Introducción a la arquitectura de Computadores Prof. José Edinson Aedo Cobo Departamento de Ing. Electrónica Universidad de Antioquia Adaptado a partir de presentaciones del Prof. D. Patterson’s Copyright 1998, 2000 UCB

Lo que se cubrirá en el curso... Se espera una compresión profunda del funcionamiento interno de los computadores modernos, su evolución y los compromisos que existen (“trade-offs”) en la frontera entre el hardware y o software. Estudio de las operaciones que el hardware suministra al software (instrucciones en assembly), discusión de cuáles operaciones son rápidas o lentas y porque son fáciles o dificiles de ser implementadas en hardware. La tendencia actual al bajo consumo de potencia. Adquirir conocimiento en el proceso de diseño, en el contexto de un diseño grande y complejo de hardware. Especificación funcional ® flujo de Datos y Control ® Implementación Física.

Continuación.... Adquirir un visión de la Arquitectura de Computadores desde el punto de vista del desarrollador de software Con lo que escribe el programa el programador, como este programa es traducido al lenguaje de máquina y como la máquina interpreta el lenguaje de máquina. Conocer las principales tendencias en la evolución de los computadores desde el punto de vista de su arquitectura.

Qué es la Arquitectura de un Computador? Este término ha evolucionado desde el momento que utilizó por primera vez (1964): “Es la estructura del computador que un programador en lenguaje de máquina debe conocer para escribir un programa correcto1” 1Amdahl, G.; Blaaw, G.; Brooks F. “Arquitecture of the IBM System/360”, IBM Journal of Research and development, 8(2), pp. 87-101, april 1964.

En este curso estudiaremos las dos ! Qué es la Arquitectura de un Computador? Arquitectura de un Computador = Arquitectura del Conjunto de Instrucciones (ISA) + Organización de la Máquina (OM) ISA : definición de lo que la máquina hace. Visión lógica OM : cómo la máquina implementa el ISA. La Implementación física En este curso estudiaremos las dos !

Qué es la Arquitectura de un Computador? Niveles de Abstracción: Aplicación Sistema Software Operacional Compilador Conjunto de Instrucciones Conj. Instr Proc. Sistema I/O Hardware flujo de Dados & Control Diseño Digital Diseño del circuito Layout Coordinación de los diversos niveles de abstracción: Esconde detalles de la implementación Facilita mantener la complejidad de sistemas reales bajo control

Fuerzas que influencian la Arquitectura de Computadores Tecnología Lenguajes de programación Aplicaciones Arquitectura de Computadores Sistemas Operacionales Historia

Elementos de un Computador Moderno Problemas computacionales Software Aplic. S.O. Arquitectura de Hardware Algoritmos e Estructuras de Dados Mapeamiento Programación Compilador Linguajes de alto nível Evaluación de Desempeño Evaluación del consumo de Potencia....

Visión general Estructuras de interconexión (buses) Desde 1946 todos los computadores están formados por 5 componentes: Procesador “CPU” flujo de Dados + Unidad de Control Entrada Control Memoria Datapath Salida Estructuras de interconexión (buses)

Arquitectura de Von Neumann Unidad de Control ULA Registradores Bus de Direcciones Bus de Datos Bus de Control Memoria Procesador

Arquitectura de Von Neumann El procesador contiene: a) Unidad de Control b) Unidad Lógica Aritmética (ALU) c) Tres registradores básicos (puede tener muchos mas): Registrador de Instrucción Registrador de direcciones o Contador de Programa (PC) Acumulador.

Ciclo de Instrucción La ejecución de una Instrucción puede ser dividida en cinco partes: Ciclo de lectura Ciclo de decodificación Ciclo de cálculo de direcciones (de los operandos) Ciclo de Ejecución. Ciclo de escritura.

