Aspectos gerais da arquitectura de computadores

Aspectos gerais da arquitectura de computadores João Canas Ferreira Setembro de 2006 AAC 2006 (FEUP/MIEIC) Aspectos gerais da arquitectura de computadores 1/15 Assuntos 1 Evolução dos computadores 2 O mercado de computadores 3 Arquitectura de computadores 4 Tecnologia de base AAC 2006 (FEUP/MIEIC) Aspectos gerais da arquitectura de computadores 2/15

Evolução dos computadores O primeiro computador electrónico: ENIAC Data de desenvolvimento: 1943-46. Local: Universidade da Pensilvânia. Autores principais: 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). AAC 2006 (FEUP/MIEIC) Aspectos gerais da arquitectura de computadores 3/15 3.1. ENIAC: Electronic Numerical Integrator And Computer. 3.2. A partir da página WWW da disciplina é possível aceder a alguns artigos históricos sobre o ENIAC e a um sumário da história dos computadores. 3.3. Informação sobre válvulas na Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/vacuum_tube. A figura apresentada provém de uma versão anterior deste artigo. Actualmente, as válvulas são usadas sobretudo em aparelhagem áudio. 3

Evolução dos computadores Planta do ENIAC A sala tinha cerca de 93 m 2. O ENIAC tinha 3 m de altura e pesava 30 t. AAC 2006 (FEUP/MIEIC) Aspectos gerais da arquitectura de computadores 4/15 4.1. Os seguintes artigos contêm mais informações sobre o ENIAC: H.H. Goldstine e Adele Goldstine, The Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC), em IEEE Annals of the History of Computing, Vol. 18, No. 1, 1996. A figura foi retirada deste artigo. W. Barkley Fritz, ENIAC A Problem Solver, em IEEE Annals of the History of Computing, Vol. 16, No. 1, 1994. Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/eniac History of Computing Information http://ftp.arl.mil/~mike/comphist/ 4.2. O seguinte artigo contém uma biografia de J. Presper Eckert: Peter Eckstein, J. Presper Eckert, em IEEE Annals of the History of Computing, Vol. 18, No. 1, 1996. 4.3. O sucessor de ENIAC foi o EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer), também projectado por Mauchly e Eckert. 4.4. Unidades aritméticas: 20 acumuladores (somas e subtracções), um multiplicador e uma unidade combinada divisor/raiz quadrada. Memória para programas está distribuída pelo computador. O ENIAC era capaz de executar 5000 somas por segundo. 4

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). AAC 2006 (FEUP/MIEIC) Aspectos gerais da arquitectura de computadores 5/15 5.1. Até ao fim dos anos 60, a evolução dos computadores foi determinada pelo contributo conjunto dos avanços tecnológicos e arquitecturais. Nos anos 70, os avanços foram essencialmente tecnológicos. Também surgiram nesta altura os primeiros microprocessadores (Intel 4004, 1971). A partir dos anos 80 voltou a registar-se um avanço combinado da tecnologia de base e da arquitectura. 5.2. O termo arquitectura usado na transparência refere-se à arquitectura do conjunto de instruções, i.e., ao modelo que o programador manipula. Hoje em dia, a arquitectura de computadores abarca também os aspectos da organização interna e de implementação, porque estes têm influência sobre o modelo externo do computador. 5

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. AAC 2006 (FEUP/MIEIC) Aspectos gerais da arquitectura de computadores 6/15 6.1. A fotografia da esquerda mostra o 4004, o primeiro microprocessador da Intel (fonte original: http://people.smu.edu/rmonagha/4004.html). 6.2. A fotografia da direita mostra uma versão (para o espaço) do processador PowerPC 750 (fonte original: http://www.iews.na.baesystems.com/space/images/ rad750_die_floorplan1.jpg). Características: 6,5 milhões de transístores, área 67 mm 2, tecnologia CMOS 0,18 µm, frequência 300 MHz. 6.3. Existem várias possibilidades de evolução para os computadores. Uma delas é descrita por N. Tredennick e B. Shimamoto num artigo de divulgação da revista ACM Queue: The Inevitability of Reconfigurability, Vol. 1, No. 7, 2003 (disponível a partir da Digital Library http://www.acm.org/dl). 6.4. A companhia Xilinx vende circuitos reconfiguráveis que incluem 1 ou 2 núcleos de microprocessador (PowerPC 405): os circuitos Virtex-II Pro, Virtex-4 e Virtex-5. Pode encontrar mais detalhes em http://www.xilinx.com/xlnx/xil_prodcat_product.jsp?title=v2p_x. 6

