Upload
matthias-de
View
226
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1 Ben Bruidegom
Architectuur en Computerorganisatie
Geschiedenis heden en toekomst: De wet van Moore geldt al 41 jaar. Hoe lang blijft deze wet nog gelden?
Overzicht cursus: Deel 1: Digitale techniek Deel 2: Computerorganisatie
Literatuur: Syllabus: Hoe werkt een computer precies? Computerorganization and Design (Patterson & Hennessy)
2 Ben Bruidegom
Docent: Ben Bruidegom Studentassistent: Elephtera Hendriks
Werkvorm: Studio Classroom Rooster voor vandaag:
Overzichtscollege van het vak Practicum: Hoofdstuk 1 syllabus 13.00 – 13.30 Lunchpauze College over talstelsels Practicum: Hoofdstuk 2 syllabus t/m 2.5.
Organisatie
3 Ben Bruidegom
Beoordeling Digitale techniek
Tijdsbesteding: 8 a 10 uur per week Beoordeling:
Deeltentamen Digitale techniek 50% Practicum Digitale techniek Deeltentamen Computerorganisatie 50% Beide onderdelen ≥ 5,5
4 Ben Bruidegom
Beoordeling Digitale techniek
Ieder afgerond practicum levert 2 punten op. Huiswerk levert maximaal 2 punten op. Totaal maximum aantal punten 6 * 2 + 5 * 2 = 22 punten Tentamen 78 punten Totaal 100 punten
5 Ben Bruidegom
Sneller, sneller en... nog sneller Er was, is en blijft een vraag naar steeds snellere
computers. Enkele voorbeelden:
Intelligentere programma’s (b.v. spraakherkenning) Multimedia Spelletjes Wetenschappelijke toepassingen etc.
Waartoe heeft deze trend geleid....?
Een revolutie in microprocessor technologie!
6 Ben Bruidegom
Wet van Moore Het aantal transistors op een computerchip
wordt elke 18 maanden *** verdubbelt. De voorspelling werd in 1965 gedaan door
Gordon Moore, één van de oprichters van chipfabrikant Intel.
De wet geldt tot op de dag van vandaag (2005).
Zal in de toekomst de technologische vooruitgang langzamer gaan verlopen?
Voorlopig niet maar na 2020 wel!! Reden: fundamentele fysische barrières.
***
7 Ben Bruidegom
Een revolutie in microprocessor technologie!
1965
8 Ben Bruidegom
Intel 4004 (1971) 2250 transistors
9 Ben Bruidegom
Intel Pentium 4 Prescott (2004) 125.000.000 transistors90 nm technologie 0,1 micrometer transistors
10 Ben Bruidegom
De grootte van één transistor: 90 nanometer
90 nm = 0,09 micrometer
11 Ben Bruidegom
Toename performance van computers sinds 1978 t.o.v. VAX 11/780
12 Ben Bruidegom
Klokfrequentie (f)
Tijd
sec01,0100
11(t) dperiodetij Hz 100 f :Stel
f
0,01 seconde
3 Volt
0 Volt
13 Ben Bruidegom
Microprocessor revolutie: klok frequenties
14 Ben Bruidegom
Klokfrequentie
Klokfrequentie (f): 4 GHz = 4 * 109 Hz
Tijd
ns) (0,25 secnano 0,25sec10*25,010*4
11dperiodetij 9
9
f
0,25 ns
Limitatie: Lichtsnelheid = 300.000 km/sec dus in 0,25 ns legt het licht 7,5 cm af
3 Volt
0 Volt
15 Ben Bruidegom
Energie verbruik
16 Ben Bruidegom
Energieverbruik en klokfrequentie
Klokfrequentie (f): 4 GHz = 4 * 109 Hz
Tijd
Spanning
3 Volt
0 Volt
Stroomverbruik
Geen stroomverbruik
Vermogen (Watt) = Stroom * Spanning = I * U
Energieverbruik = Vermogen * tijd (Watt sec)
Energieverbruik = (Watt sec)tRU *
2
17 Ben Bruidegom
Moore’s law
Prior to the mid-1980s, processor performance growth was largely technology driven, and averaged about 25% per year. The increase in growth from 1986 to 2002 to about 52% was due to more advanced architectural and organizational ideas exploiting Moore’s Law. It’s less than 20% per year since 2002
18 Ben Bruidegom
Prestatieverbeteringen Door technologie
Meer transistoren Hogere klokfrequenties Minder warmteontwikkeling
Door verbeteringen van de architectuur Meer parallellisme Pipeline Cache Compilers
19 Ben Bruidegom
Pentium 4
Pipelining is important (last IA-32 without it was 80386 in ‘85)
Pipelining is used for the simple instructions favored by compilers
Control
Control
Control
Enhancedfloating pointand multimedia
Control
I/Ointerface
Instruction cache
Integerdatapath
Datacache
Secondarycacheandmemoryinterface
Advanced pipelininghyperthreading support
Chapter 6
Chapter 7
Pipelining
20 Ben Bruidegom
Pipelining
Pipelining provides a method for executing multiple instructions at the same time.
