Aspectos gerais da arquitectura de computadoresjcf/ensino/disciplinas/mieic/aac/... · 2010. 10. 8. · Arquitectura de computadores Áreas da arquitectura de computadores De um modo

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


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), resistên-cias (70000), condensadores (10000) e relés (6000).

Frequência de operação: 100 kHz.

Potência consumida: 150-190 kW.

Problema de fiabilidade: 90% do tempo de paragemdeveu-se à necessidade de substituir tubos de vácuo(19000/ano, 52/dia).



Planta do ENIAC

A sala tinha cerca de 93 m2. O ENIAC tinha 3 m de altura e pesava 30 t.



Mainframes: IBM System/360 Model 91

Até ao fim dos anos 70, os grandes computadores centralizados dominaram aindústria. O modelo 91 da “arquitectura” System/360 é um caso típico(1966).



System/360 Model 91 na NASA

Fonte: IBMJoão Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 6 / 24


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 aindústria de computadores.

Hoje os microprocessadores estão presentes em quase todas as áreas.



Evolução do desempenho de CPUs

Fonte: [CAQA4]


O mercado de computadores

Tendências de mercado

Actualmente, o mercado de microprocessadores tem três grandescomponentes claramente diferenciadas:

Desktop computingGama 500–5000 Euros.Optimizar a razão desempenho/custo.

ServidoresSubstituem 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.


O mercado de computadores

Disseminação de equipamento electrónico

0100200300400500600700800900

100011001200

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

Cell Phones PCs TVs

FIGURE 1.1 The number of cell phones, personal computers, and televisions manufactured per year between 1997 and 2007. (We have television data only from 2004.) More than a billion new cell phones were shipped in 2006. Cell phones sales exceeded PCs by only a factor of 1.4 in 1997, but the ratio grew to 4.5 in 2007. The total number in use in 2004 is estimated to be about 2.0B televisions, 1.8B cell phones, and 0.8B PCs. As the world population was about 6.4B in 2004, there were approximately one PC, 2.2 cell phones, and 2.5 televisions for every eight people on the planet. A 2006 survey of U.S. families found that they owned on average 12 gadgets, including three TVs, 2 PCs, and other devices such as game consoles, MP3 players, and cell phones. Copyright © 2009 Elsevier, Inc. All rights reserved.

Fonte: [CAQA4]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 divididaem 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 implementaçãosistema de memória, incluindo memórias cachebarramentosestrutura funcional do CPU

Implementação em hardwareuma realização específica (Pentium II vs. Centrino)projecto lógico detalhado, tecnologia de empacotamento


Arquitectura de computadores

Requisitos funcionais

Computadores são projectados para satisfazer requisitos funcionais, paraalém de objectivos de desempenho, custo e consumo de potência.

Da perspectiva do cliente, é necessário determinar se os requisitos funcionaissão relevantes para a utilização a fazer do computador e em que medida sãoatingidos.

Exemplos:

Classe Requisitos típicos

Área:Desktop Desempenho equilibrado para tarefas variadas, de-sempenho 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.


Tecnologia de base

Tendências tecnológicas

A evolução da tecnologia constitui o principal elemento do pano de fundopara a inovação e avaliação das arquitecturas de computadores.

Circuitos integradosdensidade de transístores: ↑ 35% ao ano (4× em 4 anos)dimensão da pastilha: ↑ 10%-20% ao anoresultado: nº de transístores ↑ 55% ao ano (2× em 18 meses)

Memória DRAMdensidade ↑ 40%–60% ao ano (4× em 3-4 anos)tempo de leitura ↓ 30% em 10 anoslargura de banda ↑ 33% em 5 anos

Discos magnéticosdensidade ↑ 100% ao ano (4× em 2 anos) [1996–2004]; 30%actualmentetempo de acesso ↓ 33% em 10 anos

Redes de comunicaçõesEthernet: 10 Mb→ 100 Mb em 10 anos; 100 Mb→ 1 Gb em 5 anos


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

FIGURE 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.

Fonte: [COD4]


Tecnologia de base

Evolução da capacidade de circuitos DRAM

FIGURE 1.12 Growth of capacity per DRAM chip over time. The y-axis is measured in Kilobits, where K = 1024 (210). 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.

