21/03/2018. Introdução. Arquitetura e Organização de Computadores. Arquitetura e Organização de Computadores 2

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1 Arquitetura e Organização de Computadores 2 Fundamentos do Projeto e Análise Quantitativa: Energia x Potência; Confiabilidade e Disponibilidade; Custo Arquitetura e Organização de Computadores Este curso é um estudo da organização e arquitetura dos sistemas computacionais da atualidade. Será dada ênfase para a função e operação da Unidade Central de Processamento (CPU), incluindo a arquitetura do conjunto de instruções (ISA), ciclo de execução de instruções e o desenvolvimento de técnicas para aumento de desempenho nas arquiteturas. Ao final do curso, o aluno terá condições de entender os conceitos que fundamentam as arquiteturas avançadas de computadores. 2 Introdução Background: Arquitetura e Organização de Computadores 1 Bibliografia: David A. Patterson e John L. Hennessy Arquitetura de Computadores: uma abordagem quantitativa, 5a. Edição - Campus Fundamentos do Projeto e Análise Quantitativa Tendências tecnológicas Métricas (desempenho, energia, confiabilidade) Tópicos: desempenho/custo/potência paralelismo em nível de instruções Instruction level parallelism - ilp ilp dinâmico e estático 3 4 1

2 Evolução do Desempenho do Processador 5 Source: H&P textbook Notas Crescimento de 52% ao ano é atribuído a inovações arquitetônicas e organizacionais avançadas e altas taxas de clock. (25x higher speed) Garantiu a supremacia dos microcomputadores baseados em um único processador (PCs). Minicomputadores foram substituídos por microcomputadores, Mainframes e até supercomputadores foram substituídos pela união de microcomputadores. A arquitetura de computadores, entretanto precisa se adequar as novas tendências. 6 Notas O crescimento de 22% ao ano é decorrente de uma processo de paralelização através da técnica de multicores. A redução da taxa de crescimento é devido a: Superaquecimento, necessidade de refrigeração forçada. Saturação do paralelismo a nível de instrução. Saturação da velocidade da memória. Em anos recentes o aumento da velocidade de clock tem caído a 1% ao ano. Lei de Moore: o número de transistores em um único chip dobram no período de 18 a 24 meses. Notas Em 2004 Intel anunciou que abandonou o projeto de um novo processador mais veloz e passou a garantir maior perfomance através de múltiplos processadores por chip. Portanto, as novas arquiteturas deixaram de focar em paralelismo a nível de instrução (ILP) para focar em paralelismo a nível de thread (TLP) e paralelismo a nível de dados (DLP) Atualmente o ILP é feito implicitamente, de modo transparente ao programador, diferentemente do TLP e DLP, onde o programador necessita explicitar o paralelismo

3 Crescimento da taxa de clock (clock speed) Tendências recentes do Microprocessador Transistors: 1.43x / year Cores: x Performance: 1.15x Frequency: 1.05x Power: 1.04x Source: H&P textbook 10 Source: Micron University Symp. Tendências na tecnologia Tecnologia do circuito lógico integrado a densidade de transistores aumenta em cerca de 35% ao ano e o tamanho do die (encapsulamento) variando de 10-20% ao ano... mais funcionalidades A velocidade dos transistores melhora linearmente com o tamanho (equação complexa envolvendo tensões, resistências, capacitâncias)... o que pode resultar em aumento das taxas de clock! Aumento da capacidade e densidade de memórias DRAMs semicondutoras e flash semicondutoras. Escala de desempenho de transistores e fios atrasos em fios não reduzem na mesma escala dos atrasos nos circuitos lógicos, criando desafios adicionais ao projetista. O que melhora o desempenho? Nota: sem aumentar a velocidade do clock Realizar mais trabalho por ciclo de clock -- considerando que os transistores são mais rápidos e de maior eficiência energética... Melhorias arquiteturais: descobrir mais paralelismo em um thread, melhorar a previsão dos desvios, melhorar as políticas de cache, melhorar as organizações de memória, explorar mais o paralelismo em nível de threads, etc

