Tema 1 (1)el computador
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1. EL COMPUTADOR
1
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EL COMPUTADOR
1. El Pasado
2. El Presente
3. Estructura Básica
4. Rendimiento
5. Disipación de Potencia
2
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1. El Pasado
3
EL COMPUTADOR
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El Pasado
El Computador 4
Los precursores
Ábaco
Máquina de LeibnizMáquina analítica
Pascalina
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El Computador 5
ENIAC
1946
El Pasado
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El Computador 6
ENIAC
1946
El Pasado
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El Computador 7
ESPAÑA
1954
El Pasado
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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
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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 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 Pasado
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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
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El Computador 11
ENIAC en un chip
1997
7,44 mm
5,29 mm
El Pasado
Tecnologíade 500 nm
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El Computador 12
El Pasado
El grado de integración ha ido en aumento:
ENIAC en un chip1997
Tecnología de 500 nm
Intel Core i72008 Tecnología de 45 nm
Tecnología de 8 µm = 8000 nmIntel 4004
1971
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Cabello humano100 µm
Pero . . . ¿de qué tamaños estamos hablando?
El Computador
El Pasado
Tecnología de8 µm
(1971)
13
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El Computador 14
El Pasado
Bacteria Escherichia Coli1 µm x 3 µm
Virus HIV100 nm
Tecnología de45 nm(2008)
Pero . . . ¿de qué tamaños estamos hablando?
Tecnología de500 nm(1997)
Tecnología de8 µm
(1971)
. . . y sigue aumentando el grado de integración.
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El Computador 15
Intel 4004
1971
El Pasado
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El Computador 16
Intel 4004
El Pasado
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El Computador 17
Intel 4004
El Pasado
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El Computador 18
Intel 4004
El Pasado
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El Computador 19
Intel 4004Generador de 8 fases de reloj
Decodificación de instrucciones
ALU
Registros índice
Pila y contador de programa
El Pasado
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2. El Presente
20
EL COMPUTADOR
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El Computador 21
Intel Core i7
2008
El Presente
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El Computador 22
Intel Core i7
2008
El Presente
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El Computador 23
Intel Core i7
2008
Núcleos
Caché L3 común
El Presente
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El Computador 24
Núcleos
Caché L3 común
Intel Core i7
2008
El Presente
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El Computador 25
Núcleos
Caché L3 común
Intel Core i7
2008Unidades
de Ejecución
Caché L1 de datos
Caché L2
Planificador de ejecución
fuera de orden
Decodificación
Caché L1 de instruccione
s
Predicción de salto
El Presente
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El Computador 26
Intel Core i7
2008
Núcleos
Caché L3 común
El Presente
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El Computador 27
POWER 7(IBM 2010)
El Presente
Ceramic module
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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
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El Computador 29
El Presente
POWER 7(IBM 2010)
National Center for Supercomputing ApplicationsUniversity of Illinois at Urbana-Champaign
Completed in 2011http://www.ncsa.illinois.edu/BlueWaters/
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
Aplicaciones• Biología • Evolución del cosmos• Investigación en nuevos materiales• Fenómenos climatológicos
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El Computador 30
CELL(Sony-Toshiba-IBM)
El Presente
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El Computador 31
CELL(Sony-Toshiba-IBM)
El Presente
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El Computador 32
CELL(Sony-Toshiba-IBM)
El Presente
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El Computador 33
CELL(Sony-Toshiba-IBM)
El Presente
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3. Estructura Básica
34
EL COMPUTADOR
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El Computador 35
Niveles de máquina
Lenguaje ensamblador
Sistema operativo
Máquina convencional
Lenguajes de alto nivel
Es lo que define la “arquitectura”
Estructura Básica
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El Computador 36
Soporte de los niveles
Interpretación
Programa fuente
Nivel 2
Intérprete
Nivel 1
Estructura Básica
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El Computador 37
Soporte de los niveles
Traducción
Programa fuente
Nivel 2
Traductor
Nivel 1
Programa objeto
Estructura Básica
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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
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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
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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
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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
![Page 42: Tema 1 (1)el computador](https://reader036.fdocumento.com/reader036/viewer/2022062515/55c95884bb61eb13758b4640/html5/thumbnails/42.jpg)
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
![Page 43: Tema 1 (1)el computador](https://reader036.fdocumento.com/reader036/viewer/2022062515/55c95884bb61eb13758b4640/html5/thumbnails/43.jpg)
El Computador 43
Taxonomía de Flynn
SISDF
lujo
de
inst
rucc
ione
s
Sim
ple
Múl
tiple
SIMD
MISD MIMD
Flujo de datos
MúltipleSimple
Estructura Básica
![Page 44: Tema 1 (1)el computador](https://reader036.fdocumento.com/reader036/viewer/2022062515/55c95884bb61eb13758b4640/html5/thumbnails/44.jpg)
