Aspectos gerais da arquitectura de computadores

Aspectos gerais da arquitectura de computadores João Canas Ferreira Setembro de 2010 João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 1 / 24

Assuntos 1 Evolução dos computadores 2 O mercado de computadores 3 Arquitectura de computadores 4 Tecnologia de base João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 2 / 24

Evolução dos computadores O primeiro computador electrónico: ENIAC Data de desenvolvimento: 1943-46. Local: Universidade da Pensilvânia. Autores: John W. Mauchly, J. Presper Eckert Jr. Tecnologia: válvulas (tubos de vácuo, 18000), resistências (70000), condensadores (10000) e relés (6000). Frequência de operação: 100 khz. Potência consumida: 150-190 kw. Problema de fiabilidade: 90% do tempo de paragem deveu-se à necessidade de substituir tubos de vácuo (19000/ano, 52/dia). João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 3 / 24

Planta do ENIAC Evolução dos computadores A sala tinha cerca de 93 m 2. O ENIAC tinha 3 m de altura e pesava 30 t. João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 4 / 24

Evolução dos computadores Mainframes: IBM System/360 Model 91 Até ao fim dos anos 70, os grandes computadores centralizados dominaram a indústria. O modelo 91 da arquitectura System/360 é um caso típico (1966). João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 5 / 24

Evolução dos computadores System/360 Model 91 na NASA Fonte: IBM João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 6 / 24

Evolução dos computadores A hegemonia do microprocessador Em meado dos anos 80, deu-se uma reapreciação dos aspectos arquitecturais: ressurgimento e domínio das arquitecturas RISC. A partir do início dos anos 90, o microprocessador passou a dominar a indústria de computadores. Hoje os microprocessadores estão presentes em quase todas as áreas. João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 7 / 24

Evolução dos computadores Evolução do desempenho de CPUs Fonte: [CAQA4] João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 8 / 24

Tendências de mercado O mercado de computadores Actualmente, o mercado de microprocessadores tem três grandes componentes claramente diferenciadas: Desktop computing Gama 500 5000 Euros. Optimizar a razão desempenho/custo. Servidores Substituem mainframes. Atributos: disponibilidade, escalabilidade, débito. Computadores embutidos Incluídos em outros produtos: fornos micro-ondas, telemóveis, etc. Atributos: preço, execução em tempo-real, memória, potência. Grande gama de preços. Grande gama de implementações: microcontroladores de 4 a 64 bits. Os processadores podem ser embutidos em CIs mais complexos. João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 9 / 24

O mercado de computadores Disseminação de equipamento electrónico Fonte: [CAQA4] 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Cell Phones PCs TVs 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 10 / 24

Arquitectura de computadores Áreas da arquitectura de computadores De um modo geral, a arquitectura de computadores é actualmente dividida em três áreas: Arquitectura do conjunto de instruções (definição clássica de AC) Modelo do sistema conforme visto pelo programador: instruções, registos, modelo de E/S, interrupções. Organização: Aspectos de alto nível da implementação sistema de memória, incluindo memórias cache barramentos estrutura funcional do CPU Implementação em hardware uma realização específica (Pentium II vs. Centrino) projecto lógico detalhado, tecnologia de empacotamento João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 11 / 24

Requisitos funcionais Arquitectura de computadores Computadores são projectados para satisfazer requisitos funcionais, para além de objectivos de desempenho, custo e consumo de potência. Da perspectiva do cliente, é necessário determinar se os requisitos funcionais são relevantes para a utilização a fazer do computador e em que medida são atingidos. Exemplos: Classe Requisitos típicos Área:Desktop Desempenho equilibrado para tarefas variadas, desempenho interactivo, gráficos, vídeo, áudio. Compatibilidade Compatibilidade de código objecto. SO: memória Gestão de memória paginada/segmentada. SO: protecção Gestão de direitos de acesso. Normas: VF Implementação da norma IEEE 754. João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 12 / 24

Tendências tecnológicas Tecnologia de base A evolução da tecnologia constitui o principal elemento do pano de fundo para a inovação e avaliação das arquitecturas de computadores. Circuitos integrados densidade de transístores: 35% ao ano (4 em 4 anos) dimensão da pastilha: 10%-20% ao ano resultado: nº de transístores 55% ao ano (2 em 18 meses) Memória DRAM densidade 40% 60% ao ano (4 em 3-4 anos) tempo de leitura 30% em 10 anos largura de banda 33% em 5 anos Discos magnéticos densidade 100% ao ano (4 em 2 anos) [1996 2004]; 30% actualmente tempo de acesso 33% em 10 anos Redes de comunicações Ethernet: 10 Mb 100 Mb em 10 anos; 100 Mb 1 Gb em 5 anos João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 13 / 24

Tecnologia de base Desempenho relativo das tecnologias de CPUs Year Technology used in computers Relative performance/unit cost 1951 Vacuum tube 0,000,001 1965 Transistor 0,000,035 1975 Integrated circuit 0,000,900 1995 Very large-scale integrated circuit 2,400,000 2005 Ultra large-scale integrated circuit 6,200,000,000 Fonte: FIGURE [COD4] 1.11 Relative performance per unit cost of technologies used in computers over time. Source: Computer Museum, Boston, with 2005 extrapolated by the authors. See Section 1.10 on the CD. Copyright 2009 Elsevier, Inc. All rights reserved. João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 14 / 24

