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Paloma Monzón Rodríguez 42217126M
Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 2
Índice
1. Introducción ....................................................................................................................... 3
2. Unidad Central de Procesamiento (CPU) .................................................................... 4
Arquitectura básica .............................................................................................................. 4
3. Unidad de Procesamiento Gráfico (GPU) .................................................................... 6
Arquitectura básica .............................................................................................................. 6
4. Híbridos CPU/GPU ........................................................................................................... 7
Unidad de Procesado Acelerado (APU) ............................................................................ 8
5. Xbox 360 “Slim” ............................................................................................................... 11
6. Referencias ....................................................................................................................... 13
Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 3
1. Introducción
Desde el comienzo del desarrollo tecnológico la tendencia ha sido la
integración de los diferentes componentes de un circuito, un computador, etc. Así
por ejemplo, apareció el circuito integrado o desapareció la FPU (Float Point Unit),
encargada del procesado matemático en un PC, y cuya función pasó a ser parte de
la CPU (Central Processing Unit).
La unidad central de procesamiento de un ordenador es aquella que se
ocupa del control y el proceso de datos. Está conectada a través de una serie de
conexiones a los dispositivos de almacenamiento, de entrada y de salida, siendo
éstos últimos por ejemplo, la pantalla.
Al principio la CPU se encargaba del procesamiento gráfico, pues no era más
que texto. Sin embargo, se desarrollaron entornos más visuales, que requerían de
mayor disposición de la CPU, restándole un considerable tiempo de ejecución al
resto de las aplicaciones no gráficas. Además, ésta no estaba enfocada al
procesamiento de gráficos y como consecuencia era poco eficiente en este aspecto.
Así nace la GPU (Graphics Processing Unit), un dispositivo diseñado
exclusivamente para esta función.
Los tiempos cambian y la tendencia continúa hacia la máxima integración
posible. La unión de diferentes componentes en un todo. Pero, ¿Por qué quedarse
ahí? Es el momento de avanzar, dar un paso más y mirar hacia la fusión.
Aparece así una nueva generación: Híbridos CPU/GPU.
En el mercado actual es AMD la gran compañía que está apostando por esta
nueva filosofía. Su rival, Intel, pretende seguir sus pasos e intenta adentrarse en
este nuevo mundo.
Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 4
2. Unidad Central de Procesamiento (CPU)
Es aquel elemento del PC que se encarga de realizar las operaciones
aritmético-lógicas, de control y de comunicación con el resto de dispositivos.
Además de ejecutar los programas de usuario y sistema. Es un sistema de propósito
general, diseñado para cubrir un amplio rango de aplicaciones y de usuarios.
Se trata de un circuito integrado, un único fragmento de silicio que contiene
millones de componentes electrónicos. Esto hace que también sea conocida como
procesador o microprocesador.
Es de lógica secuencial, por lo que su naturaleza es síncrona y opera en
función de una señal de reloj, cuadrada periódica.
La frecuencia de reloj indica la velocidad a la que un PC trata las
instrucciones. Mide la cantidad de operaciones por ciclo (IPC) que puede realizar y
los ciclos por segundo que desarrolla o MIPS.
No es el único factor determinante del rendimiento de la CPU. Este está
condicionado por la memoria caché, número de núcleos (físicos o lógicos), conjunto
de instrucciones que soporta (ISA), arquitectura, etc. Cabe destacar que la
frecuencia de reloj efectiva no es el producto de la frecuencia de cada núcleo físico
por su número de núcleos, es decir, un procesador de 3 GHz con 6 núcleos físicos
nunca tendrá 18 GHz, sino 3 GHz, independientemente de su número de núcleos.
La frecuencia de reloj va estrechamente relacionada con la intensidad que circula
por el semiconductor.
Arquitectura básica
Registros: Almacenan información temporalmente.
Algunos están dedicados para funciones específicas.
Unidad de control: Interpreta y ejecuta las
instrucciones. Para cada instrucción se realizan
cuatro operaciones básicas:
1. Fetch: Se obtiene una instrucción de un
programa o datos de la memoria.
2. Decode: Se traduce la instrucción en
comandos que la computadora pueda
ejecutar.
3. Execute: Se procesan los comandos.
4. Store: Se escribe el resultado a la memoria.
Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 5
La CPU debe esperar hasta que una instrucción complete las cuatro
operaciones antes de comenzar a trabajar en la próxima instrucción. Para evitar
esta espera se utiliza el pipelining, así se comienza a ejecutar la segunda
instrucción antes de completar la primera. De esta manera se procesa con mayor
rapidez.
