PDF de programación - Tema 1 - Introducción: Tendencias Tecnológicas Coste/Rendimiento/Consumo

Arquitectura de Computadores

Tema 1

Introducción: Tendencias Tecnológicas

Coste / Rendimiento/ Consumo

Curso 2015-2016

Contenidos

o La asignatura. ¿Qué estudia?

o El entorno tecnológico

o Rendimiento

o Consumo

o Coste

o Bibliografía

Capítulo 1 de [HePa12]
Semiconductor Industry Association. http://public.itrs.net
Standard Performance Evaluation Corporation. http://www.spec.org
Transaction Processing Council. http://www.tpc.org

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La asignatura

 Niveles de descripción y diseño de un computador

Aplicación

Lenguaje de alto nivel

Sistema Operativo /

Compilador

Arquitectura del repertorio

de instrucciones

Organización

Hardware del sistema

Circuito Digital

Físico

Ofimática (MS-Office, Contaplus, D-Base)
Comunicaciones (Netscape, Explorer, Mail)
Diseño (AutoCAD, ...), Multimedia, Juegos, etc.

FOR, WHILE, REPEAT, PROCEDURE, ...
PASCAL, FORTRAN, C, COBOL, BASIC, ...
MODULA, C++, JAVA, ...

Gestión de memoria
Gestión de procesos
Gestión de ficheros

Compilación
Enlazado
Ubicación

Registros

Loop move #$10, R0

Registro Estado

Contador Programa

load R1(dir1), R2
add R2, R0
sub #1, R1
beq Loop

R0

•••

R7

CPU

Mem.

Bus

E/S

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La asignatura

 Niveles de descripción y diseño de un computador

Aplicación

Lenguaje de alto nivel

Sistema Operativo /

Compilador

Arquitectura del repertorio

de instrucciones

Organización

Hardware del sistema

Circuito Digital

Físico

¿Dónde se estudia?
Auto-aprendizaje, Laboratorios, ...

FP, EDA, TP, …

Sistemas Operativos / PL

FC, TOC, EC, (AE, SE, DAS)

ARQUITECTURA DE COMPUTADORES

FC, TOC, (DAS)

FEE

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La asignatura

ISA: Interfase Critico

instruction set

software

hardware

 Propiedades

o Permanencia con el tiempo / tecnología (portabilidad)
o Proporciona funcionalidad eficaz a los niveles superiores
o Permite implementación eficiente en los niveles inferiores

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La asignatura

 ¿Qué estudia la asignatura?

Entrada/salida y almacenamiento

Discos, WORM, Cintas

RAID

DRAM- Memoria Central

Jerarquía
de Memoria

L2/L3 Cache

Coherencia,
Ancho de banda,
Latencia

VLSI

L1/L2 Cache

Arquitectura del Procesador

Segmentación , ILP, TLP
Segmentación, riesgos (hazards),
superescalar, ejecución fuera de orden,
predicción, especulación, multithreading

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La asignatura

 ¿Qué estudia la asignatura?

MPMP

° ° °

PMP

M

S

Red de interconexión

Switch (S) Procesador (P) Memoria (M)

Multiprocesadores
Redes de Interconexión

Memoria compartida:
centralizada,
distribuida,
paralelismo de datos

Red

Topología,
Routing,
Ancho de banda,
Latencia,

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Evolución y tendencias

El escalado de la tecnología continua.

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Evolución y tendencias

 1949 EDSAC 10² op/seg

 1957 Transistor: de 10³ a 104 op/seg

o DEC PDP-1 (1957)
o IBM 7090 (1960)

 1965 CI: de 105 a 106 op/seg

o IBM System 360 (1965)
o DEC PDP-8 (1965)

 1971 Microprocesador

o Intel 4004

 2003 más de 3x1013 op/seg

Transistor (47) PN 56

CI (58) PN2000

 2010 > 1015 op/seg (1 Pflops)

Intel Xeon 7500, 8c, 16Th

 Jun 2014 (top 500)

o 1º Tianhe-2 (MilkyWay-2) 3,120,000 cores, 33.9 Pflops
o 41º Mare Nostrum 48,896 cores, 925 Tflops

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Oblea
(Wafer)

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Evolución y tendencias

Top 500: junio 2011

Desde lista anterior: 7 meses

Capac. total agregada: pasa de 43.6 Pflops a 58.9 Pflops
Capac. último lista: pasa de 31.1 Tflops a 40.2 Tflops

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Evolución y tendencias

Top 500: noviembre 2011

De lista anterior a esta: 5 meses

Capacidad Total: pasa de 58.9 Pflops a 74.2 Pflops
Capacidad último lista: pasa de 40.2 Tflops a 50.9 Tflops

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Evolución y tendencias

Top 500: jun 2014

Capacidad Total: 274 Pflops
Último lista: 134 Tflops

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La ley de Moore

 La Ley de Moore

Predicted!

Electronics – Abril 1965

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La ley de Moore

 La Ley de Moore se ha cumplido

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Fuente: Intel Corporation

La Ley de Moore

 Microelectrónica y microarquitectura

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La Ley de Moore

 Microelectrónica + Microarquitectura

 Una industria con un progreso que no tiene equivalente

 Doblado cada 18 meses (1982-2000):
- Total de incremento 3,200X
- Los coches viajarían a 176,000 MPH; y recorrerían 64,000

millas/gal.

- El viaje: L.A. a N.Y. en 5.5 seg (MACH 3200)

 Doblado cada 24 meses (1971-2001):
- total de incremento 36,000X
- Los coches viajarían a 2,400,000 MPH; y recorrerían 600,000

millas/gal.