Ejemplo de una Organización (década del 90) TI SuperSPARCtm TMS390Z50 in Sun SPARCstation20 MBus Module SuperSPARC Floating-point Unit L2 $ CC DRAM Controller Integer Unit MBus L64852 MBus control M-S Adapter Inst Cache Ref MMU Data Cache STDIO SBus serial Store Buffer SCSI kbd SBus DMA mouse Ethernet audio RTC Bus Interface SBus Cards Floppy

El pensamiento de Gordon Moore (Ejecutivo Emérito de Intel) Ley de Moore En Abril de 1965, 6 años después de la invención del circuito integrado, Gordon Moore, co-fundador de Intel 3 años más tarde, realizó una predicción conocida luego como la ley de Moore: la cantidad de transistores en un circuito integrado se multiplicará En ese momento, el equipo de Moore trabajaba en el diseño de un dispositivo con … 60 transistores Para compensar la complejidad creciente de los circuitos, Moore cambió en 1975 la duración del ciclo, pasándolo a 2 años Desde el final de los años 80, la duración del ciclo es de 18 meses. Y, además, la ley se aplica igualmente a los otros parámetros de la tecnología, especialmente a la velocidad y a las prestaciones

Tecnologia=> produce Cambios dramáticos La Ley de Moore Procesador capacidad lógica: 2x más transistores cada 18 meses (Lei de Moore) velocidad do reloj (clock) : aumenta cerca del 20% por año Memoria DRAM (capacidad): aumenta cerca del 60% por año (4x cada 3 años) velocidad: mejora cerca del 10% por año Costo por bit: mejora cerca del 25% por año Disco capacidad: cerca de 60% por año

Número de Transistores en los Microprocesadores Procesador Transistores 8088 (1979) 29.000 286 (1982) 134.000 386 (1985) 275.000 486 (1989) 1.200.000 Pentium (1993) 3.100.000 Pentium MMX (1997) 4.300.000 Pentium II (1998) 9.500.000 Pentium III (Coopermine) 21.000.000 Athlon (Thunderbird) 35.000.000 Pentium 4 42.000.000

El Tamaño del Transistor en los Procesadores Processador/Ano Tam. Transistor Intel 4004 (1971) 15 mícrons 8088 (1979) 3 mícrons 486 1 mícron Pentium 60 MHz 0.80 mícron Pentium 100 MHz 0.60 mícron Pentium 166 MHz 0.40 mícron Pentium MMX 0.35 mícron Pentium III 350 MHz 0.25 mícron Celeron 366 (soquete) 0.22 mícron Pentium III Coppermine 0.18 mícron Athlon Thunderbird 0.18 mícron Pentium 4 Northwood 0.13 mícron Athlon Throughred 0.13 mícron Até 2005 (segundo Intel) 0.07 mícron Até 2010 (segundo a Intel) 0.03 mícron ? 2015 0.02 mícron ? 2025 Processadores Quânticos? 1 Mícron = 10-3 mm 1 Mícron = 10-6 metro

El pensamiento de Gordon Moore (Ejecutivo Emérito de Intel) El edificio del centro de invet. y desarrollo cuesta 400 millones de dólares Los equipos en este centro cuestan alrededor de 1 billón de dólares Esta inversión produce una fábrica de 5000 wafers/semana (tecnología de 1/4 de mícron) Para la próxima generación de circuitos integrados, la inversión mínimo deberá ser de 2 o 3 billones de dólares para lograr un volumen razonable de producción. Ninguna otra industria tiene un tiempo de vida tan corto para una inversión tan grande!!!

Gordon Moore Gran parte de ese dinero se gasta antes que se pruebe que va a existir demanda suficiente para los procesadores que serán fabricados Todos los 4 billones se gastarán en una apuesta de que la industria va a absorber un número enorme de CPUs rarísimas !!! Talvez estas CPUs no sean tan rápidas que las existentes actuales... Que sucederá con el Pentium IV se todos creen que el Pentium III es rápido y suficiente??? “Mi mayor pesadilla es despertar algún dia y que no se requiera de mayor poder computacional”.

Sistemas Embebidos

Desempeño - tendencias Supercomputadores Mainframes Log del desempeño Minicomputadores Microprocesadores ano 1970 1975 1980 1985 1990 1995

Procesador (Performance SPEC) Desempeño ahora aumenta ­ 50% por year (2x every 1.5 years) 50 100 150 200 250 300 350 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 año Performance RISC Intel x86 35%/yr introduction

Contenido del Curso Temas generales Introducción al diseño de microproprocesadores. Aspectos históricos. Medidas de desempeño en una arquitectura. Principios cuantitativos en el diseño de computadores. Diseño a nivel de conjunto de instrucciones. Organización de la Microarquitectura. Estructuras de los compiladores modernos y su influencia en el desempeño. Arquitecturas con "pipelining". Arquitecturas RISC. Ejemplo de dos microarquitecturas: MIPS y IJVM (Integer Java virtual machine).