Unidad aritmético-lógica: Al sólo ejecutar instrucciones programadas a muy
bajo nivel, realiza operaciones simples, aritméticas y lógicas (cálculos,
comparaciones y toma de decisiones lógicas).
Unidad de coma flotante (Coprocesador matemático o FPU): Permite
operaciones con números decimales, elevando notablemente la eficiencia que
proporciona solo la ALU.
Memoria Caché: Se emplea para tener acceso rápido a ciertos datos que
predeciblemente serán utilizados en las siguientes operaciones sin tener que acudir
a la memoria RAM reduciendo el tiempo de espera. Poseen la llamada cache
interna de primer nivel o L1, es decir, la que está más cerca. Las CPU más
modernas incluyen otro nivel de caché más grande aunque algo menos rápida, la
caché de segundo nivel o L2.
Buses: Conjunto de conexiones que utiliza la CPU para aceptar órdenes del
usuario, acceder a los datos y presentar los resultados.
Figura 1. Diagrama de bloques.
Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 6
3. Unidad de Procesamiento Gráfico (GPU)
Se trata de un segundo procesador que se añade al ordenador para poder
manejar los gráficos y así liberar la carga computacional de la CPU. A diferencia
de ésta, es un dispositivo de propósito específico, dedicado a la obtención de
imágenes 2D a partir de escenas sintéticas 3D para PC, Workstation o consolas de
videojuegos.
La función principal del pipeline gráfico es la generación de una imagen 2D
a partir de un sistema compuesto por una cámara virtual, representaciones en tres
dimensiones de objetos, fuentes de luz, etc. Algunas de sus operaciones son efectos
de iluminación, transformaciones de un objeto y el movimiento 3D.
Está especializada en la computación intensiva y masivamente paralela, que
es exactamente de lo que se trata el renderizado de gráficos. Además, están
diseñadas de forma que la mayor parte de los transistores que la componen están
destinados al procesado de datos en lugar de al almacenamiento de ellos o control
de flujo.
Arquitectura básica
Está compuesta por un número escalable de multiprocesadores paralelos
(SM), que se agrupan en Cluster de Procesado de Hilos (TPC).
Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 7
Cada SM cuenta con:
Ocho procesadores escalares, que comparten la búsqueda y lanzamiento de
las instrucciones, de manera que se ejecute la misma instrucción al mismo
tiempo en ellos.
Dos Unidades Especiales de Función (SFUs), son las que realizan las
operaciones en punto flotante.
Una unidad de multiplicación y suma (MAD)
Una unidad de multiplicación (MUL)
La comunicación entre la CPU y la GPU se realiza a través del bus PCI-
Express.
4. Híbridos CPU/GPU
Como se comentó en la Introducción, la tendencia es la integración y así es
como aparece esta nueva tecnología de circuitos integrados. Se ha creado una
nueva microarquitectura para que la CPU y la GPU funcionen coordinadamente,
compartiendo varios componentes de ambas.
Una de las ventajas que proporciona esta nueva generación es el menor
consumo global. Esto se debe a que cuanto más se integren menos electricidad
Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 8
consumirán, con ello hará falta un menor número
de resistencias que disipen calor y, por tanto, que
el dispositivo se caliente menos.
Unidad de Procesado Acelerado (APU)
Fusion es la tecnología por la que está
apostando AMD, consiste en la combinación de un
procesador x86, una unidad de procesamiento
gráfico, un procesador de vídeo y otros co-
procesadores en un solo dado de silicio. Este dispositivo se denomina Acelerate
Processing Unit, APU.
Los elementos importantes del sistema (núcleos x86, motores de vector
(SIMD) y el decodificador de vídeo unificado (UVD)) se conectan directamente al
mismo bus de alta velocidad, evitando así conectarse a los buses típicos (PCI-
Express). Este concepto de diseño elimina una de las limitaciones fundamentales
del rendimiento: la latencia, y por consiguiente, el consumo de energía. Además, la
Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 9
GPU usará unas partes de la memoria central y la CPU otras, de manera que las
transferencias entre ambas son muy rápidas.
APU no solo ofrece
un nuevo horizonte en el
diseño hardware, sino que
también le permitirá a los
desarrolladores poder crear
algoritmos de vectores de
alto nivel, que antes
estaban limitados por la
reducida capacidad de
cómputo.
