Arquitetura II. CI312 Arquiteturas Avançadas de Computadores CI702 Arquitetura de Computadores Arquitetura para Adultos

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1 Arquitetura II CI32 Arquiteturas Avançadas de Computadores CI702 Arquitetura de Computadores Arquitetura para Adultos Roberto Hexsel UFPR-CI32,CI introdução Por que estudar Arquitetura? ser um programador competente: usar caches e memória virtual de forma vantajosa; aprender algoritmos e técnicas para alta velocidade: tirar proveito de paralelismo e da hierarquia de memória; usar bem recursos da máquina: tirar proveito de E/S, segmentação; poder trabalhar com eletrônica embarcada: mercado amplo e com poucos programadores competentes; entender artigos das revistas da ACM, IEEE; e, principalmente, ser feliz a vida é de vocês... UFPR-CI32,CI introdução 2 Bibliografia texto: Computer Architecture: A Quantitative Approach, H&P-QA J L Hennessy e D A Patterson, 5a Ed, Morgan Kaufmann, 20. textos auxiliares: Computer Organization and Design, P&H-COD D A Patterson e J L Hennessy, 5a Ed, Morgan Kaufmann, 204 Readings in Computer Architecture, na biblioteca M D Hill, N P Jouppi, G S Sohi, Morgan Kaufmann, slides em Artigos para discussão podem ser baixados do Depto/UFPR. UFPR-CI32,CI introdução 3

2 Programa Tendências tecnológicas () avaliação de desempenho () revisão pipelines, processadores super-escalares (3) hierarquia de memória, caches, mem virtual (5) até aqui é revisão de ARQ- conjuntos de instruções - MIPS64 () todos devem estar com o livro! paralelismo no nível de instrução, hw e sw (4) 6abr entrega T 30abr prova introdução a VHDL (2, para o trabalho) aritmética de ponto flutuante () multiprocessadores, mem logicamente compartilhada (4) paralelismo SIMD, vetores () sistemas de E/S, discos () 23jun prova 25jun entrega T2 07jul final Folgas: 2abr, 04jun UFPR-CI32,CI introdução 4 Material adicional para o curso grupo em bcc32-5@googlegroups.com escreva para rhexsel@gmail.com com assunto=grupo ci32 UFPR-CI32,CI introdução 5 Mercado de computadores espaço em branco proposital UFPR-CI32,CI introdução 6

3 Mercado de microprocessadores no passado recente Até 996, o campeão de vendas era o 68x05 (8b), com mais de dois bilhões de unidades desde seu lançamento em Em 2000, foram vendidos duas vezes mais processadores de 32 bits para uso embutido do que para uso em desktops... Em 2004, CPUs classe P4 (Intel+AMD) são <3% do mercado (#s) Em 2004, CPUs classe P4 são >75% do mercado ($$) maior mercado é o de processadores embutidos... Software para desktop é menos que 0% de todo software novo, software embarcado é mais de 70% de todo o software novo UFPR-CI32,CI introdução 7 O quê vendeu onde (200)...,800 bilhões dispositivos móveis, 90% telefones 0,350 bilhões PCs desktops, mais de metade são laptops 0,020 bilhões servidores 9,000 bilhões embarcados, 6, bilhões ARM de USB a roteador... qual é o mercado em que vale a pena apostar? qual sua aposta? a pergunta é a mesma para engenheiros e programadores UFPR-CI32,CI introdução 8 Um único fornecedor em Entre outubro e dezembro, a Apple vendeu 74,5 milhões de iphones no mundo, um crescimento de 46% em um ano. Vendemos 44 mil iphones por hora. É até difícil de entender. O lançamento do iphone 6 e 6 Plus foi o mais rápido da nossa história. O produto já está presente em 30 países, comentou o CEO da Apple, Tim Cook, durante a teleconferência sobre o balanço. No quarto trimestre, a Apple vendeu 5,5 milhões de computadores e 2 milhões de ipads. [mais 74,5 milhões de iphones] kamel-a-apple-vende-44-mil-iphones-por-hora/ UFPR-CI32,CI introdução 9

4 Abstrações em Arquitetura Aplicação Algoritmo Linguagem de programação Sistema Operacional Conjunto de Instruções Microarquitetura Hardware (Register-Transfer Level) Portas lógicas Circuitos Transistores Física de Semicondutores UFPR-CI32,CI introdução 0 Definição de Arquitetura de Computadores. arquitetura do conjunto de instruções (CdI): conjunto de instruções e registradores visíveis ao programador Instruction Set Architecture = ISA 2. organização: blocos como sistema de memória, barramentos, CPU mais de uma implementação de mesmo conjunto de instruções (AMD e Intel, 80{,,2,3,4,5,6}86) 3. hardware: tecnologia de implementação, circuitos integrados (CMOS vs NMOS), pipelining vs multi-ciclo Arquitetura engloba todos os três aspectos UFPR-CI32,CI introdução Organização de Computadores Modelo de Von Newman. computador com programa armazenado (945) memória é um vetor de bits interpretação dos bits definida pelo arquiteto e programador/compilador parte da memória contém instruções parte da memória contém dados quando um programa é programa? quando um programa é dados? assistam ao Imitation Game! Alan Turing descreveu o computador antes dos americanos UFPR-CI32,CI introdução 2