Contenido del Curso Paralelismo a nivel de instrucción. Arquitecturas superscalares y VLIW. Gerarquía de memorias, memorias Cache (arquitecturas básicas), memorias virtuales, memoria principal. Los efectos en el desempeño. Elementos de I/O. Introducción al los computadores paralelos y a su programación. Dentro del curso se analizarán algunas arquitecturas modernas tales como: The Trimedia TM32 CPU, MIPS Architecture, ARM, Intel IA-64 Architecture, Itanium Processor, The Emotion Engine of the Sony Playstation2.

Evaluación Se realizarán 2 evaluaciones cada uno con un valor del 20 % Un trabajo final con un valor del 30%. Prácticas de simulación. Valor 20 % Exposición de un tema asignado Valor 10 %

Bibliografía “Computer Architecture and Computer Organization and Design”, John L. Hennessy and David A. Paterson. Morgan Kaufmann Publisher, 2005. “Computer Architecture: a Quantitative Approach”, John L. Hennessy and David A. Paterson. Morgan Kaufmann Publisher, Third Edition, 2003. “Arquitectura de Computadores”, Julio Ortega Lopera, Mancia Anguita López ya Alberto Prieto Espinosa, Ed. Thomson, 2005. Organización de Computadoras, un Enfoque Estructurado, Andrew S. Tanenbaum, Edi. Person Education 2000. Diversos artículos de las revistas tales como IEEE computer, IEEE solid state circuits, IEEE Micro.

Fabricación de CIs que son transistores con substrato de silicio. Chips son realizado usando una tecnología principalmente a usando materiales semiconductores. Principalmente silicio. Un circuito complejo ( VLSI,ULSI) es formado por millones de combinaciones de elementos lógicos combinacionales y secuencias construido con transistores. Los procesadores modernos se basan en tecnología CMOS que son transistores con substrato de silicio.

20 a 30 pasos de procesamento Entrega a los consumidores Proceso de fabrición de chips Wafers limpias 20 a 30 pasos de procesamento De las oblea Lingote de silício Corte en obleas Wafers “Impresas con el CI” dados probados Test de dados dados Individuales Separador Corte de los chips Encapsula- miento Teste final dos chips Entrega a los consumidores chips encapsulado chips probados

Caso real: fabricación del Pentium Wafer con 8 pulgadas de diametro: 196 procesadores Pentium o 76 procesadores Pentium Pro; Costo de la wafer es aproximadamente el mismo, independente do que se procese en ella. Cuanto mayor el área del procesador, mayor es la probabilidad de utilizar una área co defecto en la wafer Costo aumenta mucho rapidamente con incrementos del área del procesador. Pentium: Área = 91 mm2; ± 3.3 milloness de transistores. Pentium Pró: Área = 306 mm2; ± 5.5 milloes de transistores (1 millones en la cache interna) y 3.1 millones en la cache externa

Aspectos económicos de los circuitos integrados Costos asociados con un IC: Costos fijos asociados con el producto. Costos variables asociados con la producción. Costos fijos: Contribuyen a los costos fijos: Costos de entrenamiento ( se considera el salario de los Ing. En en el entrenamiento y el tiempo que toma). Costos de hardware y Software: CAD y Workstations.

Aspectos económicos de los CIs Costos fijos: Contribuyen a los costos fijos: Costos de diseño (toma en cuenta la productividad del equipo). Costos del diseño del programa de pruebas (design for test). NRE (nonrecurring-engineering charge) - Mascaras. - Simulación, verificación. - Implementación del programa de pruebas (production testing). Costos asociados con “Design pass” adicionales. Costos de prototipos (MPC)

Aspectos económicos de los CIs Costos fijos: Contribuyen a los costos fijos: Costos asociados con una segunda fuente (otro proveedor de tecnología) Importancia del momento de la introducción del producto al Mercado ?

