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1.EL COMPUTADOR 1. EL COMPUTADOR 1.El Pasado 2.El Presente 3.Estructura Básica 4.Rendimiento 5.Disipación de Potencia 2.

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1 1.EL COMPUTADOR 1

2 EL COMPUTADOR 1.El Pasado 2.El Presente 3.Estructura Básica 4.Rendimiento 5.Disipación de Potencia 2

3 1.El Pasado 3 EL COMPUTADOR

4 El Pasado El Computador 4 Los precursores Ábaco Máquina de Leibniz Máquina analítica Pascalina

5 El Computador 5 ENIAC 1946 El Pasado

6 El Computador 6 ENIAC 1946 El Pasado

7 El Computador 7 ESPAÑA 1954 El Pasado

8 El Computador 8 Esta foto es falsa pero refleja las ideas de la época. Supuesta predicción hecha en 1954 sobre el aspecto de un computador personal en 2004 El Pasado

9 El Computador 9 Where a calculator on the ENIAC is equipped with 18,000 vaccuum tubes and weighs 30 tons, computers in the future may have only 1,000 vaccuum tubes and perhaps weigh 1.5 tons. Popular Mechanics, March 1949 Mientras que el ENIAC está equipado con válvulas de vacío y pesa 30 toneladas, los computadores del futuro pueden tener sólo válvulas de vacío y quizás pesen 1.5 toneladas El Pasado

10 El Computador 10 Es evidente que la previsión no fue muy acertada… ¿Por qué se alejaron tanto de la realidad? Principalmente por la revolución tecnológica que supusieron el transistor y la integración de circuitos a gran escala. El Pasado

11 El Computador 11 ENIAC en un chip ,44 mm 5,29 mm El Pasado Tecnología de 500 nm

12 El Computador 12 El Pasado El grado de integración ha ido en aumento: ENIAC en un chip 1997 Tecnología de 500 nm Intel Core i Tecnología de 45 nm Tecnología de 8 µm = 8000 nm Intel

13 Cabello humano 100 µm Pero... ¿de qué tamaños estamos hablando? El Computador El Pasado Tecnología de 8 µm (1971) 13

14 El Computador 14 El Pasado Bacteria Escherichia Coli 1 µm x 3 µm Virus HIV 100 nm Tecnología de 45 nm (2008) Pero... ¿de qué tamaños estamos hablando? Tecnología de 500 nm (1997) Tecnología de 8 µm (1971)... y sigue aumentando el grado de integración.

15 El Computador 15 Intel El Pasado

16 El Computador 16 Intel 4004 El Pasado

17 El Computador 17 Intel 4004 El Pasado

18 El Computador 18 Intel 4004 El Pasado

19 El Computador 19 Intel 4004 Generador de 8 fases de reloj Decodificación de instrucciones ALU Registros índice Pila y contador de programa El Pasado

20 2.El Presente 20 EL COMPUTADOR

21 El Computador 21 Intel Core i El Presente

22 El Computador 22 Intel Core i El Presente

23 El Computador 23 Intel Core i Núcleos Caché L3 común El Presente

24 El Computador 24 Núcleos Caché L3 común Intel Core i El Presente

25 El Computador 25 Núcleos Caché L3 común Intel Core i Unidades de Ejecución Caché L1 de datos Caché L2 Planificador de ejecución fuera de orden Decodificación Caché L1 de instrucciones Predicción de salto El Presente

26 El Computador 26 Intel Core i Núcleos Caché L3 común El Presente

27 El Computador 27 POWER 7 (IBM 2010) El Presente Ceramic module

28 El Computador 28 El Presente POWER 7 (IBM 2010) 45 nm 1200 millones de transistores 4,6 y 8 núcleos Por núcleo: 4 hilos de ejecución por núcleo L1 32K (instrucciones) + 32K (Datos) L2 256K L3 4M (máximo 32 MB) Potencia Teórica de cálculo para 8 núcleos y reloj a 4 Ghz Por núcleo 33,12 GFLOPS Por procesador 264,96 GFLOPS

29 El Computador 29 El Presente POWER 7 (IBM 2010) National Center for Supercomputing Applications University of Illinois at Urbana-Champaign Completed in núcleos POWER 7 L3 caché 32MB Reloj a 4.0 GHz Memoria principal 1 petabyte (10 15 ) Disco más de10 petabytes Conexión a Internet 400 Gbit/s 10 PETAFLOPS Aplicaciones Biología Evolución del cosmos Investigación en nuevos materiales Fenómenos climatológicos