4 Qual é o caminho? Melhorias nas taxas de clock estão diminuindo restrições da eficiência energética. É cada vez mais difícil otimizar o desempenho de um único núcleo de processador (core). Multi-núcleos: a cada nova geração, o processador acomodará um número maior de núcleos. Precisamos de melhores modelos de programação e eficiencia na execução de aplicativos multithreaded. Precisamos de uma melhor hierarquia de memória. Precisamos de uma maior eficiência energética Em alguns domínios, os núcleos mais simples são atraentes Redução da movimentação de dados Potência e Energia: uma perspectiva de sistema Como um arquiteto de sistema deve pensar sobre o desempenho, a potência e a energia? Qual é a potência máxima que um processador pode exigir? Se um processador tentar obter mais potência do que a fornecida por um sistema de alimentação, em geral o resultado é uma queda de tensão que pode levar a falha do sistema. Solução: indexação da tensão com a redução da taxa de clock. Qual é o consumo de potência sustentado? Projeto Térmico de Potência (Thermal Design Power TDP) Energia e Efiência Energética: Potência é energia por unidade de tempo 1 watt = 1 joule por segundo A barreira da potência: não é possível consistentemente operar em frequências altas sem alcançar os limites de potência/térmica. Overclocking: Turbo Mode pode rodar em uma taxa maior de clock por um curto período Potência x Energia Qual é a métrica correta para comparar processadores: energia ou potência? em geral, a energia sempre é a métrica melhor. A energia mostra o custo real para realizar uma tarefa. Exemplo: 15 Se um processador A consome 1.2x a potência do processador B, mas finaliza a tarefa em tempo 30% menor, sua energia relativa é 1.2 X 0.7 = 0.84; Portanto, o processador A é melhor, considerando que 1.2x potência poderá ser suportada pelo sistema. Energia Dinâmica Para os chips CMOS, o consumo de energia dominante tem ocorrido no chaveamento dos transistores, também chamada de energia dinâmica. Energia dinâmica Carga capacitiva x Voltagem 2 Considerando o pulso de transição lógica de ou A energia de um única transição (0 1 ou 1 0) é, então: Energia dinâmica ½ Carga capacitiva x Voltagem 2 A potência necessária por transistor é somente o produto da energia de uma transição multiplicada pela frequência das transições Potência dinâmica ½ Carga capacitiva xvoltagem 2 x Frequencia de Chaveamento 16 4

5 A Questão do Consumo de Energia Potência dinâmica ½ Carga capacitiva xvoltagem 2 x Frequência de Chaveamento A capacitância dos transistores e os níveis de tensão (voltagem) estão reduzindo, mas a densidade de transistores está aumentando em taxas muito elevadas; assim, a velocidade de clock não deve ser alterada (kept steady) A potência de fuga está subindo; é função da quantidade de transistores, corrente de fuga e fonte de tensão (voltagem). O consumo de energia nos processadores de alto desempenho está na faixa de W Energy = power x time = (dynpower + lkgpower) x time 17 Reduzindo Potência e Energia Distribuir a potência, retirar o calor e impedir pontos quentes tem se tornado desafios cada vez mais difíceis. Segredo: melhorar a eficiência energética. Desligar o clock de circuitos inativos (reduz a potência de fuga - leakage) Escalonamento dinâmico de voltagem-frequência Dinamic Voltage-Frequency Scaling DVFS Projetar para o caso típico DFS: Dynamic frequency scaling -- only reduces frequency and dynamic power, but hurts energy DVFS: Dynamic voltage and frequency scaling can reduce voltage and frequency by (say) 10%; can slow a program by (say) 8%, but reduce dynamic power by 27%, reduce total power by (say) 23%, reduce total energy by 17% (Note: voltage drop slow transistor freq drop) 18 Outras tendências na tecnologia A densidade DRAM aumenta em 40-60% ao ano, latência tem reduzido em 33% em 10 anos (a barreira da memória!), a largura de banda (bandwidth) tem dobrado com a diminuição da latência. A densidade dos Discos melhoram em 100% todo ano, a melhoria de latência é similar a DRAM. O surgimento da tecnologia NVRAM pode servir de ponte entre a tecnologia DRAM e Hard Disk drives. Novo aspecto: o crescente interesse com a confiabilidade (reliability) como consequência do uso de transistores menores, operando em baixa tensão, e em grande quantidade). 19 Confiabilidade e Disponibilidade Os sistemas alternam entre dois status de serviço em relação a um SLA Service Level Agreements 1. Realização do Serviço (Service accomplishment) O serviço é realizado conforme especificado 2. Interrupção do Serviço (Service interruption) O serviço entregue é diferente do acordado (SLA) As transições entre os dois status são causadas por falhas (do status 1 para o 2) ou restaurações (do status 2 para o 1). Quantificar essas transições leva às duas principais medidas de dependência: Confiabilidade do módulo Reliability measures continuous service accomplishment and is usually expressed as mean time to failure (MTTF) Disponibilidade do módulo Availability measures fraction of time that service matches specifications, expressed as MTTF / (MTTF + MTTR) 20 5

