superior, Immersive PC Experience, Marzo [10]-Xataka AMD ya tiene preparados sus chips AMD Fusion, las APU ya están aquí [En línea] Disponible en Consultado en Diciembre [11]-Xataka Lanzamientos de AMD para 2010 y 2011 confirmados [En línea] Disponible en y-2011-confirmados. Consultado en Diciembre [12]-Xataka Intel también renovará el socket de los i3 e i5 con el LGA 1155, otro más para 2011 [En línea] Disponible en Consultado en Diciembre [13]-Xataka Intel Sandy Bridge se confirma para 2011 como una pequeña evolución de los Nehalem [En línea] Disponible en Consultado en Diciembre [14]-Xataka Intel Sandy Bridge preparan su desembarco en enero [En línea] Disponible en Consultado en Diciembre [15]- Microsoft revela el secreto del APU (GPU + CPU + MC) de la Xbox 360s Slim. [En línea] Disponible en Consultado en Diciembre [16]- Vejle: El nuevo chip de la Xbox 360 S [En línea] Disponible en Consultado en Diciembre Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 14

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