5 Requisitos a serem atendidos pelo arquiteto I Área de aplicação: usos do computador disp móvel custo, energia, desemp. exibição de midia, responsividade; desktop desempenho balanceado para diversas tarefas; sistemas interativos com gráficos, vídeo e áudio; servidor alto desempenho com bancos de dados e sistemas transacionais/web; confiabilidade, disponibilidade e escalabilidade; cluster preço/desempenho, produtividade, energia/tarefa; embarcado, embutido desempenho para aplicações específicas; baixo custo e pequeno consumo de energia UFPR-CI32,CI introdução 3 Requisitos a serem atendidos pelo arquiteto II Compatibilidade de software: software pré-existente nível de linguagem de programação maior flexibilidade; novo compilador? compatibilidade nos binários ISA completamente definido; pouca flexibilidade mas sem investimentos em software novo. software as service aplicativos interpretados ao invés de compilados UFPR-CI32,CI introdução 4 Requisitos a serem atendidos pelo arquiteto III Suporte a Sistema Operacional: tamanho do espaço de endereçamento importantíssimo!! pode limitar aplicabilidade; EdE cresce /2 bit aa gerenciamento de memória necessário para SOs modernos; paginado ou segmentado; proteção usos diferentes por SO e usuários; proteção à páginas ou a segmentos. UFPR-CI32,CI introdução 5

6 Requisitos a serem atendidos pelo arquiteto IV Padrões: requeridos pelo mercado ponto flutuante formatos e aritmética: IEEE754; barramentos dispositivos de E/S: PCI, SCSI; sistema operacional Unix, Windows, IOS, Android; redes suporte a tecnologias distintas (Ethernet, Infiniband); linguagens de programação linguagem de alto nível afeta projeto do conjunto de instruções. UFPR-CI32,CI introdução 6 Grupo de Leitura Alunos do Mestrado preparam-se para a vida de pesquisadores; Como a maioria das informações relevantes está em artigos, e a habilidade para ler e entender artigos é fundamental, então vocês farão a leitura de 5 artigos ao longo do semestre com entrega de sumário de uma página (modelo será fornecido) artigos complentam o livro em dia da semana? quinta horário? após a aula Alunos do BCC deverão ler Wulf, Russel, Ruemmler. UFPR-CI32,CI introdução 7 Leitura Antes de iniciar, decida sobre a razão para ler o artigo o quê quero aprender, ou apreender, com a leitura inicie pelo resumo, que geralmente é como um anúncio do artigo leia as conclusões: veja o que foi produzido, para então entender quais eram os objetivos dos autores procure a seção com a visão geral do texto; material básico (introdutório) geralmente é apresentado nesta seção dê uma primeira passada rápida sobre o texto para entender a forma de apresentação dos tópicos destaque as partes importantes dos parágrafos escreva um resumo/esqueleto durante a leitura; este mapa do conhecimento ajudará na leitura completa veja as referências: para artigos anteriores e posteriores (?) UFPR-CI32,CI introdução 8

7 Tecnologias Fundamentais. tecnologia de semicondutores: microprocessadores CMOS 2. tecnologia de semicondutores: memória dinâmica (DRAM) 3. tecnologia de armazenamento: discos magnéticos 4. tecnologia de interconexão: redes locais UFPR-CI32,CI introdução 9 Tendências da Tecnologia I Tecnologias de implementação fundamentais Circuitos Integrados para CPUs núm de transistores cresce 35% aa 4X em 4 anos tamanho do CI efeito combinado aprox 0 a 20% aa lado do retângulo núm transistores/ci cresce 55% aa Ver fabricação de circuitos integrados em museum e em P&H-COD UFPR-CI32,CI introdução 20 Tendências I Família Intel processador ano trans 0 6 área [mm 2 ] clock [MHz] W Pentium PentiumPro PentiumII Celeron P3 xeon P3 server Pentium W icore W UFPR-CI32,CI introdução 2

