Computador
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El documento describe la evolución de los computadores desde sus orígenes hasta la actualidad. Comienza con los precursores de los computadores como el ábaco y la máquina analítica de Pascal y continúa con los primeros computadores electrónicos como el ENIAC. Luego describe el aumento de la integración a través de los años gracias al transistor y los circuitos integrados, lo que llevó a computadores más pequeños y potentes. Finalmente, analiza aspectos como la arquitectura, el rendimiento y la disipación de potencia de los computadores modern
Computador
- 2. EL COMPUTADOR El Pasado El Presente Estructura Básica Rendimiento Disipación de Potencia
- 3. El Pasado EL COMPUTADOR
- 4. El Pasado El Computador Los precursores Ábaco Máquina de Leibniz Máquina analítica Pascalina
- 5. El Computador ENIAC 1946 El Pasado
- 6. El Computador ENIAC 1946 El Pasado
- 7. El Computador ESPAÑA 1954 El Pasado
- 8. El Computador 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
- 9. El Computador “ 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
- 10. El Computador 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
- 11. El Computador ENIAC en un chip 1997 El Pasado Tecnología de 500 nm 7,44 mm 5,29 mm
- 12. El Computador El Pasado El grado de integración ha ido en aumento: ENIAC en un chip 1997 Tecnología de 500 nm Intel Core i7 2008 Tecnología de 45 nm Tecnología de 8 µ m = 8000 nm Intel 4004 1971
- 13. Cabello humano 100 µm Pero . . . ¿de qué tamaños estamos hablando? El Computador El Pasado Tecnología de 8 µm (1971)
- 14. El Computador El Pasado Bacteria Escherichia Coli 1 µm x 3 µm Pero . . . ¿de qué tamaños estamos hablando? Tecnología de 500 nm (1997) Tecnología de 8 µm (1971) . . . y sigue aumentando el grado de integración. Virus HIV 100 nm Tecnología de 45 nm (2008)
- 15. El Computador Intel 4004 1971 El Pasado
- 16. El Computador Intel 4004 El Pasado
- 17. El Computador Intel 4004 El Pasado
- 18. El Computador Intel 4004 El Pasado
- 19. El Computador Intel 4004 Generador de 8 fases de reloj Decodificación de instrucciones ALU Registros índice Pila y contador de programa El Pasado
- 20. El Presente EL COMPUTADOR
- 21. El Computador Intel Core i7 2008 El Presente
- 22. El Computador Intel Core i7 2008 El Presente
- 23. El Computador Intel Core i7 2008 El Presente Núcleos Caché L3 común
- 24. El Computador Núcleos Caché L3 común Intel Core i7 2008 El Presente
- 25. El Computador Núcleos Caché L3 común Intel Core i7 2008 El Presente Unidades de Ejecución Caché L1 de datos Caché L2 Planificador de ejecución fuera de orden Decodificación Caché L1 de instrucciones Predicción de salto
- 26. El Computador Intel Core i7 2008 El Presente Núcleos Caché L3 común
- 27. El Computador POWER 7 (IBM 2010) El Presente Ceramic module
- 28. El Computador 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
- 29. El Computador El Presente POWER 7 (IBM 2010) National Center for Supercomputing Applications University of Illinois at Urbana-Champaign Completed in 2011 http://www.ncsa.illinois.edu/BlueWaters/ 300.000 núcleos POWER 7 L3 caché 32MB Reloj a 4.0 GHz Memoria principal 1 petabyte (10 15 ) Disco más de10 petabytes Conexión a Internet 400 Gbit/s 10 PETAFLOPS Aplicaciones Biología Evolución del cosmos Investigación en nuevos materiales Fenómenos climatológicos
- 30. El Computador CELL (Sony-Toshiba-IBM) El Presente
- 31. El Computador CELL (Sony-Toshiba-IBM) El Presente
- 32. El Computador CELL (Sony-Toshiba-IBM) El Presente
- 33. El Computador CELL (Sony-Toshiba-IBM) El Presente
- 34. Estructura Básica EL COMPUTADOR
- 35. El Computador Niveles de máquina Lenguaje ensamblador Sistema operativo Máquina convencional Lenguajes de alto nivel Es lo que define la “arquitectura” Estructura Básica
- 36. El Computador Soporte de los niveles Interpretación Programa fuente Nivel 2 Intérprete Nivel 1 Estructura Básica
- 37. El Computador Soporte de los niveles Traducción Programa fuente Nivel 2 Traductor Nivel 1 Programa objeto Estructura Básica
- 38. El Computador Soporte de los niveles Traducción Estructura Básica Programa fuente Nivel 2 Traductor Nivel 1 Programa objeto Traductor Ensamblador: 1 instrucción fuente 1 instrucción objeto Compilador: 1 instrucción fuente varias instrucciones objeto
- 39. El Computador Arquitecturas CISC (Complex Instruction Set Computer) 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 Estructura Básica Máquina convencional Máquina convencional Microprograma