Debido a que los
sistemas operativos y las
aplicaciones más básicas
tienen requisitos muy bajos
comparados con las
especificaciones técnicas de
una máquina, permitirá a
los fabricantes de hardware mantener un cierto rendimiento y a la vez reducir el
tamaño de cada componente. AMD Fusion busca un menor consumo energético
manteniendo un potencial suficiente para prácticamente cualquier usuario.
Como esta nueva tecnología actualmente se ha centrado en las tareas
básicas de un usuario, está orientada a ordenadores de bajo coste, bajo consumo
energético y potencia limitada, así como para netbooks. Por ahora para aquellos
que juegan a la máxima configuración posible o trabajan con aplicaciones
profesionales, esta no será la tecnología más adecuada.
Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 10
Como arquitecturas novedosas se emplearán Bulldozer, dedicada a
sobremesas (domésticos y servidores); y Bobcat, para portátiles. Ambas
implementarán un juego de instrucciones para SIMD, SSE5 y tendrán unos
consumos muy bajos dependiendo del modelo escogido, entre 1 y 100W.
Lanzamientos en los próximos años
Nombre en
código
Año Tecnología Arquitectura
Ontario 2011 40 nm Bobcat
Zacate 2011 40 nm Bobcat
Llano 2011 32 nm Stars/K10
Krishna 2012 28 nm Bobcat
Wichita 2012 28 nm Bobcat
Trinity 2012 32 nm Bulldozer
Por su parte, Intel presentará el Sandy Bridge con la intención de
adentrarse en este nuevo mundo.
No será una renovación completa respecto de los actuales Nehalem, sino una
pequeña evolución en ciertos aspectos:
- Implementación de la
CPU y la GPU bajo el
mismo chip, aunque a
diferencia de las APU
no sobre el mismo dado.
- Gráfica integrada
tendrá un nuevo juego
de extensiones del
procesador (AVX).
- Nueva arquitectura
denominada de tipo
anillo, la cual permitirá compartir cachés y memoria entre GPU y CPU.
Lo más interesante está en las placas base, ya que utilizarán un nuevo
socket (LGA 1155), un desarrollo que permite los 22 y 32 nm, una GPU integrada y
una potencia que ofrecerá un rendimiento de un 20% superior a los modelos
actuales (según los primeros tests)
Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 11
Otra de las
novedades serán los
chipsets: Intel P67, H67
y H61, cuyas
características aún son
desconocidas.
Se incluirá en
procesadores de gama
baja, media y alta. Las
tres utilizarán el mismo
socket, las mismas
placas y los mismos
chipsets, con lo que se
podrá utilizar el Intel
Core i3, i 5 e i7 con LGA 1155 independientemente del modelo.
Las características siguen un camino similar al de los modelos de
sobremesa, pero con menor potencia y más cometidos. Sandy Bridge también
estará para portátiles.
Su lanzamiento se prepara para Enero de 2011 y seguirán la misma
nomenclatura que los microprocesadores actuales (Intel Core i3, i5 e i7). Algunos de
los modelos serán:
Intel Core i3-2100T Intel Core i5-2500T
Intel Core i3-2100 Intel Core i5-2500S
Intel Core i3-2120 Intel Core i5-2500
Intel Core i5-2390T Intel Core i5-2500K
Intel Core i5-2300 Intel Core i7-2600S
Intel Core i5-2400S Intel Core i7-2600
Intel Core i5-2400 Intel Core i7-2600K
5. Xbox 360 “Slim”
Mientras AMD e Intel se abren camino en esta nueva generación, cuyos
lanzamientos serán en los próximos años, Microsoft e IBM revelan que la Xbox 360
250 GB System (Slim) combina una CPU y una GPU.
IBM fabrica el procesador de la Xbox 360, Xenon, de tres núcleos y con una
velocidad de reloj de 3,2 GHz. Por otro lado, ATI (ahora AMD/ATI) desarrolló un
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chip de gráficos con una velocidad de 500 MHz, Xenos. Ambos chips comenzaron
con la tecnología de 90 nm y fueron bajando hasta alcanzar los 45 nm. Esto
permitió su unión bajo un mismo chip Vejle.
Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 13
Los principales componentes internos de Vejle son un procesador de tres
núcleos con caché L1 dedicado y 1 MB de caché L2 compartido, un núcleo de
procesamiento gráfico y un
controlador de memoria de
doble canal.
