EL COMPUTADOR

Disipación de Potencia EL COMPUTADOR El Pasado El Presente Estructura Básica Rendimiento Disipación de Potencia 2 2

EL COMPUTADOR El Pasado 3 3

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

El Pasado ENIAC 1946 El Computador 5

El Pasado ENIAC 1946 El Computador 6

El Pasado ESPAÑA 1954 El Computador 7

Esta foto es falsa pero refleja las ideas de la época. El Pasado 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 Computador 8

Popular Mechanics, March 1949 El Pasado “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 18.000 válvulas de vacío y pesa 30 toneladas, los computadores del futuro pueden tener sólo 1.000 válvulas de vacío y quizás pesen 1.5 toneladas” El Computador 9

Es evidente que la previsión no fue muy acertada… El Pasado 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 Computador 10

ENIAC en un chip El Pasado 1997 El Computador 7,44 mm 5,29 mm Tecnología de 500 nm El Computador 11

El grado de integración ha ido en aumento: El Pasado El grado de integración ha ido en aumento: Intel 4004 1971 Tecnología de 8 µm = 8000 nm ENIAC en un chip 1997 Tecnología de 500 nm Intel Core i7 2008 Tecnología de 45 nm El Computador 12

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

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

El Pasado Intel 4004 1971 El Computador

El Pasado Intel 4004 El Computador 16

El Pasado Intel 4004 El Computador 17

El Pasado Intel 4004 El Computador 18

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

EL COMPUTADOR El Presente 20 20

El Presente Intel Core i7 2008 El Computador 21

El Presente Intel Core i7 2008 El Computador 22

El Presente Intel Core i7 2008 Núcleos Caché L3 común El Computador 23

El Presente Intel Core i7 2008 Núcleos Caché L3 común El Computador 24

Intel Core i7 El Presente 2008 Núcleos Unidades de Ejecución Caché L1 de datos Caché L2 Planificador de ejecución fuera de orden Decodificación Caché L1 de instrucciones Predicción de salto Caché L3 común El Computador 25

El Presente Intel Core i7 2008 Núcleos Caché L3 común El Computador 26

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

POWER 7 El Presente (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 El Computador 28

POWER 7 El Presente (IBM 2010) Aplicaciones El Computador 300.000 núcleos POWER 7 L3 caché 32MB Reloj a 4.0 GHz Memoria principal 1 petabyte (1015) Disco más de10 petabytes Conexión a Internet 400 Gbit/s 10 PETAFLOPS National Center for Supercomputing Applications University of Illinois at Urbana-Champaign Completed in 2011 http://www.ncsa.illinois.edu/BlueWaters/ Biología Evolución del cosmos Investigación en nuevos materiales Fenómenos climatológicos Aplicaciones El Computador 29

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

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

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

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

EL COMPUTADOR Estructura Básica 34 34

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

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

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

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

Arquitecturas CISC Estructura Básica (Complex Instruction Set Computer) Máquina convencional 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 Con la microprogramación era muy fácil implementar instrucciones complejas El Computador 39

Arquitecturas CISC Estructura Básica (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 El Computador 40

Arquitecturas RISC Estructura Básica (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 El Computador 41

Arquitecturas RISC Estructura Básica (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 El Computador 42

Flujo de instrucciones Estructura Básica SISD Flujo de instrucciones Simple Múltiple SIMD MISD MIMD Flujo de datos Taxonomía de Flynn El Computador 43

Arquitectura de Von Newman Estructura Básica Arquitectura de Von Newman CPU MEMORIA E/S El Computador 44

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

Estructura Básica Chipset para Intel Core i7 El Computador 46

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

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

EL COMPUTADOR Rendimiento 49 49

Rendimiento Tiempo de ejecución 1 Tiempo de ejecución Rendimiento = Programa : move r1,r2 add r3,r4 move r1,r5 Tiempo de ejecución Rendimiento = 1 Tiempo de ejecución El Computador 50

Si Tiempo de ejecución de A < Tiempo de ejecución de B Rendimiento : move r1,r2 add r3,r4 move r1,r5 Programa A : xor r4,r1 move r4,r5 sub r1,r2 Programa B Si Tiempo de ejecución de A < Tiempo de ejecución de B diremos que A es n veces más rápido que B, siendo… n = Tiempo de ejecución de B Tiempo de ejecución de A Rendimiento de A Rendimiento de B = El Computador 51

Ecuación de rendimiento del procesador : move r1,r2 add r3,r4 move r1,r5 Programa Ciclos Por Instrucción CPI = Ciclos de reloj para el programa Número de instrucciones ejecutadas Tej. = I x CPI x T = I x CPI F I : Instrucciones ejecutadas T : Periodo del reloj F : Frecuencia del reloj El Computador 52

Ley de Amdhal Rendimiento 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 53

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

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

El nuevo tiempo de ejecución se puede calcular como: Rendimiento El nuevo tiempo de ejecución se puede calcular como: Tnuevo = 1 M TAntiguo x (1 - F) + F Con lo que la aceleración tras la mejora será: (1 - F) + S = TAntiguo TNuevo = F M 1 El Computador 56

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 57 57

SPEC Rendimiento 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 58 58

Rendimiento Ejemplo de SPEC 59 El Computador

Rendimiento 60 El Computador

Rendimiento 61 El Computador

Rendimiento 62 El Computador

Rendimiento 63 El Computador

Rendimiento 64 El Computador

Rendimiento 65 El Computador

Rendimiento 66 El Computador

Rendimiento 67 El Computador

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

Disipación de Potencia EL COMPUTADOR Disipación de Potencia 69 69

Disipación de Potencia 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 W 160 W El Computador 70

Disipación de Potencia 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. El Computador 71

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

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

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

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

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

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

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

Disipación de Potencia 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.) El Computador 79