Surgimento dos Processadores Multicore. Prof. Dr. César A. F. De Rose

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Zaira Amaral Godoi
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2 Surgimento dos Processadores Multicore Prof. Dr. César A. F. De Rose

3 Contexto Motivos para a transição Definição Vantagens Desvantagens

4 Contexto Como já vimos, o processador é o principal componente de um computador. o Executa os programas sobre os dados. o Seu desempenho tem grande impacto no desempenho final do sistema. Sendo assim, é natural que a capacidade do processador seja o principal argumento de vendas. o Indústria tem a necessidade de aumentar constantemente o desempenho para vender novas máquinas. Volume de dados a ser processado cresce (fotos, dados de leitores externos, vídeos). Programas colaboram, ficam cada vez mais elaborados e sem máquinas novas ficam lentos (Ex: Sistemas Operacionais, Jogos, Editores de texto, programas para criar vídeos em casa).

5 Como se aumentava o Desempenho antes do Multicore? Forma de fazer era aumentando a frequência. o Expressa quantas vezes faço uma operação por intervalo de tempo. Ex.: uma pessoa usando uma calculadora faz 4 contas por minuto. Se aumentar a frequência de fazer contas, fará mais contas por minuto. 2x mais rápido -> 8 contas por minuto. Ex.: número de remadas que um remador faz por minuto. Se aumentar a frequência da remada, o barco vai andar mais rápido. o Frequência de um computador (frequência do relógio em inglês clock) é expressa em Herz (Hz) por questões ligadas a sua forma de construção (eletrônica). Pode ser visto como um marca passo, um bumbo que indica o ritmo da remada para todo o sistema. Nos primeiros computadores (meados de 1940) se falava em Kiloherz (khz mil) por segundo, passando uma época por Megaherz (MHz milhão) e hoje temos processadores que operam na faixa de alguns Gigaherz (GHz - Bilhão) de ciclos por segundo.

6 Problemas Ligados ao Aumento de Frequência É limitado por questões físicas (dos materiais usados) e este limite estava se aproximando (ver gráfico no próximo slide). o Se não conseguir aumentar mais, como vender máquinas novas? Aumentar a frequência tem como consequência um aumento de temperatura dos componentes. o Estava ficando difícil de gerenciar (muitos ventiladores o que resulta em um sistema barulhento, resfriamento á água que é mais caro e arriscado por causa de vazamentos). o Em lugares quentes o processador se desliga para não queimar. o Situações inusitadas de usuários fritando ovos em seus sistemas. Um aumento de frequência de 2x implica em um aumento de consumo de 4x (relação quadrática). o Custo de luz em grandes sistemas estava crescendo muito. o Péssimo para dispositivos móveis que ficavam rapidamente sem bateria. Mercado que estava crescendo muito no final dos anos 90.

7 Gráfico de Aumento da Frequência Fonte: A Picture of the Multicore Crisis Postado por Bob Warfield em September 6,

8 Solução da Indústria: Migração para Processadores Multicore Nova forma de aumentar o desempenho! Mantenho (até baixo a frequência) utilizando mais unidades que executam tarefas. o Ex. da calculadora: utilizo várias pessoas realizando cálculos ao mesmo tempo que juntos farão mais cálculos por um determinado espaço de tempo. o Ex. dos remadores: coloco mais remadores em um barco que juntos farão o barco andar mais rápido. o Ex. de um avião: coloco mais turbinas em um avião. Em vez voar com apenas uma turbina mais potente/acelerada, utilizo duas menos potentes que juntas farão o avião voar mais rápido.

9 Definição de Multicore No caso do computador, utilizo um processador que possui vários núcleos que calculam juntos dentro dele. Por isto a expressão Multicore: o Multi -> múltiplos. o Core -> núcleos em inglês. Tecnologia surgiu no final dos anos 80 mas entrou em produção em larga escala apenas no início dos anos 2000 (Fabricantes: Intel AMD). o Foi possível também por avanços tecnológicos na construção de chips, que permitiu que mais componentes coubessem no mesmo espaço. Ciclo normal em tecnologia, inicia com protótipos, depois com produção em menor escala à um preço muito alto e chega enfim ao mercado em larga escala com preço competitivo.

10 Vantagens Aumentar o número de núcleos aumenta o desempenho do processador aumentando bem menos o consumo de energia. o Duplicar o número de núcleos apenas duplica o consumo (relação linear), diferentemente dos tempos de aumento de frequência, onde o aumento no consumo seria de 4 vezes (relação quadrática) - ver gráfico. o Um menor aumento de consumo implica em menos aquecimento o que diminui a necessidade de resfriamento. Sendo possível até máquinas sem ventiladores, muito mais silenciosas. Permite a utilização de processadores muito mais poderosos em equipamentos móveis por muito mais tempo sem recarga de bateria. o Ideal para smartphones, tablets, laptops, equipamentos embarcados (drones, etc.).

11 Vantagens No caso do usuário estar executando vários programas, cada núcleo vai ficar responsável por um programa, de forma que os programas executam de forma mais eficiente. o Ex.: usuário navega na internet, ouve música, escreve um texto e edita uma planilha. o Em um processador com quatro núcleos, cada um destes programas executa em um dos núcleos. o Programas executam ao mesmo tempo, em vez de serem multiprocessados, como seria em uma máquina com um único processador que não seja multicore. Concorrem pelo mesmo núcleo, que os executa de forma intercalada, o que demora mais.

12 Desvantagens Programa precisa ser adaptado para atingir a capacidade máxima de desempenho do processador (programação paralela), diferentemente dos tempos de aumento de frequência onde o ganho era automático. o Sem alterar os programas só se usa um núcleo. Preciso quebrar em partes que vão ser executadas nos vários núcleos ao mesmo tempo. o Esta alteração pode ser bem custosa e também pode resultar em erros que não existiam no programa original. o Alguns problemas não se adaptam bem a este tipo de adaptação. Possuem tarefas que dependem uma da outra. Exemplo de várias pessoas com calculadores calculando uma sequencia como Fibonacci O próximo número depende dos 2 anteriores, como fazer ao mesmo tempo? Caminho para outros componentes é normalmente único, e desta forma limita o que entra e sai do processador, o que pode anular o ganho com a multiplicação dos núcleos. o Exemplo de um sistema hidráulico, banheiro com vários chuveiros sem alterar o cano de entrada de água.

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