Evolução dos computadores Crescimento do desempenho dos CPUs Linha clara: desempenho da tecnologia de base (CI). Linha escura: desempenho global. No ano 2000, o desempenho global é 7 vezes superior ao que se obteria apenas com o avanço tecnológico. Nos anos 90, o crescimento médio anual foi de 50%; depois, ficou reduzido a 20%. AAC 2006 (FEUP/MIEIC) Aspectos gerais da arquitectura de computadores 7/15 7.1. CI = Circuito Integrado. 7.2. Os avanços arquitecturais são baseados numa abordagem quantitativa baseada em observações empíricas do comportamento dinâmico dos computadores, experiências e inúmeras simulações. Trata-se de uma abordagem que constituiu uma novidade radical quando começou a ser usada, em meados dos anos 80. O seu primeiro resultado foi o ressurgimento da arquitecturas RISC (Reduced Instruction Set Computer). 7.3. O artigo seguinte apresenta de maneira simples os resultados das primeiras aplicações da abordagem quantitativa sistemática: D.A. Patterson e D. R. Ditzel, The Case for the Reduced Instruction Set Computer, ACM Sigarch Computer Architecture News, Vol. 8, No. 6, Outubro 1980. A história das arquitecturas RISC na IBM é descrita em: J. Cocke e V. Markstein, The evolution of RISC technology at IBM, em IBM Journal of Research and Development, Vol. 34, No. 1, Janeiro de 1990. O primeiro microprocessador RISC da Universidade de Berkeley é descrito em: D.A. Patterson e C.H. Sequin, RISC I: A reduced instruction set VLSI computer, em Proceedings 8th Annual Symposium on Computer Architecture, 1981. 7

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. AAC 2006 (FEUP/MIEIC) Aspectos gerais da arquitectura de computadores 8/15 8.1. O número de componentes (microprocessadores ou microcontroladores) vendidos no mercado embutido (embedded) é, de longe, o maior de todos. Muitos componentes são extremamente baratos. 8.2. Um microcontrolador é um microprocessador optimizado para uso no controlo de equipamento electrónico. Inclui geralmente vários dispositivos de E/S e memória interna (muitas vezes não-volátil). 8.3. O mercado dos sistemas embedded também inclui núcleos de processadores usados nos interior de circuitos integrados do tipo SoC (System-on-Chip). Por exemplo, a companhia ARM (http://www.arm.com/products/cpus/) dedica-se ao fornecimento deste tipo de circuitos, muito usados em circuitos integrados para telemóveis (e não só). 8.4. Em 2005, segundo o World Semiconductor Trade Statistics (http://www.wsts.org), foram vendidos 54932 milhões de dólares de microprocessadores e microcontroladores, o que representa cerca de 24,3% do mercado de semicondutores mundial (227 mil milhões de $). Para 2005 prevê-se um aumento de vendas de 9,6%. 8

O mercado de computadores Características dos três sectores As principais características dos três sectores do mercado de microprocessadores são: Atributo Desktop Servidores Embutidos Preço sistema ($) 500 5000 5 10 3 5 10 6 10 1 10 5 Preço CPU ($) 50 500 200 10000 0,01 100 CPUs /ano [2000] 15 10 7 4 10 6 3 10 8 (*) Aspectos críticos custo/desempenho, débito, disponibilidade, preço, consumo desempenho gráficbilidade escala- de potência (*) Apenas inclui microprocessadores de 16 e 32 bits. AAC 2006 (FEUP/MIEIC) Aspectos gerais da arquitectura de computadores 9/15 9.1. Os microcontroladores de 8 bits são os mais vendidos em número, mas não são os que dão mais lucro. Em 1997, por exemplo, foram vendidos mais de 2 mil milhões de microcontroladores de 8 bits. 9.2. Os microcontroladores PIC10 de empresa Microchip (http://www.microchip.com) usam um conjunto de 33 instruções (ao estilo RISC), cada uma das quais executa num ciclo de relógio (1 MHz), excepto as instruções de salto, que usam dois ciclos. O modelo PIC10F200 tem 6 pinos (incluindo alimentação) e custa $ 0.55 (em 2004). 9

O mercado de computadores Prejuízos anuais por quebra de serviço O mercado dos servidores dá grande importância à disponibilidade, medida pela capacidade de manter os serviços activos. Aplicação Prejuízo por hora (milhares $) Perdas anuais (milhões $) com downtime de 1% 0.5% 0.1% Corretagem 6450 565 283.0 56.5 Autoriz. Cart. Cred. 2600 228.0 114 22.8 Envio encomendas 150 13.0 6.6 1.3 Home shopping 113 9.9 4.9 1.0 Vendas p/catálogo 90 7.9 3.9 0.8 Reservas de avião 89 7.9 3.9 0.8 [Valores de 2000] AAC 2006 (FEUP/MIEIC) Aspectos gerais da arquitectura de computadores 10/15 10.1. Convém distinguir dois conceitos importantes: fiabilidade capacidade para permanecer em funcionamento; disponibilidade capacidade para fornecer um serviço efectivo. Para sistemas complexos, é difícil garantir que nunca falham (fiabilidade elevada). Contudo, pode ser possível manter o sistema em serviço mesmo face a falhas dos seus componentes (i.e., garantir disponibilidade elevada); é este o desafio que se coloca aos servidores. 10