Aspectos económicos de los CIs Importancia del momento de la introducción del producto al mercado (un modelo simple)

Aspectos económicos de los CIs Costos variables: Dependen de la producción Costos por circuito (depende del volumen de ventas) - Costos del dado, dependen de: Costos de la Wafer. Tamaño del dado. Yield del proceso. Pruebas de las partes.

Aspectos económicos de los CIs Costos variables: Dependen de la producción Consideraciones a tener en cuenta - La ley de Moore (Gordon Moore de Intel) El número de transistores sobre un chip se dobla cada 18 meses.

Aspectos económicos de los CIs Costos variables: Dependen de la producción Conceptos relacionados con la producción - Densidad de defectos: es una medida de la calidad del proceso de fabricación. Un defecto en un dado significa que dado no sirve. - Yield del proceso, es fracción de dados sobre un Wafer que son buenas. Un Yield alto es necesario para obtener ganancias.

Aspectos económicos de los CIs Costos variables: Dependen de la producción Cálculo de los costos variables de un CI. Costo del CI: CD  costo del dado CTD  costo del testing del dado. CE  Costo del empaquetamiento (y test final) YTF  yield del test final.

Aspectos económicos de los CIs Costos variables: Dependen de la producción Cálculo del costo del dado. CD  costo del dado CWAF  costo de la oblea (wafer) DW  dados por oblea DY  yield del dado

Aspectos económicos de los CIs Costos variables: Dependen de la producción Cálculo de los dados por oblea DW  dados por oblea DW  diámetro de la oblea (wafer) AD  Area del dado.

Aspectos económicos de los CIs Costos variables: Dependen de la producción Cálculo del yield del dado. YW  Yield de la oblea (100 %) DA  Defectos por unidad de Area AD  Area del dado es un factor inversamente proporcional al número de máscaras. procesos actuales =0.4

Aspectos económicos de los CIs Costos variables: Dependen de la producción Cálculo del testing del dado. CTD  Costo de testing del dado. CTH  Costo del testing por hora (depende del equipo usado). TTD  Tiempo promedio del test para un dado. DY Yield del dado.

Breve Historia de los Computadores Fuente: “Von Neumann: suas contribuições à Computação”, de Tomasz Kowaltowski, revista de Estudos Avançados da USP, No 26, volume 10, janeiro/abril de 1996; sitio: Histoire de l´Informatique (www.histoire-informatique.org).

Recuento histórico breve… Aprox. 100 d.C: Heron de Alejandría describe dos ideas. Unión de ruedas dentadas para realizar una operación y utilización de cilindros rotatorios con pines y cuerdas para controlar secuencias de acciones de otros mecanismos. 1624-1694: máquinas calculadoras de Wilhelm Schickard (Alemanha), Blaise Pascal (França) e Gottfried Leibnitz (Alemanha). 1790-1801: control de telares por medio de cartones perforados, de Joseph Marie Jacquard (Francia)                                                                           

Recuento histórico breve… 1822-1853: diseño e y desarrollo de la máquina de diferencias de Charles Babbage (Gran Bretaña) que nunca fue terminada. Máquina de diferencias más simple de Pehr Georg Scheutz e Edvard Scheutz (Suecia). 1833-1910: Diseño y desarrollo de la máquina analítica de Charles Babbage, con control por cartones perforados, incluyendo las ideas de control condicional y iteracciones (no terminada). Continuación de la construcción de la máquina por Henry Babbage, con resultados parciales.

Recuento histórico breve… 1890-1896.- máquina tabuladora de Herman Hollerith usada para procesamiento de los resultados del censo norte- americano, registrados em cartones perforados. Fundación por Hollerith de la Tabulating Machine Company, predecesora de IBM (creada en 1924). 1934-1941: trabajos de Konrad Zuse (Alemania) culminando con una máquina electromecánica con control primitivo por cinta de papel; siguieron varios modelos mejorados. 1935-1942: trabajos de John V. Atanasoff, lowa State Colleqe (EUA) en la construcción de una máquina electrónica con lectura y perforación de tarjetas para resolución de sistemas de hasta 30 ecuaciones lineales (no terminada).