30 El Computador 30 CELL (Sony-Toshiba-IBM) El Presente

31 El Computador 31 CELL (Sony-Toshiba-IBM) El Presente

32 El Computador 32 CELL (Sony-Toshiba-IBM) El Presente

33 El Computador 33 CELL (Sony-Toshiba-IBM) El Presente

34 3.Estructura Básica 34 EL COMPUTADOR

35 El Computador 35 Niveles de máquina Lenguaje ensamblador Sistema operativo Máquina convencional Lenguajes de alto nivel Es lo que define la arquitectura Estructura Básica

36 El Computador 36 Soporte de los niveles Interpretación Programa fuente Nivel 2 Intérprete Nivel 1 Estructura Básica

37 El Computador 37 Soporte de los niveles Traducción Programa fuente Nivel 2 Traductor Nivel 1 Programa objeto Estructura Básica

38 El Computador 38 Soporte de los niveles Traducción Programa fuente Nivel 2 Traductor Nivel 1 Programa objeto Traductor Ensamblador: 1 instrucción fuente 1 instrucción objeto Compilador: 1 instrucción fuente varias instrucciones objeto Estructura Básica

39 El Computador 39 Arquitecturas CISC (Complex Instruction Set Computer) Máquina convencional Con la microprogramación era muy fácil implementar instrucciones complejas Ventajas de tener instrucciones muy potentes: Los programas ocupan menos (La memoria era muy cara) Hay menos accesos a memoria (La memoria era muy lenta) Puede facilitar la construcción compiladores Máquina convencional Microprograma Estructura Básica

40 El Computador 40 Arquitecturas CISC (Complex Instruction Set Computer) Máquina convencional Características de las instrucciones: Número elevado Muchos modos de direccionamiento Longitud variable Formato irregular Muchas instrucciones operan con la memoria Estructura Básica

41 El Computador 41 Arquitecturas RISC (Reduced Instruction Set Computer) Máquina convencional Ventajas de tener instrucciones sencillas: Se ejecutan más rápido Acceso a memoria más rápido Procesadores más simples, lo que permite mejorarlos Estructura Básica

42 El Computador 42 Arquitecturas RISC (Reduced Instruction Set Computer) Máquina convencional Características de las instrucciones: Número más reducido Menos modos de direccionamiento Longitud fija (Optimiza la extracción) Formato regular (Optimiza la decodificación) Filosofía Load / Store Memoria separada Cauce segmentado Estructura Básica

43 El Computador 43 Taxonomía de Flynn SISD Flujo de instrucciones Simple Múltiple SIMD MISDMIMD Flujo de datos MúltipleSimple Estructura Básica

44 El Computador 44 Arquitectura de Von Newman CPUMEMORIAE/S Estructura Básica

45 El Computador 45 Chipset típico CPU Puente Norte (MCH) Puente Sur (ICH) Tarjeta Gráfica Memoria Principal RatónTecladoDiscoUSB FSB Estructura Básica

46 El Computador 46 Chipset para Intel Core i7 Estructura Básica

47 Placa base de Intel Core i7 X58 ICH10 CPU El Computador Estructura Básica 47

48 Placa base de Intel Core i7 El Computador CPU ICH10 X58 Estructura Básica 48

49 4.Rendimiento 49 EL COMPUTADOR

50 El Computador Rendimiento = 1 Tiempo de ejecución : mover1,r2 addr3,r4 mover1,r5 : Programa Tiempo de ejecución Rendimiento 50

51 El Computador : mover1,r2 addr3,r4 mover1,r5 : Programa A : xorr4,r1 mover4,r5 subr1,r2 : Programa B n = Tiempo de ejecución de B Tiempo de ejecución de A Rendimiento de A Rendimiento de B = Si Tiempo de ejecución de A < Tiempo de ejecución de B diremos que A es n veces más rápido que B, siendo… Rendimiento 51

52 Ecuación de rendimiento del procesador El Computador CPI = Ciclos de reloj para el programa Número de instrucciones ejecutadas Ciclos Por Instrucción : mover1,r2 addr3,r4 mover1,r5 : Programa T ej. = I x CPI x T = I x CPI F I : Instrucciones ejecutadas T : Periodo del reloj F : Frecuencia del reloj Rendimiento 52

53 Permite calcular la ganancia en el rendimiento que obtendríamos al mejorar una parte del computador. Establece que la ganancia está limitada por la fracción de tiempo en la que puede ser utilizada la mejora. Seguidamente vamos a definir algunos conceptos a partir de los cuales definiremos la ley. El Computador Ley de Amdhal Rendimiento 53

