EL COMPUTADOR. 1. El Pasado. 2. El Presente. 3. Estructura Básica. 4. Rendimiento. 5. Disipación de Potencia

Transcripción

1 1. EL COMPUTADOR 1

2 EL COMPUTADOR 1. El Pasado 2. El Presente 3. Estructura Básica 4. Rendimiento 5. Disipación de Potencia 2

3 EL COMPUTADOR 1. El Pasado 3

4 El Pasado Los precursores Pascalina Ábaco Máquina de Leibniz El Computador Máquina analítica 4

5 El Pasado ENIAC 1946 El Computador 5

6 El Pasado ENIAC 1946 El Computador 6

7 El Pasado ESPAÑA 1954 El Computador 7

8 El Pasado Esta foto es falsa pero refleja las ideas de la época. Supuesta predicción hecha en 1954 sobre el aspecto de un computador personal en 2004 El Computador 8

9 El Pasado Where a calculator on the ENIAC is equipped with 18,000 vaccuum tubes and weighs 30 tons, computers in the future may have only 1,000 vaccuum tubes and perhaps weigh 1.5 tons. Popular Mechanics, March 1949 Mientras que el ENIAC está equipado con válvulas de vacío y pesa 30 toneladas, los computadores del futuro pueden tener sólo válvulas de vacío y quizás pesen 1.5 toneladas El Computador 9

10 El Pasado Es evidente que la previsión no fue muy acertada Por qué se alejaron tanto de la realidad? Principalmente por la revolución tecnológica que supusieron el transistor y la integración de circuitos a gran escala. El Computador 10

11 El Pasado ENIAC en un chip ,44 mm 5,29 mm Tecnología de 500 nm El Computador 11

12 El Pasado El grado de integración ha ido en aumento: Intel Tecnología de 8 µm = 8000 nm ENIAC en un chip 1997 Tecnología de 500 nm Intel Core i Tecnología de 45 nm El Computador 12

13 El Pasado Pero... de qué tamaños estamos hablando? Cabello humano 100 µm Tecnología de 8 µm (1971) El Computador 13

14 El Pasado Pero... de qué tamaños estamos hablando? Tecnología de 8 µm (1971) Bacteria Escherichia Coli 1 µm x 3 µm Tecnología de 500 nm (1997) Tecnología de 45 nm (2008) Virus HIV 100 nm... y sigue aumentando el grado de integración. El Computador 14

15 El Pasado Intel El Computador 15

16 El Pasado Intel 4004 El Computador 16

17 El Pasado Intel 4004 El Computador 17

18 El Pasado Intel 4004 El Computador 18

19 El Pasado Intel 4004 Generador de 8 fases de reloj Pila y contador de programa ALU Decodificación de instrucciones Registros índice El Computador 19

20 EL COMPUTADOR 2. El Presente 20

21 El Presente Intel Core i El Computador 21

22 El Presente Intel Core i El Computador 22

23 El Presente Intel Core i Núcleos Caché L3 común El Computador 23

24 El Presente Intel Core i Núcleos Caché L3 común El Computador 24

25 El Presente Intel Core i Planificador de ejecución fuera de orden Decodificación Núcleos Unidades de Ejecución Caché L1 de datos Caché L1 de instrucciones Caché L3 común Predicción de salto Caché L2 El Computador 25

26 El Presente Intel Core i Núcleos Caché L3 común El Computador 26

27 El Presente POWER 7 (IBM 2010) Ceramic module El Computador 27

28 El Presente POWER 7 (IBM 2010) 45 nm 1200 millones de transistores 4,6 y 8 núcleos Por núcleo: 4 hilos de ejecución por núcleo L1 32K (instrucciones) + 32K (Datos) L2 256K L3 4M (máximo 32 MB) Potencia Teórica de cálculo para 8 núcleos y reloj a 4 Ghz Por núcleo 33,12 GFLOPS Por procesador 264,96 GFLOPS El Computador 28

29 El Presente POWER 7 (IBM 2010) núcleos POWER 7 L3 caché 32MB Reloj a 4.0 GHz Memoria principal 1 petabyte (10 15 ) Disco más de10 petabytes Conexión a Internet 400 Gbit/s 10 PETAFLOPS National Center for Supercomputing Applications University of Illinois at Urbana-Champaign Completed in Aplicaciones Biología Evolución del cosmos Investigación en nuevos materiales Fenómenos climatológicos El Computador 29