1,000,000

1976 1978 1980 1982 1984 1986

Year of introduction

1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008

Kbi

t cap

acity

16K

64K

256K

1M

4M

16M64M

128M256M 512M

1G

100,000

10,000

1000

100

10

Fonte: [COD4]


Tecnologia de base

Latência vs. débito

Fonte: [CAQA4]


Tecnologia de base

Evolução de CPUs (ITRS 2009)


Tecnologia de base

Evolução de System-on-Chip (ITRS 2009)


Tecnologia de base

Consumo de energia

O consumo de energia constitui uma limitação importante para osprocessadores actuais; pode ser mesmo mais importante que a área. Aenergia é dissipada sob a forma de calor. (Potência=Energia/Tempo)

Factor dominante tradicional: potência dinâmica.

Pdin =12× V2 × F × carga capacitiva

No caso de dispositivos móveis, interessa mais a energia (a capacidadeda bateria é dada em 1 A h = 3600 C).

Edin = V2 × carga capacitiva

Actualmente: potência (estática) da corrente de fugas é importante.

Pest = Iest × V

Em 2006: tentar limitar Pest a menos de 25% da potência total, o quenão é sempre conseguido.


Tecnologia de base

Consumo e frequência de operação para CPUs da Intel

2667

12.5 16

2000

200

66

25

3600

75.395

29.110.14.94.13.3

103

1

10

100

1000

1000080

286

(198

2)

8038

6(1

985)

8048

6(1

989)

Pen

tium

(199

3)

Pen

tium

Pro

(19

97)

Pen

tium

4W

illam

ette

(200

1)

Pen

tium

4P

resc

ott

(200

4)

Cor

e 2

Ken

tsfie

ld(2

007)

Clo

ck R

ate

(MH

z)

0

20

40

60

80

100

120

Pow

er (

Wat

ts)

Clock Rate

Power

FIGURE 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 simpler pipeline with lower clock rates and multiple processors per chip. Copyright © 2009 Elsevier, Inc. All rights reserved.

Fonte: [COD4]


Tecnologia de base

Processo de fabrico

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 pat terned 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 fi gure, 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 fi nal test. Copyright © 2009 Elsevier, Inc. All rights reserved.

Slicer

Dicer

20 to 40processing steps

Bond die topackage

Silicon ingot

Wafertester

Parttester

Ship tocustomers

Tested dies Testedwafer

Blankwafers

Packaged dies

Patterned wafers

Tested packaged dies

Fonte: [COD4]


Tecnologia de base

Bolacha com circuitos integrados

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 dozen partially rounded chips at the boundaries of the wafer are useless; they are included because it’s easier to create the masks used to pattern the silicon. This die uses a 90-nanometer technology, which means that the smallest transistors are approximately 90 nm in size, although they are typically somewhat smaller than the actual feature size, which refers to the size of the transistors as “drawn” versus the final manufactured size. Copyright © 2009 Elsevier, Inc. All rights reserved.

Fonte: [COD4]


Tecnologia de base

Densidade de defeitos e dimensão da pastilha

A figura mostra como a mesma densidade de defeitos afecta o rendimento demaneira diferente consoante a dimensão da pastilha.

4 pastilhas com defeito8 pastilhas sem defeitorendimento: 66,6%

4 pastilhas com defeito60 pastilhas sem defeitorendimento: 93,75%

Y =(1 + D×A

α

)−α

Y: rendimento D: defeitos por unidade de áreaA: área da pastilha α: parâmetro de calibração


Referências

Referências

CAQA4 J. L. Hennessey & D. A. Patterson, Computer Arquitecture: AQuantitative Approach, 4ª ed.

COD4 D. A. Patterson & J. L. Hennessey, Computer Organization andDesign, 4a ed.

ITRS International Tecnology Roadmap for Semiconductors, 2009Edition.http://www.itrs.net/Links/2009ITRS/Home2009.htm

Os tópicos tratados nesta apresentação são abordados nas seguintes secçõesde [CAQA4]:

1.1–1.6


http://www.itrs.net/Links/2009ITRS/Home2009.htm

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