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 AAC 2006 (FEUP/MIEIC) Aspectos gerais da arquitectura de computadores 11/15 11.1. Na maior parte das publicações anteriores a 1985/90, a expressão arquitectura de computadores refere-se apenas ao primeiro dos itens mencionados. Organização e implementação são muitas vezes consideradas separadamente. 11.2. A abordagem quantitativa à arquitectura de computadores veio salientar a importância dos outros dois níveis, já que o que constitui um bom conjunto de instruções depende de aspectos organizativos e de implementação. Exemplo: como actualmente os acessos a memória são relativamente muito demorados, um conjunto de instruções que minimize os acessos a memória é mais favorável à obtenção de elevados desempenhos. 11

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. AAC 2006 (FEUP/MIEIC) Aspectos gerais da arquitectura de computadores 12/15 12.1. Determinar quais os requisitos funcionais relevantes não é uma tarefa trivial, porque é necessário equilibrar muitos interesses diferentes, desde aspectos tecnológicos até aspectos de tradição (i.e., o que é que os clientes esperam que o computador seja capaz de fazer). 12.2. O trabalho de determinação dos requisitos envolve também ter uma perspectiva global da evolução da área. O projecto de um computador (incluindo microprocessador) pode levar vários anos (2-5). Por isso, é necessário estabelecer os requisitos não para o presente, mas para a data da entrada em produção (e para os três anos seguintes). 12.3. Os requisitos funcionais dependem fortemente da área de aplicação. 12

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); 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 AAC 2006 (FEUP/MIEIC) Aspectos gerais da arquitectura de computadores 13/15 13.1. Os circuitos integrados são fabricados sobre discos finos de silício (designados por bolachas wafers). Cada pastilha (chip) rectangular é cortada da bolacha e encapsulada. Todas as pastilhas de uma mesma bolacha são iguais. 13.2. Durante o processo de fabrico podem ocorrer defeitos que inutilizam as pastilhas. Basta um defeito para inutilizar uma pastilha. A percentagem de pastilhas (de uma bolacha) sem defeito designa-se por rendimento (die yield). 13.3. O custo dos circuitos integrados depende crucialmente do rendimento global do processo de fabrico. A complexidade do circuito implementado é praticamente irrelevante. 13.4. O rendimento de um processo de fabrico varia ao longo da sua existência, sendo muito baixo de início para processos sofisticados e bastante alto para processos maduros (> 90%). 13.5. Em 2006, os processos industriais mais avançados são de 65 nm. Isto quer dizer que a largura mínima de uma pista de interligação ou de um transístor é de 65 10 9 m. 13

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. AAC 2006 (FEUP/MIEIC) Aspectos gerais da arquitectura de computadores 14/15 14.1. Tensões de alimentação baixaram de 5 V para 1 V. 14.2. Microprocessadores iniciais consumiam décimos de Watt, o Pentium 4 Extreme Edition consome 135 W a 3.2 GHz. 14.3. Para uma tarefa fixa, baixar a frequência reduz a potência, mas não a energia. 14.4. A carga capacitiva depende das características da tecnologia de semicondutores e do número de transístores ligados à saída de cada porta lógica. 14.5. Limite: capacidade de dissipar a potência calorífica produzida. Esta capacidade depende da área através da qual se processa a dissipação. 14.6. O projectista do CPU precisa de evitar pontos quentes. 14.7. Técnica: desligar partes do CPU que não estão a ser usadas num dado instante (p.ex. unidade de VF). 14.8. Existe a necessidade de distribuir a energia a todo o circuito: os CPUs actuais (desktop) têm centenas de pinos de alimentação. 14.9. Em contrapartida, existem microcontroladores de muitíssimo baixo consumo. A família de microcontroladores Motorola MSP430 atinge 250 µa/mips (CPU de 16 bits). 14

Tecnologia de base Exemplo: 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 AAC 2006 (FEUP/MIEIC) Aspectos gerais da arquitectura de computadores 15/15 15.1. O parâmetro α diminui com a complexidade do processo de fabrico. Um valor actual típico é α = 4. 15.2. A densidade de defeitos depende da maturidade do processo. Valores típicos: 0.4 D 0.8 (por cm 2 ). 15.3. Para os maiores circuitos, A é da ordem das poucas dezenas de cm 2. 15.4. Supondo D = 0.6, α = 4 e A = 1 = 1 1, o rendimento é Y = 0.57. 15.5. Nas mesmas condições, obtém-se, para A = 0.49 = 0.7 0.7, um rendimento de Y = 0.75, o que constitui uma melhoria importante. 15.6. Actualmente as bolachas têm um diâmetro d de 300 mm. O número N de pastilhas de área A que cabem numa bolacha pode ser estimado pela fórmula π (d/2) 2 N = π d A 2 A Para A = 70 70 mm 2 e d = 300 mm, obtém-se N = 1397. 15