Introducción

Organización del Computador I
Introducción
Patricia Borensztejn
Verano 2014
“La civilización avanza extendiendo el número
de operaciones importantes que podemos hacer
sin pensar en ellas”
Alfred North Whitehead
An Introduction to Mathematics, 1911
La primera
1946: Primera Computadora Digital de Propósito General. Se
llamaba ENIAC (Electronic Numerical Integrator And
Calculator), y fue subvencionada por el ejército de EEUU. Se usó
para calcular tablas de balística para nuevas armas de fuego
recién adquiridas.
Medía: 24,4 m de largo, 2,6 de alto y de ancho unos 90 cm y era
capaz de realizar 1600 sumas por segundo
ENIAC
• Cuando terminó la guerra (1949), ENIAC se usó
para calcular dígitos de los números π y e.
– Le llevó setenta horas para calcular 2000 dígitos de
π. Fue record en ese momento
– En 1954, la computadora de NORC de IBM calculó
3000 dígitos en 13 minutos
– En 2003, el programa PiFast corriendo en una
computadora Pentium 4, reportó 0,27 segundos para
calcular 125000 decimales
– En 1807 el inglés William Shanks tardó 20 años en
obtener 707 decimales de π.
Comparando:
Cálculo de π
Año
Tiempo
Decimales
Nombre
1807
20 años
707
W. Shanks
1949
70 horas
2000
ENIAC
1954
13 minutos
3000
IBM
2003
0,27 segundos
125000
Pentium 4
2010
90 días
5000 000 000 000 Intel Xeon
Cálculo de Pi
• 2010: Record logrado por Alexander Yee y
Shigeru Kondo calcularon 5 billones de dígitos
de Pi.
• Utilizaron dos procesadores Intel Xeon cada uno
de 6 núcleos (total 12 núcleos, 24 con
hyperthreading)
• Generaron 6 Terabytes de Datos.
• En cuanto a velocidad, no mejoraron mucho,
pero lograron el record de cifras…
Tecnologías
• Desde ENIAC hasta hoy la velocidad de
las computadoras se ha multiplicado
exponencialmente.
• Esto fue debido a la invención del
transistor.
Transistor
• Es un interruptor ON/OFF controlado por una señal
eléctrica
• Tiene 3 conexiones. La corriente pasa a través de dos
de ellas siempre y cuando la tercera tenga un voltaje
aplicado. Puede en un momento bloquear una corriente,
funcionando entonces como una resistencia muy
grande, o dejarla correr pasando a tener una pequeña
resistencia. (transfer resistor )
• Podemos decir entonces que un procesador es un
sistema que utiliza una señal eléctrica, (o sea, una señal
analógica ) para trabajar digitalmente con los valores
De izda. a dcha., Bardeen, Shockley y Brattain, los
ON y OFF.
inventores del transistor. (1947)
Circuito Integrado
• AGC, Apollo Guidance Computer, la
computadora que llegó a la luna fue una
de las primeras aplicaciones de los
circuitos integrados
• AGC fue diseñada por el MIT en 1962 y
construida por la firma Raytheon. Estaba
formado por 2800 IC´s (circuitos
integrados) cada uno de los cuales
contenía dos puertas NOR de tres
entradas.
Un circuito integrado
doble NOR de 3
entradas
El primer circuito integrado, construido en 1959 en
Texas Instruments, contenía seis transistores
Puertas Lógicas y Transistores
• Cualquier función, tan compleja como se
quiera, incluso un procesador, se puede
construir totalmente utilizando solo
puertas NOR.
• Una puerta NOR se realiza con seis
transistores (aprox.)
• Las puertas lógicas están un nivel de
abstracción por arriba de los transistores
Niveles de Abstracción
• Independientemente de la manera que “vemos” el sistema, éste
puede ser descrito con diversos (cuatro) niveles de abstracción (o
detalle):
–
–
–
–
Transistor
Gate
RTL (register transfer)
Procesador (memoria,
• Estos niveles nos permiten ir encarando el diseño de un sistema
complejo, de forma abstracta, hasta llegar a los niveles mas bajos
del diseño
• Lo que caracteriza a cada nivel de abstracción es:
–
–
–
–
–
Bloques básicos
Representación de las señales
Representación del tiempo
Representacion del comportamiento
Representación física
Características de cada nivel de
abstracción
Ley de Moore (1964)
Ley de Moore
• Gordon Moore: Ingeniero y luego cofundador de Intel.
El crecimiento exponencial
“Dadme un grano de trigo por la
primera casilla del tablero, dos
por la segunda, cuatro por la
tercera, ocho por la cuarta y así
duplicando sucesivamente hasta
la sexagésima cuarta y última
casilla del tablero.”
Leyenda sobre el juego de
ajedrez, contada al califa de
Bagdad, Al-Motacen Billah,
Emir de los Creyentes, por
Beremís Samir, el “Hombre
que calculaba”.
Malba Tahan. El hombre que
calculaba
18.446.744.073.709.551.615
El crecimiento exponencial
• Te hace llegar muy rápido a números muy
grandes….