8 Tendências I Relógio 0,000 Intel Pentium4 Xeon 3200 MHz in 2003 Intel Nehalem Xeon 3330 MHz in Digital Alpha 264A 500 MHz in 996 Intel Pentium III 000 MHz in 2000 Clock rate (MHz) 00 Digital Alpha MHz in 992 MIPS M MHz in %/year %/year 0 Sun-4 SPARC 6.7 MHz in 986 Digital VAX-/780 5 MHz in 978 5%/year UFPR-CI32,CI introdução 22 Tendências I Lei de Moore Número de Transistores dobrava a cada 8m, agora a cada 24m Lei de Moore Transistores em processadores Intel [0**6] p-iv p-iii pentium ppro i5 xeon icore UFPR-CI32,CI introdução 23 Tendências I Desempenho 00,000 Desempenho #transistores freq.relógio Performance (vs. VAX-/780) 0, Intel Xeon 6 cores, 3.3 GHz (boost to 3.6 GHz) Intel Xeon 4 cores, 3.3 GHz (boost to 3.6 GHz) Intel Core i7 Extreme 4 cores 3.2 GHz (boost to 3.5 GHz) 24,29 Intel Core Duo Extreme 2 cores, 3.0 GHz 2,87 Intel Core 2 Extreme 2 cores, 2.9 GHz AMD Athlon 64, 2.8 GHz,865 4,3879,484 AMD Athlon, 2.6 GHz Intel Xeon EE 3.2 GHz 7,08 Intel D850EMVR motherboard (3.06 GHz, Pentium 4 processor with Hyper-Threading Technology) 6,043 6,68 IBM Power4,.3 GHz 4,95 3,06 Intel VC820 motherboard,.0 GHz Pentium III processor,779 Professional Workstation XP000, 667 MHz 2264A Digital AlphaServer /575, 575 MHz 2264, AlphaServer /600, 600 MHz Digital Alphastation 5/500, 500 MHz 48 Digital Alphastation 5/300, 300 MHz %/year Digital Alphastation 4/266, 266 MHz 83 IBM POWERstation 00, 50 MHz 7 Digital 3000 AXP/500, 50 MHz 80 HP 9000/750, 66 MHz 5 IBM RS6000/540, 30 MHz MIPS M2000, 25 MHz 8 MIPS M/20, 6.7 MHz 3 Sun-4/260, 6.7 MHz VAX 8700, 22 MHz %/year AX-/780, 5 MHz 25%/year.5, VAX-/ UFPR-CI32,CI introdução 24

9 Tendências da Tecnologia II Tecnologias de implementação fundamentais 2 Memória Dinâmica DRAM densidade cresce entre 25 e 40% aa 2X em 2-3 anos t.ciclo decresce /3 em 0 anos 3% aa vazão aumenta 2/3 em 0 anos 5% aa custo/bit melhora /4 aa UFPR-CI32,CI introdução 25 Tendências da Tecnologia II-a Tecnologias de implementação fundamentais &2: Processadores vs DRAM Lei de Moore lei de less 22% aa proc 52% aa cresce 50% aa 25% aa DRAM 7% aa UFPR-CI32,CI introdução 26 Tendências da Tecnologia III Tecnologias de implementação fundamentais 3 Discos Magnéticos capacidade cresce 40% aa 2X em 3 anos tempo acesso reduz /3 em 0 anos 3% aa UFPR-CI32,CI introdução 27

10 Tendências da Tecnologia IV Tecnologias de implementação fundamentais 4 Tecnologia de Redes vazão/banda Ethernet capacidade 0 anos para passar de 0Mbps para 00Mbps 5 anos para passar de 00Mbps para 000Mbps 3 anos para passar de Gbps para 0Gbps da Internet dobra a cada ano como crescem redes sem fio? UFPR-CI32,CI introdução 28 Ganhos de latência VS largura de banda 00,000 0,000 Microprocessor Relative bandwidth improvement Memory Disk Network 0 (Latency improvement = bandwidth improvement) 0 00 Relative latency improvement UFPR-CI32,CI introdução 29 Resumo I Arquitetura é: conjunto de instruções, organização, hardware. especificação (API) especif refinada implementação abstrata implementação concreta Do ponto de vista do comprador, o que importa é a funcionalidade do sistema completo, com hardware, compilador, bibliotecas e SO desempenho medido pelo relógio na parede UFPR-CI32,CI introdução 30

11 Resumo II Tendências da Tecnologia capacidade velocidade lógica 4x em 4 anos 2x em 3 anos DRAM 2x em 2-3 anos.5x em 0 anos disco 2x em 3 anos 2x em 0 anos # processadores 2x em 2 anos UFPR-CI32,CI introdução 3 Quando a porca torce o rabo... Quais recursos estarão disponíveis na hora de entregar seu projeto/dissertação/tese? UFPR-CI32,CI introdução 32