Recuento histórico breve… 1937-1944: trabajo de Howard Aiken y su equipo, desarrollando por la Universidad de Harvard y IBM (EUA), resultando en MARK 1, un computador eletromecánico, con control por cinta de papel, aún bastante primitivo y de operación compleja; la IBM continuo el desarrollo con otros modelos. 1937 1944: trabajos de George Stibitz y sus colaboradores, de l, Bell Telephone Laboratories (EUA) en el área de cálculos balísticas; resultando en una máquina controlada por cinta de papel- continuaron con otros modelos más avanzados con énfasis en cálculos y autoverificación. 1941-1945: trabajo de Alan Turing y sus colaboradores (Gran- Bretaña) para el desarrollo de máquinas que se conocían como Colossus, delicadas al criptoanálisis. Debido al carácter sigiloso del trabajo, el desarrollo se torno conocido solamente en la década del 70.

Recuento histórico breve… 1942-1945. Diseño y desarrollo de la ENIAC por J. Presper Eckert e John W. Mauchly de la Universidad da Pensilvania (EUA): primer computador de propósito general completamente electrónico.                                                                            

Recuento histórico breve… 1944-1951: Diseño y desarrollo de la EDVAC, primer computador con programa almacenado en memoria, Fue un resultado principalmente de la colaboración de John Von Neumann, J. Presper Eckert y John Machly. El EDVAC fue utilizado hasta diciembre de 1962.                                                                       

Recuento histórico breve… 1946-1952: Diseño y construcción del computador del Instituto de Estudios Avanzados (IAS) de Princeton por John von Neumann y sus colaboradores. 1947-1949: Diseño y construcción del EDSAC por Maurice Wilkes de la Universidad de Cambridge (Gran Bretaña), primer computador con programa almacenado en la memoria en entrar en funcionamiento. 1950 en adelante: construcción de varios sucesores basados el diseño IAS, en universidades y en la industria: JOHNIAC, ORDVAC, ILLIAC, MANIAC, máquinas de Manchester y otras.

Recuento histórico breve…                                                                                                  1951 – Construcción de UNIVAC I, por Eckert y Mauchly. Primer computador comercial de suceso (48 sistemas construídos)

Recuento histórico breve…                                                                                                                       1964 – IBM System/360: idea de la abstración de la arquitectura se torna una realidad comercial (família de computadores): 6 computadores y 44 periféricos con capacidad bastante distintas, pero todos compatíbles entre si. 1965 - DEC lanza el PDP-8, primer mini-computador comercial

Recuento histórico breve… 1971 – Intel 4004: primer microprocesador del mundo: 2300 transistores y 60.000 operaciones por segundo; capacidad de procesamiento semejante a la ENIAC                                              

Recuento histórico breve… 1975 – Altair 8800: primer microcomputador del mundo (para los americanos; para los franceses este seria el Micral-N, de 1973, hecho por un francés). Primer BASIC de Microsoft hecho para esta máquina.                           1977 – Apple II (S. Jobs e S. Wozniak): primer computador con gran suceso de vendas para el público en general.

Recuento histórico breve… Algunos procesadores actuales: Intel Pentium 4/2200: Clock de 2.2 GHz, 55 millones de transistores, 146mm2 de área. AMD Athlon XP 2000+: Clock de 1.66 GHz, 37.5 millones de transistores, 128 mm2 de área.

Recuento histórico breve… IBM Power 5

Generacione de Computadores en 50 años

Recuento histórico breve… Rupturas en relación al paradigma de Von Neumann: Arquitectura de flujo de dados: MIT, final de los años 60. Conceptualmente muy elegante, se mostró poco, eficiente en la práctica, se limitó a proyectos académicos. Computación basada en DNA: Adleman, 1994/1995. Mostró que podría ser posible resolver problemas combinatorios a través de moléculas de DNA. No está claro si es posible construir computadores de propósito general. Computación Quántica: Utiliza el principio de la superposición (un sistema puede estar en mas de un estado simultáneamente). Resultados teóricos importantes: factoración de enteros en tiempo polinomial (Shor, 94). Tecnología actual: 7 qubits