6 Custo O Custo é determinado por muitos fatores: volume da produção, curva de aprendizagem (manufacturing maturity), commodities, etc. Um deteminante importante: área do chip Menor área mais chips por wafer Menor área um defeito leva-nos a descartar uma pequena área do wafer, i.e., produção cresce. Roughly speaking, half the area one-third the cost Tendências em Custo O mercado de informática funciona como commodity. DRAMs, HDs, monitores, teclados, etc... Todos são padronizados, similares são encontrados em qualquer canto e feitos por qualquer fabricante. Por exemplo: nos últimos anos, muitos computadores pessoais viraram commodity focado em vender desktop e laptop com sistema operacional microsoft windows. Como todos os vendedores vendem praticamente a mesma coisa, a competição é altíssima, o que diminui as margens de lucro. Fora o fato da demanda ser altíssima Tendências em Custo O circuito integrado possui o seu custo relativo ascendente. Testando o conhecimento die=molde(processador), wafer=pastilha, yeld=rendimento Problemas exemplos 23 6

7 Problema 1 Problema 1 For a processor running at 100% utilization at 100 W, 20% of the power is attributed to leakage. What is the total power dissipation when the processor is running at 50% utilization? For a processor running at 100% utilization at 100 W, 20% of the power is attributed to leakage. What is the total power dissipation when the processor is running at 50% utilization? Total power = dynamic power + leakage power = 80W x 50% + 20W = 60W Problema 2 Problema 2 If processor A consumes 1.4x the power of processor B, but finishes the task in 20% less time, which processor would you pick: (a) if you were constrained by power delivery constraints? (b) if you were trying to minimize energy per operation? (c) if you were trying to minimize response times? If processor A consumes 1.4x the power of processor B, but finishes the task in 20% less time, which processor would you pick: (a) if you were constrained by power delivery constraints? Proc-B (b) if you were trying to minimize energy per operation? Proc-A is 1.4x0.8 = 1.12 times the energy of Proc-B (c) if you were trying to minimize response times? Proc-A is faster, but we could scale up the frequency (and power) of Proc-B and match Proc-A s response time (while still doing better in terms of power and energy)

8 Problema 3 Problema 3 Processor-A at 3 GHz consumes 80 W of dynamic power and 20 W of static power. It completes a program in 20 seconds. What is the energy consumption if I scale frequency down by 20%? What is the energy consumption if I scale frequency and voltage down by 20%? Processor-A at 3 GHz consumes 80 W of dynamic power and 20 W of static power. It completes a program in 20 seconds. What is the energy consumption if I scale frequency down by 20%? New dynamic power = 64W; New static power = 20W New execution time = 25 secs (assuming CPU-bound) Energy = 84 W x 25 secs = 2100 Joules What is the energy consumption if I scale frequency and voltage down by 20%? New DP = 41W; New static power = 16W; New exec time = 25 secs; Energy = 1425 Joules Continua Tópicos estudados: Energia, Potência, Confiabilidade e Custos Próximos tópicos: Benchmark suites, Equação de Desempenho 31 8