• “Si la industria del transporte hubiera
avanzado a la misma velocidad que la
industria de las computadoras, hoy
usted podría hoy vivir en Tahití,
trabajar en San Francisco y a la noche ir
a Moscú a ver el ballet del Bolshoi.”
Tamaño del transistor
Intel Core i7 Wafer
300mm wafer, 280 chips, 32nm technology
Each chip is 20.7 x 10.5 mm
•
•
•
The original transistor built by Bell Labs in 1947 was large enough that it
was pieced together by hand. By contrast, more than 100 million 22nm trigate transistors could fit onto the head of a pin
Compared to Intel’s first microprocessor, the 4004, introduced in 1971, a
22nm CPU runs over 4000 times as fast and each transistor uses about
5000 times less energy. The price per transistor has dropped by a factor of
about 50,000.
22nm es la tecnología actual (?) de fabricación de un transistor.
Metro, milímetro, micra,
nanómetro
• Milimetro:
– 0,001 m.
10-3 m.
milésima parte de
un metro
• Micrómetro (micra):
– 0,000001 m.
10-6 m.
millonésima
parte de un metro
• Nanómetro:
– 0,000000001 m.
10-9 m.
mil millonésima
parte de un metro
• Picómetro:
– 0,000000000001 m. 10-12 m.
………………….
La revolución de la información
• Este avance, acaecido desde la invención
del transistor, ha cambiado la economía
mundial de una manera tan radical que es
considerado como la tercera revolución,
después de la agraria e industrial.
– Revolución agraria: período neolítico
– Revolución Industrial: siglo XVIII y XIX
– Revolucion Tecnológica o de la Información:
siglo XX.
Ley de Moore
Ley de Moore
• El número de transistores de un chip se duplica
cada año y medio
• La velocidad (hercios) de los procesadores se
duplica cada año y medio
• Cada año y medio, se podrá integrar en la
mismo área y al mismo costo la misma cantidad
de transistores.
• ¿Hasta cuando la ley de Moore se seguirá
cumpliendo? ¿Hasta cuando se puede seguir
duplicando la frecuencia de funcionamiento?
The Power Wall
• Pero no solo aumentó la velocidad del reloj,
sino al mismo tiempo la potencia (watts).
Pues obviamente, están correlacionadas.
§1.7 The Power Wall
Power Trends
• In CMOS IC technology
Power  Capacitive load Voltage2  Frequency
×30
Chapter 1 — Computer
Abstractions and
5V → 1V
×1000
Energía y Potencia
• La energía se mide en Joules
• La potencia en joules por segundo, vatios
• La energía depende del cuadrado del voltaje aplicado y
de la carga capacitiva del transistor, en cada transición
(de 0 a 1, de 1 a 0)
• La potencia es la energía multiplicada por la frecuencia
de operación (número de veces que oscila el transistor )
• O sea que la potencia es directamente proporcional a la
frecuencia de operación.
• La energía y la potencia pueden reducirse bajando el
voltaje aplicado. Esto ha sucedido en un 15% por
generación. En 20 años los voltajes han bajado de 5V a
1V.
The Power Wall, la pared
térmica
• En el año 2004 Intel anuncia que debe
abandonar dos proyectos de la línea
Pentium 4: la frecuencia de operación
cada vez mas elevada produce un
calentamiento dentro del chip que puede
quemarlo
• May 17, 2004 …” Intel, the world's largest chip
maker, publicly acknowledged that it had hit a
''thermal wall'' on its microprocessor line “
New York Times
Ley de Moore: de uno a varios
procesadores en un chip
• A partir del año 2004, se produjo un cambio en el diseño
de los procesadores: en lugar de aumentarles la
frecuencia de operación como forma de aumentar el
rendimiento, fueron multiplicando los procesadores
dentro del circuito integrado MULTICORE
• Gran desventaja para los programadores: hasta
entonces fue aumentando el rendimiento sin necesidad
de cambiar una sola línea de código. Hoy, para sacar
ventaja del multicore, hay que reescribir los programas
• A ustedes les toca el desafío. ¡¡¡¡¡¡Todo se ha vuelto
explícitamente paralelo!!!!!!
FIGURE 1.17 Growth in processor performance since the mid-1980s. This chart plots performance relative to
the VAX 11/780 as measured by the SPECint benchmarks (see Section 1.10). Prior to the mid-1980s, processor
performance growth was largely technology-driven and averaged about 25% per year. The increase in growth to
about 52% since then is attributable to more advanced architectural and organizational ideas. The higher annual
performance improvement of 52% since the mid-1980s meant performance was about a factor of seven higher in
2002 than it would have been had it stayed at 25%. Since 2002, the limits of power, available instruction-level
parallelism, and long memory latency have slowed uniprocessor performance recently, to about 22% per year.
