of 24/24
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

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

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Aspectos gerais da arquitectura de computadoresjcf/ensino/disciplinas/mieic/aac/... · 2010. 10....

  • 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), 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).

    João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 3 / 24

  • Evolução dos computadores

    Planta do ENIAC

    A sala tinha cerca de 93 m2. 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 aindústria. 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: IBMJoão 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 aindústria 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

  • 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.

    João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 9 / 24

  • 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

    João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 11 / 24

  • 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.

    João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 12 / 24

  • 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

    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

    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]

    João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 14 / 24

  • 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]

    João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 15 / 24

  • Tecnologia de base

    Latência vs. débito

    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 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 × VEm 2006: tentar limitar Pest a menos de 25% da potência total, o quenão 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

    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]

    João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 20 / 24

  • 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]

    João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro de 2010 21 / 24

  • 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]

    João Canas Ferreira (FEUP) Aspectos gerais da arquitectura de computadores Setembro 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 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×Aα

    )−αY: rendimento D: defeitos por unidade de áreaA: 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: 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

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

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

    AssuntosEvolução dos computadoresO mercado de computadoresArquitectura de computadoresTecnologia de baseReferências