30 El Presente CELL (Sony-Toshiba-IBM) El Computador 30

31 El Presente CELL (Sony-Toshiba-IBM) El Computador 31

32 El Presente CELL (Sony-Toshiba-IBM) El Computador 32

33 El Presente CELL (Sony-Toshiba-IBM) El Computador 33

34 EL COMPUTADOR 3. Estructura Básica 34

35 Estructura Básica Niveles de máquina Lenguajes de alto nivel Lenguaje ensamblador Sistema operativo Es lo que define la arquitectura Máquina convencional El Computador 35

36 Estructura Básica Soporte de los niveles Interpretación Nivel 2 Programa fuente Nivel 1 Intérprete El Computador 36

37 Estructura Básica Soporte de los niveles Traducción Nivel 2 Programa fuente Nivel 1 Traductor Programa objeto El Computador 37

38 Estructura Básica Soporte de los niveles Traducción Nivel 2 Programa fuente Nivel 1 Traductor Programa objeto Ensamblador: 1 instrucción fuente à 1 instrucción objeto Traductor Compilador: 1 instrucción fuente à varias instrucciones objeto El Computador 38

39 Estructura Básica Arquitecturas CISC (Complex Instruction Set Computer) Máquina convencional Ventajas de tener instrucciones muy potentes: Los programas ocupan menos (La memoria era muy cara) Hay menos accesos a memoria (La memoria era muy lenta) Puede facilitar la construcción compiladores Con la microprogramación era muy fácil implementar instrucciones complejas Máquina convencional Microprograma El Computador 39

40 Estructura Básica Arquitecturas CISC (Complex Instruction Set Computer) Máquina convencional Características de las instrucciones: Número elevado Muchos modos de direccionamiento Longitud variable Formato irregular Muchas instrucciones operan con la memoria El Computador 40

41 Estructura Básica Arquitecturas RISC (Reduced Instruction Set Computer) Máquina convencional Ventajas de tener instrucciones sencillas: Se ejecutan más rápido Acceso a memoria más rápido Procesadores más simples, lo que permite mejorarlos El Computador 41

42 Estructura Básica Arquitecturas RISC (Reduced Instruction Set Computer) Máquina convencional Características de las instrucciones: Número más reducido Menos modos de direccionamiento Longitud fija (Optimiza la extracción) Formato regular (Optimiza la decodificación) Filosofía Load / Store Memoria separada Cauce segmentado El Computador 42

43 Estructura Básica Taxonomía de Flynn Flujo de datos Simple Múltiple Flujo de instrucciones Simple Múltiple SISD MISD SIMD MIMD El Computador 43

44 Estructura Básica Arquitectura de Von Newman CPU MEMORIA E/S El Computador 44

45 Estructura Básica Chipset típico CPU Tarjeta Gráfica FSB Puente Norte (MCH) Memoria Principal Puente Sur (ICH) Ratón Teclado Disco USB El Computador 45

46 Estructura Básica Chipset para Intel Core i7 El Computador 46

47 Estructura Básica Placa base de Intel Core i7 CPU X58 ICH10 El Computador 47

48 Estructura Básica Placa base de Intel Core i7 X58 CPU ICH10 El Computador 48

49 EL COMPUTADOR 4. Rendimiento 49

50 Rendimiento Programa : move r1,r2 add r3,r4 move r1,r5 : Tiempo de ejecución Rendimiento = 1 Tiempo de ejecución El Computador 50

51 Rendimiento Programa A : move r1,r2 add r3,r4 move r1,r5 : Programa B : xor r4,r1 move r4,r5 sub r1,r2 : Si Tiempo de ejecución de A < Tiempo de ejecución de B diremos que A es n veces más rápido que B, siendo n = Tiempo de ejecución de B Tiempo de ejecución de A = Rendimiento de A Rendimiento de B El Computador 51

52 Rendimiento Ecuación de rendimiento del procesador Programa : move r1,r2 Ciclos Por Instrucción add r3,r4 move r1,r5 : CPI = Ciclos de reloj para el programa Número de instrucciones ejecutadas T ej. = I x CPI x T = I x CPI F I : Instrucciones ejecutadas T : Periodo del reloj F : Frecuencia del reloj El Computador 52

53 Rendimiento Ley de Amdhal Permite calcular la ganancia en el rendimiento que obtendríamos al mejorar una parte del computador. Establece que la ganancia está limitada por la fracción de tiempo en la que puede ser utilizada la mejora. Seguidamente vamos a definir algunos conceptos a partir de los cuales definiremos la ley. El Computador 53

