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