El Computador 44
Arquitectura de Von Newman
CPU MEMORIA E/S
Estructura Básica
![Page 45: Tema 1 (1)el computador](https://reader036.fdocumento.com/reader036/viewer/2022062515/55c95884bb61eb13758b4640/html5/thumbnails/45.jpg)
El Computador 45
Chipset típico CPU
Puente Norte(MCH)
Puente Sur
(ICH)
Tarjeta Gráfica
Memoria Principal
Ratón Teclado Disco USB
FSB
Estructura Básica
![Page 46: Tema 1 (1)el computador](https://reader036.fdocumento.com/reader036/viewer/2022062515/55c95884bb61eb13758b4640/html5/thumbnails/46.jpg)
El Computador 46
Chipset para
Intel Core i7
Estructura Básica
![Page 47: Tema 1 (1)el computador](https://reader036.fdocumento.com/reader036/viewer/2022062515/55c95884bb61eb13758b4640/html5/thumbnails/47.jpg)
Placa base de
Intel Core i7
X58
ICH10
CPU
El Computador
Estructura Básica
47
![Page 48: Tema 1 (1)el computador](https://reader036.fdocumento.com/reader036/viewer/2022062515/55c95884bb61eb13758b4640/html5/thumbnails/48.jpg)
Placa base de
Intel Core i7
El Computador
CPU
ICH10
X58
Estructura Básica
48
![Page 49: Tema 1 (1)el computador](https://reader036.fdocumento.com/reader036/viewer/2022062515/55c95884bb61eb13758b4640/html5/thumbnails/49.jpg)
4. Rendimiento
49
EL COMPUTADOR
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El Computador
Rendimiento =1
Tiempo de ejecución
:
move r1,r2
add r3,r4
move r1,r5
:
Programa
Tiempo de ejecución
Rendimiento
50
![Page 51: Tema 1 (1)el computador](https://reader036.fdocumento.com/reader036/viewer/2022062515/55c95884bb61eb13758b4640/html5/thumbnails/51.jpg)
El Computador
:
move r1,r2
add r3,r4
move r1,r5
:
Programa A
:
xor r4,r1
move r4,r5
sub r1,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 Bdiremos que A es n veces más rápido que B, siendo…
Rendimiento
51
![Page 52: Tema 1 (1)el computador](https://reader036.fdocumento.com/reader036/viewer/2022062515/55c95884bb61eb13758b4640/html5/thumbnails/52.jpg)
Ecuación de rendimiento del procesador
El Computador
CPI =Ciclos de reloj para el programa
Número de instrucciones ejecutadas
Ciclos Por Instrucción:
move r1,r2
add r3,r4
move r1,r5
:
Programa
Tej. = I x CPI x T =I x CPI
F
I : Instrucciones ejecutadas
T : Periodo del reloj
F : Frecuencia del reloj
Rendimiento
52
![Page 53: Tema 1 (1)el computador](https://reader036.fdocumento.com/reader036/viewer/2022062515/55c95884bb61eb13758b4640/html5/thumbnails/53.jpg)
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
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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
![Page 55: Tema 1 (1)el computador](https://reader036.fdocumento.com/reader036/viewer/2022062515/55c95884bb61eb13758b4640/html5/thumbnails/55.jpg)
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
![Page 56: Tema 1 (1)el computador](https://reader036.fdocumento.com/reader036/viewer/2022062515/55c95884bb61eb13758b4640/html5/thumbnails/56.jpg)
El Computador
El nuevo tiempo de ejecución se puede calcular como:
Con lo que la aceleración tras la mejora será:
(1 - F) +
S =TAntiguo
TNuevo
=F
M
1
Tnuevo =1
MTAntiguo x (1 - F) + F
Rendimiento
56
![Page 57: Tema 1 (1)el computador](https://reader036.fdocumento.com/reader036/viewer/2022062515/55c95884bb61eb13758b4640/html5/thumbnails/57.jpg)
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
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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
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El Computador 59
Ejemplo de SPEC
Rendimiento
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El Computador 60
Rendimiento
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El Computador 61
Rendimiento
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El Computador 62
Rendimiento
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El Computador 63
Rendimiento
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El Computador 64
Rendimiento
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El Computador 65
Rendimiento
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El Computador 66
Rendimiento
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El Computador 67
Rendimiento
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El Computador 68
El resto son indicaciones sobre las opciones de compilación usadas, flag de optimización, etc …
Rendimiento
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5. Disipación de Potencia
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EL COMPUTADOR
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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 W 160 W
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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
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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
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El Computador
La rápida renovación del aire se logra acoplando ventiladores a las estructuras de disipación.
Disipación de Potencia
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El Computador
En casos extremos se utilizan métodos más sofisticados:
Disipación de Potencia
Refrigeración por agua
Célula Peltier
Hielo seco
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El Computador
Disipación de Potencia
Potencia total disipada
Potenciadinámica + Potencia
de cortocircuitoPotenciaestática+
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El Computador
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
Disipación de Potencia
Potenciadinámica
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El Computador
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
Disipación de Potencia
Potenciade cortocircuito
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El Computador
Es provocada por la corriente de pérdida que fluye por el transistor aunque éste no funcione.
Pe = V x Ie
V : Voltaje de funcionamiento
Ie : Corriente estática de fuga
Disipación de Potencia
Potenciaestática
Aunque es muy pequeña, adquiere la suficiente importancia cuando el número de transistores es elevado.
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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
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