54 Rendimiento Aceleración (speedup) Nos indica el aumento de rendimiento o mejora del tiempo de ejecución tras haber introducido la mejora. S = Tiempo de ejecución sin la mejora Tiempo de ejecución con la mejora S = Rendimiento con la mejora Rendimiento sin la mejora El Computador 54

55 Rendimiento Fracción mejorable Indica la parte del tiempo total de ejecución que puede ser reducida mediante la mejora. F = Tiempo que se puede mejorar Tiempo total Mejora Indica cuantas veces es más rápida la parte mejorada respecto a la versión sin la mejora. M = Tiempo sin mejora Tiempo con mejora El Computador 55

56 Rendimiento El nuevo tiempo de ejecución se puede calcular como: T nuevo = T Antiguo x (1 - F) + F 1 M Con lo que la aceleración tras la mejora será: S = T Antiguo T Nuevo = 1 (1 - F) + F M El Computador 56

57 Rendimiento Medición del rendimiento Cómo medir el comportamiento de los computadores? Información del S.O. Kernels Conjuntos de benchmarks Monitores hardware Los más utilizados son los conjuntos de benchmarks de la organización SPEC El Computador 57

58 Rendimiento SPEC Standard Performance Evaluation Corporation Consiste en un conjunto de programas que se pasan en la máquina a evaluar. Los resultados se comparan con los obtenidos en una máquina de referencia. Hay distintos tipos de test según las características que se quieran evaluar. El Computador 58

59 Rendimiento Ejemplo de SPEC El Computador 59

60 Rendimiento El Computador 60

61 Rendimiento El Computador 61

62 Rendimiento El Computador 62

63 Rendimiento El Computador 63

64 Rendimiento El Computador 64

65 Rendimiento El Computador 65

66 Rendimiento El Computador 66

67 Rendimiento El Computador 67

68 Rendimiento El resto son indicaciones sobre las opciones de compilación usadas, flag de optimización, etc El Computador 68

69 EL COMPUTADOR 5. Disipación de Potencia 69

70 Disipación de Potencia La disipación de calor es uno de los grandes problemas en el diseño de los procesadores y de los circuitos integrados en general. El calor es generado por la potencia disipada y ésta ha ido en aumento con el paso de los años: 0,45 W 160 W El Computador 70

71 Disipación de Potencia El intercambio de calor con el aire exterior se realiza a través de la superficie del chip. Por lo tanto conviene: Lograr una gran superficie de intercambio. Renovar rápidamente el aire que se va calentando. El Computador 71

72 Disipación de Potencia El aumento de la superficie de disipación se obtiene acoplando estructuras de materiales que conduzcan fácilmente el calor y una gran superficie. El Computador 72

73 Disipación de Potencia La rápida renovación del aire se logra acoplando ventiladores a las estructuras de disipación. El Computador 73

74 Disipación de Potencia En casos extremos se utilizan métodos más sofisticados: Refrigeración por agua Hielo seco Célula Peltier El Computador 74

75 Disipación de Potencia Potencia total disipada Potencia dinámica + Potencia de cortocircuito + Potencia estática El Computador 75

76 Disipación de Potencia Potencia dinámica Se produce por la conmutación de los transistores. P d = A x C x V 2 x F A : Coeficiente de actividad C : Capacidad V : Voltaje de funcionamiento F : Frecuencia de conmutación El Computador 76

77 Disipación de Potencia Potencia de cortocircuito Es debida a la corriente que fluye durante un tiempo t entre la alimentación y la tierra cuando las puertas conmutan. P c = A x t x V x I c A : Coeficiente de actividad t : Tiempo V : Voltaje de funcionamiento I c : Corriente de cortocircuito El Computador 77

78 Disipación de Potencia Potencia estática Es provocada por la corriente de pérdida que fluye por el transistor aunque éste no funcione. Aunque es muy pequeña, adquiere la suficiente importancia cuando el número de transistores es elevado. P e = V x I e V : Voltaje de funcionamiento I e : Corriente estática de fuga El Computador 78

79 Disipación de Potencia Para disminuir el consumo de potencia se puede: Disminuir la tensión de alimentación (V) (Ha pasado de 5 V a poco más de 1 V) Disminuir la frecuencia (F) La capacidad (C) depende del número de transistores, la tecnología y su interconexión. Algunos procesadores reducen su actividad de forma automática cuando se calientan demasiado. También pueden desconectar el reloj de los módulos que no se están utilizando (por ejemplo, la unidad F.P.) El Computador 79