54 El Computador S = Rendimiento con la mejora Rendimiento sin la mejora S = Tiempo de ejecución sin la mejora Tiempo de ejecución con la mejora Nos indica el aumento de rendimiento o mejora del tiempo de ejecución tras haber introducido la mejora. Aceleración (speedup) Rendimiento 54

55 El Computador Indica cuantas veces es más rápida la parte mejorada respecto a la versión sin la mejora. Indica la parte del tiempo total de ejecución que puede ser reducida mediante la mejora. Fracción mejorable Mejora F = Tiempo que se puede mejorar Tiempo total M = Tiempo sin mejora Tiempo con mejora Rendimiento 55

56 El Computador El nuevo tiempo de ejecución se puede calcular como: Con lo que la aceleración tras la mejora será: (1 - F) + S = T Antiguo T Nuevo = FMFM 1 T nuevo = 1M1M T Antiguo x (1 - F) +F Rendimiento 56

57 57 Medición del rendimiento ¿Cómo medir el comportamiento de los computadores? Información del S.O. Kernels Conjuntos de benchmarks Monitores hardware Los más utilizados son los conjuntos de benchmarks de la organización SPEC El Computador Rendimiento

58 58 SPEC Standard Performance Evaluation Corporation Consiste en un conjunto de programas que se pasan en la máquina a evaluar. Los resultados se comparan con los obtenidos en una máquina de referencia. Hay distintos tipos de test según las características que se quieran evaluar. El Computador Rendimiento

59 El Computador 59 Ejemplo de SPEC Rendimiento

60 El Computador 60 Rendimiento

61 El Computador 61 Rendimiento

62 El Computador 62 Rendimiento

63 El Computador 63 Rendimiento

64 El Computador 64 Rendimiento

65 El Computador 65 Rendimiento

66 El Computador 66 Rendimiento

67 El Computador 67 Rendimiento

68 El Computador 68 El resto son indicaciones sobre las opciones de compilación usadas, flag de optimización, etc … Rendimiento

69 5.Disipación de Potencia 69 EL COMPUTADOR

70 Disipación de Potencia El Computador La disipación de calor es uno de los grandes problemas en el diseño de los procesadores y de los circuitos integrados en general. El calor es generado por la potencia disipada y ésta ha ido en aumento con el paso de los años: 0,45 W160 W 70

71 El Computador El intercambio de calor con el aire exterior se realiza a través de la superficie del chip. Por lo tanto conviene: Lograr una gran superficie de intercambio. Renovar rápidamente el aire que se va calentando. Disipación de Potencia 71

72 El Computador El aumento de la superficie de disipación se obtiene acoplando estructuras de materiales que conduzcan fácilmente el calor y una gran superficie. Disipación de Potencia 72

73 El Computador La rápida renovación del aire se logra acoplando ventiladores a las estructuras de disipación. Disipación de Potencia 73

74 El Computador En casos extremos se utilizan métodos más sofisticados: Disipación de Potencia Refrigeración por agua Célula Peltier Hielo seco 74

75 El Computador Disipación de Potencia Potencia total disipada Potencia dinámica + Potencia de cortocircuito Potencia estática + 75

76 El Computador Se produce por la conmutación de los transistores. P d = A x C x V 2 x F A : Coeficiente de actividad C : Capacidad V : Voltaje de funcionamiento F : Frecuencia de conmutación Disipación de Potencia Potencia dinámica 76

77 El Computador Es debida a la corriente que fluye durante un tiempo t entre la alimentación y la tierra cuando las puertas conmutan. P c = A x t x V x I c A : Coeficiente de actividad t : Tiempo V : Voltaje de funcionamiento I c : Corriente de cortocircuito Disipación de Potencia Potencia de cortocircuito 77

78 El Computador Es provocada por la corriente de pérdida que fluye por el transistor aunque éste no funcione. P e = V x I e V : Voltaje de funcionamiento I e : Corriente estática de fuga Disipación de Potencia Potencia estática Aunque es muy pequeña, adquiere la suficiente importancia cuando el número de transistores es elevado. 78

79 El Computador Para disminuir el consumo de potencia se puede: Disminuir la tensión de alimentación (V) (Ha pasado de 5 V a poco más de 1 V) Disminuir la frecuencia (F) La capacidad (C) depende del número de transistores, la tecnología y su interconexión. Algunos procesadores reducen su actividad de forma automática cuando se calientan demasiado. También pueden desconectar el reloj de los módulos que no se están utilizando (por ejemplo, la unidad F.P.) Disipación de Potencia 79


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