Laundry Example Ann, Brian, Cathy, Dave
each have one load of clothes to wash, dry, and fold
Washer takes 30 minutes
Dryer takes 40 minutes
“Folder” takes 20 minutes
A B C D
21 Ben Bruidegom
Sequential Laundry
Sequential laundry takes 6 hours for 4 loads
If they learned pipelining, how long would laundry take?
A
B
C
D
30 40 20 30 40 20 30 40 20 30 40 20
6 PM 7 8 9 10 11 Midnight
Task
Order
Time
22 Ben Bruidegom
Pipelined Laundry
Pipelined laundry takes 3.5 hours for 4 loads
A
B
C
D
6 PM 7 8 9 10 11 Midnight
Task
Order
Time
30 40 40 40 40 20
23 Ben Bruidegom
Processor-Memory Performance Gap
24 Ben Bruidegom
Memory hierarchy: concrete example
25 Ben Bruidegom
Memory hierarchy: Cache
26 Ben Bruidegom
27 Ben Bruidegom
Toekomstbeeld: Waar valt nog flink vooruitgang te boeken en waar niet?
Beperkte vooruitgang (huidige) siliciumtechnologie door fysieke limitaties: Kloksnelheid (lichtsnelheid) Component-grootte gelimiteerd (b.v. enkele atomen) Energieverbruik
Beperkte verbeteringen architectuur Flinke vooruitgang: Parallellisme !
28 Ben Bruidegom
Dual core machines
The number of processors on a chip and number of hardware-supported threads per processor on current and future microprocessors.
29 Ben Bruidegom
Snelste computer ANP: 26-4-2005 Minister van der Hoeven (Onderwijs) heeft dinsdag in
Groningen de snelste computer van Europa officieel in gebruik gesteld. Het door IBM ontwikkelde systeem vormt het kloppend hart van het grootste sensornetwerk ter wereld (LOFAR), dat op dit moment in Noord-Nederland in ontwikkeling is (15.000 kleine antennes).
In totaal neemt de computer slechts 6 vierkante meter ruimte in beslag. 12.000 Processors staan garant voor een enorme rekenkracht van 27,4 biljoen berekeningen per seconde.
27.400.000.000.000 berekeningen per seconde.
30 Ben Bruidegom
De toekomst van de microprocessor technologie!
Nanotechnologie. In het lab wordt nu geëxperimenteerd met 25 en 15
nanometertechnologie.
Multi-core processoren Cmos op zijn laatste benen? Silicium fotonica
Silicium kan gebruikt worden voor het maken van laserlicht.
De labs van Intel, IBM e.a. kunnen de technologische grenzen steeds opnieuw verleggen!??
31 Ben Bruidegom
Toekomst 20 april 2005 - Intel voorspelt dat de wet van Moore tot 2020
doorgaat.
32 Ben Bruidegom
Abstractieniveaus Een computersysteem bestaat uit een hiërarchie van
lagen Elke laag heeft een goed gedefinieerde interface naar de
bovenliggende en onderliggende lagen Essentieel bij de ondersteuning van opwaartste
compatibiliteit
33 Ben Bruidegom
From High-Level Language to language of the hardware
34 Ben Bruidegom
How do computers work?
Need to understand abstractions such as: Applications software Systems software Assembly Language Machine Language Architectural Issues: i.e., Caches, Virtual Memory, Pipelining Sequential logic, finite state machines Combinational logic, arithmetic circuits Boolean logic, 1s and 0s Transistors used to build logic gates (CMOS) Semiconductors/Silicon used to build transistors Properties of atoms, electrons, and quantum dynamics
35 Ben Bruidegom
How do computers work?
Need to understand abstractions such as: Applications software Systems software Assembly Language Machine Language Architectural Issues: i.e., Caches, Virtual Memory, Pipelining Sequential logic, finite state machines Combinational logic, arithmetic circuits Boolean logic, 1s and 0s Transistors used to build logic gates (CMOS) Semiconductors/Silicon used to build transistors Properties of atoms, electrons, and quantum dynamics
36 Ben Bruidegom
Instruction Set Architecture A very important abstraction
interface between hardware and low-level software standardizes instructions, machine language bit patterns, etc. advantage: different implementations of the same architecture disadvantage: sometimes prevents using new innovations
True or False: Binary compatibility is extraordinarily important?
Modern instruction set architectures: IA-32, PowerPC, MIPS, SPARC, ARM, and others
37 Ben Bruidegom
Historical Perspective ENIAC built in World War II was the
first general purpose computer Used for computing artillery firing tables 80 feet long by 8.5 feet high and several
feet wide Each of the twenty 10 digit registers was
2 feet long Used 19,000 vacuum tubes Performed 1900 additions per second
38 Ben Bruidegom
Programmeren van de ENIAC