Además, incluye un
componente llamado FSBR
(Front-side bus replacement),
cuya función es reducir el
rendimiento del chip para que
en ningún momento supere el
alcanzado por los chips de las
consolas antiguas. Es decir,
estas consolas técnicamente son
más rápidas pero Microsoft se
ha encargado de frenar la
velocidad de proceso.
El número de
transistores llega a tan solo 372 millones, lo que indica una simplificación en el
diseño del chip, menor generación de calor y una significativa reducción en el
consumo de potencia.
En conclusión, los beneficios que aporta Vejle son costo, energía y tamaño,
ya que la nueva consola es más pequeña, consume menos energía y es más barata
de hacer. Es un chip extremadamente estable, con una refrigeración mucho más
sencilla.
6. Referencias
[1]-Wikipedia “Unidad de coma flotante” [En línea] Disponible en
http://es.wikipedia.org/wiki/FPU. Consultado en Diciembre 2010.
[2]-Wikipedia “Microprocesador” [En línea] Disponible en
http://es.wikipedia.org/wiki/Microprocesador. Consultado en Diciembre 2010.
[3]-“Tema 1: Introducción a los Sistemas Informáticos” [En línea] Disponible en
http://exa.exa.unne.edu.ar/depar/areas/informatica/SistemasOperativos/MonogSO/I
NTSI02.htm. Consultado en Diciembre 2010.
Una nueva generación: Híbridos CPU/GPU 14
[4]-“Central Processing Unit (CPU)” [En línea] Disponible en
http://mmalicea.tripod.com/hrdwsftw/cpu.htm. Consultado en Diciembre 2010.
[5]-Wikipedia “Unidad central de procesamiento” [En línea] Disponible en
http://es.wikipedia.org/wiki/Unidad_central_de_procesamiento. Consultado en
Diciembre 2010.
[6]-Prieto, A. “Capítulo 5. Esquema de funcionamiento de un computador”, Octubre
2001.
[7]-Juega Reimúndez, Carlos. “Estudio de rendimiento en GPU”, Universidad
Complutense de Madrid, Curso académico 2009-2010.
[8]-Benes, Bedrich. “GPU and computer architecture”, Universidad Purdue.
[9]-Brookwood, Nathan. “AMD Fusion Family of APUs: Enabling a Superior,
Immersive PC Experience”, Marzo 2010.
[10]-Xataka “AMD ya tiene preparados sus chips AMD Fusion, las APU ya están
aquí” [En línea] Disponible en http://www.xataka.com/componentes-de-pc/amd-ya-
tiene-preparados-sus-chips-amd-fusion-las-apu-ya-estan-aqui. Consultado en
Diciembre 2010.
[11]-Xataka ”Lanzamientos de AMD para 2010 y 2011 confirmados” [En línea]
Disponible en http://www.xataka.com/ordenadores/lanzamientos-de-amd-para-
2010-y-2011-confirmados. Consultado en Diciembre 2010.
[12]-Xataka “Intel también renovará el socket de los i3 e i5 con el LGA 1155, otro
más para 2011” [En línea] Disponible en http://www.xataka.com/ordenadores/intel-
tambien-renovara-el-socket-de-los-i3-e-i5-con-el-lga1155-otro-mas-para-2011.
Consultado en Diciembre 2010.
[13]-Xataka “Intel „Sandy Bridge‟ se confirma para 2011 como una pequeña
evolución de los Nehalem” [En línea] Disponible en
http://www.xataka.com/otros/intel-sandy-bridge-se-confirma-para-2011-como-una-
pequena-evolucion-de-los-nehalem. Consultado en Diciembre 2010.
[14]-Xataka “Intel Sandy Bridge preparan su desembarco en enero” [En línea]
Disponible en http://www.xataka.com/componentes-de-pc/intel-sandy-bridge-
preparan-su-desembarco-en-enero. Consultado en Diciembre 2010.
[15]-“Microsoft revela el secreto del APU (GPU + CPU + MC) de la Xbox 360s
“Slim””. [En línea] Disponible en http://www.elfen-
lied.es/foro/index.php?topic=2431.0. Consultado en Diciembre 2010.
[16]-“Vejle: El nuevo chip de la Xbox 360 S” [En línea] Disponible en
http://www.neoteo.com/vejle-el-nuevo-chip-de-la-xbox-360-s.neo. Consultado en
Diciembre 2010.