- El viaje: L.A. a N.Y. en 0.5 seg (MACH 36,000)

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La Ley de Moore

 Microelectrónica y microarquitectura

Objeto de AC

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La Ley de Moore

El escalado de la tecnología puede acabar hacia el final de la década
El grosor del aislante de la puerta esta limitado a 2nm

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Fuente: Intel Corporation

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La Ley de Moore

9

9

193nm

Manufacturing process details from 1997 to 2011

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Fuente: Intel Corporation

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La Ley de Moore: problemas

1er problema: consumo “Power Wall”

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Fuente: Intel Corporation

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La Ley de Moore: problemas

1er problema: consumo “Power Wall”

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Fuente: Intel Corporation

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La Ley de Moore: problemas

2º problema: retardo interconexiones

El rendimiento del transistor (retardo) escala linealmente con la tecnología
El retardo de la interconexión no escala con la tecnología

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La Ley de Moore: problemas

2º problema: retardo interconexiones.

¿Qué % del área del chip se puede alcanzar en un ciclo de reloj?

Pero...¿cuánto
dura un ciclo?

Ciclo:

16 FO4: Clk = 16 veces el retardo
de un inversor con “fan-out” 4

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Multi - Many cores

La Ley de Moore

El punto de inflexión

May 17, 2004 … Intel, the world's largest chip maker, publicly acknowledged
that it had hit a ''thermal wall'' on its microprocessor line. As a result,
the company is changing its product strategy and disbanding one of its most
advanced design groups. Intel also said that it would abandon two advanced
chip development projects … Now, Intel is embarked on a course already
adopted by some of its major rivals: obtaining more computing power by
stamping multiple processors on a single chip rather than straining to
increase the speed of a single processor … Intel's decision to change course
and embrace a “dual core” processor structure shows the challenge of
overcoming the effects of heat generated by the constant on-off movement
of tiny switches in modern computers … some analysts and former Intel
designers said that Intel was coming to terms with escalating heat
problems so severe they threatened to cause its chips to fracture at
extremetemperatures…

New York Times, May 17, 2004

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El entorno: tendencias

 Latencia y ancho de banda en los últimos 25 años: desequilibrios
CPU alta,
Memoria Baja
(“Memory Wall”)

 Procesador: ‘286, ‘386,

‘486, Pentium, Pentium 4,
Core i7 (80x,25000x)

 Ethernet: 10Mb, 100Mb,

1G/s, 10Gb/s, 100Gb/s
(30x,10000x)

 Modulo de Memoria: DRAM,
Page Mode DRAM, SDRAM,
DDR2-3 SDRAM (6x,1200x)

 Disco : 3600, 5400, 7200,
10000, 15000 RPM (14x, 350x)

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El entorno: tendencias

 Latencia y ancho de banda en los últimos 25 años: Procesador

*

(*) Tiempo de una op. sencilla, asumiendo que no hay contención

Fig 1.10 H&P 5th ed (detalle).

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x 25K
x 80

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Rendimiento

 Evolución del rendimiento de los procesadores

Medida de rendimiento utilizada:
número de veces más rápido qué el VAX-11/780

Multicore

RISC

- Disipación calor
- Agotamiento ILP
- Latencia memoria

Perf.
x 11,7

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30 años de evolución

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30 años de evolución

 La Regla de Pollack (Intel)

o Regla empírica: El rendimiento obtenido con un

conjunto de recursos, R, crece de forma
proporcional a al raíz cuadrada de R.

Rend (R) ~ √ R

 Transistores/Consumo 2x → Rendimiento 1.4x
 Transistores/Consumo 4x → Rendimiento 2x

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Rendimiento

 Medidas del rendimiento

Respuestas por mes, hora, segundo
Operaciones por segundo TPC

Aplicación

Lenguajes de
Programación

Compilador

ARI (ISA)

(millones) de Instrucciones por segundo: MIPS
(millones) de (FP) operaciones por segundo: MFLOP/s

Datapath
Control

Unidades Funcionales

Transistores

cables

Megabytes por segundo

Ciclos por segundo (frecuencia de reloj)

La única medida fiable es el tiempo de ejecución programas reales
Dos aspectos: Rendimiento del procesador, Rendimiento del computador

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Rendimiento

 Rendimiento del procesador

TCPU= N * CPI * t

 N: nº de instrucciones (Compiladores y LM)
 CPI: (LM, implementación, paralelismo)
 t: período de reloj (implementación, tecnología)

 Ciclos medios por instrucción (CPI)

CPI = (TCPU * Frecuencia de reloj) / Numero de Instrucciones

= Ciclos / Numero de Instrucciones

Si asumimos que existen n tipos de instrucciones:

n

TCPU = t *  (CPI j

j = 1

* I j ) (Ij = nº instrucciones tipo j ejecutadas)

Dividiendo por (t.N)

n

CPI =  CPI j

j = 1

* F j (donde Fj es la frecuencia de aparición de la instrucción tipo j)

Ejemplo : ALU 1 ciclo( 50%), Ld 2 ciclos(20%), St 2 ciclos(10%), saltos 2 ciclos(20%)

CPI = 1*0,5 + 2*0,2 + 2*0,1 + 2*0,2 = 1.5

Invertir recursos donde se gasta el tiempo

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Rendimiento

 Rendimiento global del computador : Benchmarks

 La única forma fiable es ejecutando distintos programas reales.

 Programas “de juguete”: 10~100 líneas