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Distintos tipos de computadoras
•
•
•
•
Personal computers
– General purpose, variety of software
– Subject to cost/performance tradeoff
Server computers
– Network based
– High capacity, performance, reliability
– Range from small servers to building sized
Supercomputers
– High-end scientific and engineering calculations
– Highest capability but represent a small fraction of the overall computer
market
Embedded computers
– Hidden as components of systems
– Stringent power/performance/cost constraints
PostPC Era
FIGURE 1.2 The number manufactured per year of tablets and smart phones, which reflect the PostPC era,
versus personal computers and traditional cell phones. Smart phones represent the recent growth in the cell
phone industry, and they passed PCs in 2011. Tablets are the fastest growing category, nearly doubling between
2011 and 2012. Recent PCs and traditional cell phone categories are relatively flat or declining.
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The PostPC Era

Personal Mobile Device (PMD)





Battery operated
Connects to the Internet
Hundreds of dollars
Smart phones, tablets, electronic glasses
Cloud computing




Warehouse Scale Computers (WSC)
Software as a Service (SaaS)
Portion of software run on a PMD and a
portion run in the Cloud
Amazon and Google
Chapter 1 — Computer
Abstractions and
Technology — 30
Terabytes (TB) o Tebibytes
(TiB)
• Originalmente un TB era 240 bytes, o sea:
1.099.511.627.776 bytes
• Luego se empezó a usar el término para
denominar 1.000.000.000.000 (1012) bytes
• Se resuelve llamando TiB o sea Tebibyte
a 240
Megas, Gigas, Teras, Petas,
Exa, etc
FIGURE 1.1 The 2X vs. 10Y bytes ambiguity was resolved by adding a binary notation for all the common size
terms. In the last column we note how much larger the binary term is than its corresponding decimal term, which
is compounded as we head down the chart. These prefixes work for bits as well as bytes, so gigabit (Gb) is 109
bits while gibibits (Gib) is 230 bits.
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Nuestro Curso
• Vamos a estudiar a los procesadores, que
aunque difieren según estén dentro de un
ipad o de una PC o de una
supercomputadora, mantienen muchas
características en común.
Rendimiento: Primer Semana
• ¿Porqué son rápidas las computadoras?
• ¿En que se mide la velocidad?
• ¿Mas rápido es mejor?
Segunda Semana
• Lenguaje Máquina
Programa Almacenado
• ENIAC no tenía programa almacenado.
Para pasar información a las válvulas
(tecnología de válvulas) las mujeres
conectaban y desconectaban los cables
que llegaban a las 6000 clavijas. (Las
mujeres olvidadas del ENIAC)
Idea de Programa Almacenado
• Von Neumann, Eckert y Mauchly en 1945
idearon una manera para evitar el engorro
de conectar y desconectar cables: guardar
las órdenes dentro de la máquina como si
fueran números: ¡esas son las
instrucciones!
• Al modelo se lo suele llamar Modelo Von
Neumann. Asi está en casi todos los
libros. Nosotros pensamos que es mucho
mejor no llamarlo asi!!!!
Segunda Semana
• Entonces, veremos un conjunto de
instrucciones particular, que se
definió para una arquitectura
particular que se llama MIPS.
(Machine without Pipeline
Interlocks)
• Cada fabricante tiene un repertorio
(lenguaje) propio de instrucciones:
IA64, IA32 (Intel), SPARC, ARM,
MIPS, VAX…. Enfin, no hay
muchos…y además todos se
parecen porque lo que hay debajo
es exactamente lo mismo!
(transistores, puertas lógicas,
registros, sumadores, memorias)
Tercer Semana
• Aritmética de las computadoras: suma,
resta, multiplicación y división binaria.
• El primer sistema binario documentado es
debido a Gottfried Leibniz, amante de la
lengua y de la cultura china, quien se basó
en los símbolos del I-Ching, para
desarrollar y escribir su artículo
"Explication de l'Arithmétique Binaire" en
los principios de 1700. En él se
mencionan los símbolos binarios usados
por matemáticos chinos. Leibniz utilizó el 0
y el 1, al igual que el sistema de
numeración binario actual.
Los 64 hexagramas del I-Ching
Cuarta Semana
• El procesador: construyendo un
procesador MIPS con un juego restringido
de instrucciones
Quinta Semana
Memoria
Se llamó LOL (Little
Old Ladies) por las
mujeres que la tejían
Memoria usada en
Apollo Guidance
Computer: ¡había que
tejerla!
Sexta Semana
• Entrada y Salida
Organización de la Materia
•
•
•
•
•
Teoría y Laboratorios
Queremos que trabajen en clase con nosotros
Un parcial al finalizar la cuarta semana
Un recupertorio en la séptima semana
Los labos no se entregan, sino que se realizan y
nosotros los vemos realizarlos. Labos grupales.
• La materia se promociona con todos los labos realizados
y nota superior a 6 en parcial o recuperatorio
• Para firmar los prácticos deben tener los labos
realizados y parcial o recuperatorio con nota mayor o
igual a 4
Bibliografía
 Computer Organization and Design.
The hardware/software Interface.
 David Patterson: University of
California, Berkeley. Diseñó el
RISC1 que dio lugar a la arquitectura
SPARC. Es renombradísimo.
 John Hennessey: Presidente de
Stanford. Fundó MIPS (MIPS
Technologies) y desarrolló uno de
sus primeros procesadores.