Circuitos Digitales II y Lab. Introducción al Curso Semana No.1 Semestre 2011- 2 Prof. Eugenio Duque Pérez Prof. Gustavo Patiño A.

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1 Circuitos Digitales II y Lab. Introducción al Curso Semana No.1 Semestre 2011- 2 Prof. Eugenio Duque Pérez eaduque@udea.edu.co Prof. Gustavo Patiño A. (Prof. en comisión) gpatino@udea.edu.co Departamento de Ingeniería Electrónica Facultad de Ingeniería

2 Temario Jerarquía de un proyecto Niveles de abstracción Proceso de diseño Ley de Moore. Escalamiento Tecnológico. El problema de la complejidad. Componentes programables. Ejemplo de sistemas basados en procesador Qué es un computador ? Los cinco componentes de cualquier computador. Tipos de computadores : Tendencias. Actuales desafíos para el arquitecto de computadores. Velocidad. Relación costo-desempeño. Ejemplos. Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 2

3 Jerarquía de un proyecto Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 3

4 Niveles de Abstracción: Carta Y Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 -2 4

5 Proceso de Diseño Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 5

6 Design Process Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 -2 6 Structural Domain Physical Domain Boards, MCM Transistor Layout Cells, Modules Chips, ASICs Flowcharts, Algorithms Register Transfers Boolean Expressions Transistor Functions Processors, Mem, Buses Registers, ALUs, MuXs, Gates, Flip-Flops Transistors Synthesis Implementation Behavioral Domain

7 Ley de Moore Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 7 Infelizmente las otras partes de los computadores (discos, memoria y el Bus) no acompañan esta evolución. Gordon E. Moore Cofundador de Intel en 1968 Sólo cuatro años después del invento del circuito integrado CI, 1962, Moore dijo que: El número de transistores que la industria va a colocar en un circuito integrado se duplicará cada dos años En este momento la ley dice que es cada 18 meses ! El desempeño está directamente relacionado con el número de transistores en un CI (pero no únicamente!)

8 Escalamiento tecnológico Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 8 Los dispositivos son cada vez más pequeños Más dispositivos dentro de un sólo chip. La densidad de los chips se duplica cada tres años. Dispositivos cada vez más rápidos. Ejemplo: Microprocesadores Procesador 8080: 3500 transistores a 200KHz (1975) Pentium4 – 42M de transistores a 3GHz (2003) El desempeño cambió de 0.06 MIPS a > 1000 MIPS Más dispositivos dentro de un CI. => Más difícil de diseñar.

9 El problema de la Complejidad La complejidad es el factor determinante en el diseño de los modernos chips. Dos problemas Cómo hacer uso de todo el espacio ? Superdispositivos (uberappliance) Teléfonos celulares, PDAs, Ipod, TV móvil, cámaras de video. Muchísimas aplicaciones para ser implementadas en lógica de hardware. Toma mucho tiempo acabar el diseño. Cómo estar seguro de que su diseño funcionará ? Problema de verificación. Cómo resolver los errores ? La única forma de sobrevivir a la complejidad Ocultar la complejidad en componentes de propósito general Reutilización componentes. Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 9

10 Componentes programables: Procesadores Una antigua estrategia para resolver el problema de la complejidad Construir un dispositivo genérico y customizarlo mediante el uso de memoria. (un programa corriendo). La mejor manera de hacer esto, es con un procesador de propósito general. La complejidad de los procesadores crece con la tecnología No obstante, el software permanece el mismo C, c++, java…. Todos ellos corriendo sobre un Pentium 2, 3, 4 y otros ….. Está bien para programas secuenciales. Pero cada vez es más difícil hacerlo posible Los recientes desarrollos de hardware requieren cambios profundos en los modelos de software. Procesadores multi-core. Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 -2 10

11 Qué es un computador ? Depende un poco de qué tipo de computador tenemos en mente. Probablemente la mayoría podríamos pensar en un PC. Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 11

12 Qué es un computador ? (…cont) La verdad es un computador luce más como esto…. Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 12

13 Los cinco componentes de cualquier computador Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 13

14 Qué es un computador ? (…cont) Cada sistema es diferente, pero generalmente posee componentes similares. Debe tener: Procesador, memoria. Interface con el mundo exterior (I/O). Y generalmente puede tener: Memoria caché. Bus del sistema. Controlador de memoria. Bus de entrada y salida (I/O). Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 14

15 Tendencias – Tipos de Computadores Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 15

16 Diferentes mercados-diferentes énfasis Desktop Computing Relación precio/desempeño Baja latencia de respuesta + desempeño gráfico Multimedia Server Market Menor énfasis en el costo. Énfasis en la disponibilidad (tolerancia a fallos) y escalabilidad. Throughput : average rate of sucessful messages delibery over communication channel. Equivalent to digital bandwith consumption. Sistemas embebidos Bajo consumo de energía. Bajo costo (unidades limitadas de CPUs/memoria limitada) En la mayoría de los casos, orientados al tiempo-real. Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 16

17 … existen muchos otros mercados… Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 -2 17

18 Qué nuevos tipos de procesadores (desktop/server) ? Procesadores multi-core (p.e IBM POWER5). Procesadores con Simultaneous Multithreading (p.e Intel Xeon 3GHz) Múltiples procesadores por chip (p.e Dual AMD Opteron) Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 18

19 Cambios en la tecnología y en las aplicaciones llevan a cambios en la arquitectura Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 19

20 Actuales desafíos para el arquitecto de computadores Costo Desempeño Tamaño Velocidad Acceso a memoria Acceso a periféricos Otros ? Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 20

21 Velocidad: Problema de los buses Procesador 3 GHz Memoria DDR 400 MHz Bus PCI 133 MB/s @ 33MHz Disco SATA/ATA150 150 MB/s (interface) Gigabit Ethernet 120MB/s Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 21

22 Relación costo/eficiencia Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 22

23 Costo de los Sistemas Digitales Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 23

24 Qué determina el costo de los procesadores? Curva de aprendizaje Yield (rendimiento) R&D Proceso de fabricación Volumen del mercado Competición Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 24

25 Proceso de fabricación de un CI Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 -2 25

26 Costo de los Circuitos Integrados Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 26

27 Costo del chip como una función del tamaño Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 -2 27

28 Sacrificio costo-desempeño El sacrificio El costo del chip es básicamente una función del área del die. Pero con dies más grandes, se obtienen más recursos para mejorar el desempeño. El objetivo de un buen arquitecto Encontrar el punto de inflexión de la curva costo-desempeño, o Obtener el máximo desempeño dada una restricción en el costo. Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 28

29 Curva de precios de procesadores Intel Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 -2 29

30 Evaluación en el desempeño de los procesadores Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 30 55% más rápidos/año

31 Curva de precios de DRAM Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digiitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 31

32 The access time gap Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 32

33 Otros factores que contribuyen al costo Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 - 2 33

34 Resumen Arquitectura de computadores: Diseño de sistemas eficientes dados los requisitos de las aplicaciones y las capacidades/restricciones de la tecnología. Aplicaciones Metodologías eficientes para resolver la complejidad de las aplicaciones actuales y venideras. Costo y Desempeño Dos importante métricas de la eficiencia de la mayoría de sistemas actuales. Departamento de Ing. Electrónica. Circuitos Digitales II Facultad de Ingeniería 2011 -2 34