Tecnologia de base Evolução da capacidade de circuitos DRAM Kbit capacity 1,000,000 100,000 10,000 1000 100 Fonte: [COD4] 16K 64K 256K 1M 4M 10 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 Year of introduction FIGURE 1.12 Growth of capacity per DRAM chip over time. The y-axis is measured in Kilobits, where K = 1024 (2 10 ). The DRAM industry quadrupled capacity almost every three years, a 60% increase per year, for 20 years. In recent years, the rate has slowed down and is somewhat closer to doubling every two years to three years. Copyright 2009 Elsevier, Inc. All rights reserved. 16M 64M 128M256M 512M 1G João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 15 / 24

Latência vs. débito Tecnologia de base Fonte: [CAQA4] João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 16 / 24

Tecnologia de base Evolução de CPUs (ITRS 2009) João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 17 / 24

Tecnologia de base Evolução de System-on-Chip (ITRS 2009) João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 18 / 24

Tecnologia de base Consumo de energia O consumo de energia constitui uma limitação importante para os processadores actuais; pode ser mesmo mais importante que a área. A energia é dissipada sob a forma de calor. (Potência=Energia/Tempo) Factor dominante tradicional: potência dinâmica. P din = 1 2 V2 F carga capacitiva No caso de dispositivos móveis, interessa mais a energia (a capacidade da bateria é dada em 1 A h = 3600 C). E din = V 2 carga capacitiva Actualmente: potência (estática) da corrente de fugas é importante. P est = I est V Em 2006: tentar limitar P est a menos de 25% da potência total, o que não é sempre conseguido. João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 19 / 24

Tecnologia de base Consumo e frequência de operação para CPUs da Intel 10000 1000 100 10 1 12.5 3.3 16 4.1 25 4.9 Clock Rate 200 66 10.1 2000 75.3 Power 29.1 3600 103 2667 95 80286 (1982) 80386 (1985) 80486 (1989) Pentium (1993) Pentium Pro (1997) Pentium 4 Willamette (2001) Pentium 4 Prescott (2004) Clock Rate (MHz) Core 2 Kentsfield (2007) 120 100 80 60 40 20 0 Power (Watts) FIGURE Fonte: [COD4] 1.15 Clock rate and Power for Intel x86 microprocessors over eight generations and 25 years. The Pentium 4 made a dramatic jump in clock rate and power but less so in performance. The Prescott thermal problems led to the abandonment of the Pentium 4 line. The Core 2 line reverts to a João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 20 / 24

Tecnologia de base Processo de fabrico Blank wafers Silicon ingot 20 to 40 processing steps Slicer Tested dies Bond die to package Tested wafer Wafer tester Dicer Packaged dies Patterned wafers Tested packaged dies Part tester Ship to customers FIGURE 1.18 The chip manufacturing process. After being sliced from the silicon ingot, blank wafers are put through 20 to 40 steps to create patterned wafers (see Figure 1.19). These patterned wafers are then tested with a wafer tester, and a map of the good parts is made. Then, the wafers are diced into dies (see Figure 1.9). In this figure, one wafer produced 20 dies, of which 17 passed testing. (X means the die is bad.) The yield of good dies in this case was 17/20, or 85%. These good dies are then bonded into packages and tested one more time before shipping the packaged parts to customers. One bad packaged part was found in this final test. Copyright 2009 Elsevier, Inc. All rights reserved. Fonte: [COD4] João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 21 / 24

Tecnologia de base Bolacha com circuitos integrados Fonte: [COD4] FIGURE 1.19 A 12-inch (300mm) wafer of AMD Opteron X2 chips, the predecessor of Opteron X4 chips (Courtesy AMD). The number of dies per wafer at 100% yield is 117. The several João Canas Ferreira (FEUP) rounded chips Aspectos gerais da arquitectura deuseless; computadores Setembro dozen partially at the boundaries of the wafer are they are included because it s easier de 2010 22 / 24

Tecnologia de base Densidade de defeitos e dimensão da pastilha A figura mostra como a mesma densidade de defeitos afecta o rendimento de maneira diferente consoante a dimensão da pastilha. 4 pastilhas com defeito 8 pastilhas sem defeito rendimento: 66,6% Y = ( 1 + D A α ) α 4 pastilhas com defeito 60 pastilhas sem defeito rendimento: 93,75% Y: rendimento D: defeitos por unidade de área A: área da pastilha α: parâmetro de calibração João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 23 / 24

Referências Referências CAQA4 J. L. Hennessey & D. A. Patterson, Computer Arquitecture: A Quantitative Approach, 4ª ed. COD4 D. A. Patterson & J. L. Hennessey, Computer Organization and Design, 4a ed. ITRS International Tecnology Roadmap for Semiconductors, 2009 Edition. http://www.itrs.net/links/2009itrs/home2009.htm Os tópicos tratados nesta apresentação são abordados nas seguintes secções de [CAQA4]: 1.1 1.6 João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 24 / 24