- 40. El Computador Arquitecturas CISC (Complex Instruction Set Computer) Características de las instrucciones: Número elevado Muchos modos de direccionamiento Longitud variable Formato irregular Muchas instrucciones operan con la memoria Estructura Básica Máquina convencional
- 41. El Computador Arquitecturas RISC (Reduced Instruction Set Computer) Ventajas de tener instrucciones sencillas: Se ejecutan más rápido Acceso a memoria más rápido Procesadores más simples, lo que permite mejorarlos Estructura Básica Máquina convencional
- 42. El Computador Arquitecturas RISC (Reduced Instruction Set Computer) 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 Máquina convencional
- 43. El Computador Taxonomía de Flynn Estructura Básica SISD Flujo de instrucciones Simple Múltiple SIMD MISD MIMD Flujo de datos Múltiple Simple
- 44. El Computador Arquitectura de Von Newman Estructura Básica CPU MEMORIA E/S
- 45. El Computador Chipset típico CPU Puente Norte (MCH) Puente Sur (ICH) Tarjeta Gráfica Memoria Principal Ratón Teclado Disco USB FSB Estructura Básica
- 46. El Computador Chipset para Intel Core i7 Estructura Básica
- 47. Placa base de Intel Core i7 X58 ICH10 CPU El Computador Estructura Básica
- 48. Placa base de Intel Core i7 El Computador CPU ICH10 X58 Estructura Básica
- 50. El Computador : move r1,r2 add r3,r4 move r1,r5 : Programa Tiempo de ejecución Rendimiento Rendimiento = 1 Tiempo de ejecución
- 51. El Computador Si Tiempo de ejecución de A < Tiempo de ejecución de B diremos que A es n veces más rápido que B, siendo… Rendimiento : 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 =
- 52. Ecuación de rendimiento del procesador El Computador C iclos P or I nstrucción I : Instrucciones ejecutadas T : Periodo del reloj F : Frecuencia del reloj Rendimiento CPI = Ciclos de reloj para el programa Número de instrucciones ejecutadas : move r1,r2 add r3,r4 move r1,r5 : Programa T ej. = I x CPI x T = I x CPI F
- 53. 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
- 54. El Computador Nos indica el aumento de rendimiento o mejora del tiempo de ejecución tras haber introducido la mejora. Aceleración (speedup) Rendimiento S = Rendimiento con la mejora Rendimiento sin la mejora S = Tiempo de ejecución sin la mejora Tiempo de ejecución con la mejora
- 55. 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 Rendimiento F = Tiempo que se puede mejorar Tiempo total M = Tiempo sin mejora Tiempo con mejora
- 56. El Computador El nuevo tiempo de ejecución se puede calcular como: Con lo que la aceleración tras la mejora será: Rendimiento (1 - F) + S = T Antiguo T Nuevo = F M 1 T nuevo = 1 M T Antiguo x (1 - F) + F
- 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
- 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
- 59. El Computador Ejemplo de SPEC Rendimiento
- 68. El Computador El resto son indicaciones sobre las opciones de compilación usadas, flag de optimización, etc … Rendimiento
- 69. Disipación de Potencia EL COMPUTADOR
- 70. 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
- 71. 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
- 72. 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
- 73. El Computador La rápida renovación del aire se logra acoplando ventiladores a las estructuras de disipación. Disipación de Potencia
- 74. El Computador En casos extremos se utilizan métodos más sofisticados: Disipación de Potencia Refrigeración por agua Célula Peltier Hielo seco
- 75. El Computador Disipación de Potencia Potencia total disipada Potencia dinámica + Potencia de cortocircuito Potencia estática +
- 76. El Computador Se produce por la conmutación de los transistores. P d = 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 Potencia dinámica
- 77. El Computador Es debida a la corriente que fluye durante un tiempo t entre la alimentación y la tierra cuando las puertas conmutan. P c = A x t x V x I c A : Coeficiente de actividad t : Tiempo V : Voltaje de funcionamiento I c : Corriente de cortocircuito Disipación de Potencia Potencia de cortocircuito
- 78. El Computador Es provocada por la corriente de pérdida que fluye por el transistor aunque éste no funcione. P e = V x I e V : Voltaje de funcionamiento I e : Corriente estática de fuga Disipación de Potencia Potencia estática Aunque es muy pequeña, adquiere la suficiente importancia cuando el número de transistores es elevado.
- 79. 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