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Abril 2008
Procesadores para cómputo de altas prestaciones
Introducción: Tendencias Tecnológicas
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2 Programa
1. Introducción: Tendencias tecnológicas, costo/ rendimiento/consumo
2. Aspectos básicos de la segmentación. Diseño de un procesador segmentado, tipos de riesgos, segmentación con operaciones multiciclo.
3. Paralelismo a nivel de instrucción: planificación dinámica. Tratamiento de dependencias de control: Predicción de saltos. Especulación.
4. Ejecución de múltiples instrucciones por ciclo. Límites del paralelismo a nivel de instrucción. Procesadores multithreading, Multiprocesadores en un chip ( Multi /Many cores ).
5. Jerarquía de memoria: Cache, reducción de fallos, ocultación de latencia, memoria principal
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3 Contenidos
El entorno tecnológico
Rendimiento
Costo
Lecturas recomendadas G. E. Moore " Cramming More Components onto IC", Electronic, april 1965 J. L. Henning. " SPEC CPU2000: Measuring CPU performance in the new millennium."
IEEE Computer, July 2000. 28-35 M Flynn, P Hung, "Microprocessor Design Issues: Thoughts on the Road Ahead", IEEE
Micro, May-June 2005, pp16-31, 2005 T. Agerwala, S Chatterjee "Computer Architecture Challenges and Apportunities for the
Next Decade" IEEE Micro, May-June 2005, pp58-69, 2005 H McGhan " SPEC 2006 Benchmark Suite", Microprocessor Report , October 10, 2006, V Agerwala, et all “ Clock Rate versus IPC: The End of the Road for Convencional
Microarchitectures” ISCA27, pp248-259, 2000
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4 El entorno
La Ley de Moore
Electronic- Abril1965
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5 El entorno
La Ley de Moore se ha cumplido
Tra
nsit
ors
Fuente: Intel Corporation
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6 El entorno
La Ley de Moore se ha cumplido
Fuente: Intel Corporation
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7 El entorno
Fuente: Intel Corporation
La Ley de Moore se ha cumplido
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8 El entorno
Fuente: Intel Corporation
La Ley de Moore continua
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9 La Ley de Moore
La Ley de Moore continua
HoyPenryn
Fuente: Intel Corporation
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10 La Ley de Moore
Fuente: Intel Corporation
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11 La Ley de Moore
Fuente: Intel Corporation
Manufacturing process details from 1997 to 2011
9
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12 El entorno
Microelectrónica + Microarquitectura
Una industria con un progreso que no tiene equivalente
Doblado cada 18 meses (1982-2000):- total de incremento 3,200X- Los coches viajarían a 176,000 MPH; y recorrerían 64,000
miles/gal.- El viaje: L.A. a N.Y. en 5.5 seg (MACH 3200)
Doblado cada 24 meses (1971-2001):- total de incremento 36,000X- Los coches viajarían a 2,400,000 MPH; y recorrerían 600,000
miles/gal.- El viaje: L.A. a N.Y. en 0.5 seg (MACH 36,000)
[John Crawford, Intel, 1993]
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13 La Ley de Moore
La Ley de Moore continua
Fuente: Intel Corporation
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14 1º problema consumo
Energía y potencia ( energía por unidad de tiempo) La energía consumida depende del tiempo
y de la potencia. En la gráfica la altura representa la potencia y el área tramada en oscuro es la energía.
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15
Energía y potencia ( energía por unidad de tiempo)
Fuente: Intel Corporation
1º problema consumo
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16
Energía y potencia ( energía por unidad de tiempo)
Fuente: Intel Corporation
1º problema consumo
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17
Energía y potencia ( energía por unidad de tiempo)
Tres componentesConmutación P= Cx V2x f ↑↑↑Fugas ( gate leakage )Cortocircuito ( subtreshold leakage)
1º problema consumo
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18
Energía y potencia
o ¿ Que hacer para seguir mejorado el rendimiento de los sistemas?
Mejora a nivel de un core. Balance power-performance
Integrar múltiples cores en un chip. Balance complejidad del core-numero de cores
Chip heterogeneos y aceleradores on chip
1º problema consumo
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19
Espacio de diseño
FO4 Fan-out of four ( retado de un inversor con 4 cargas ), medida del retardo de una etapade un pipelineNew methodology for early-stage, microarchitecture-level power-performance analysis of microprocessorshttp://portal.acm.org/citation.cfm?id=1014606
Mejor IPCMejor rendimiento por watio 18FO4
1º problema consumo
Mas etapasMenos etapas
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20
Espacio de diseño
Técnicas Power-aware
o Clock gating,
o Diferentes dominios de reloj,
o Cores simples,
o Voltage gating( UF, bloques de cache),
o Resizing adaptivo,
o Voltaje dinámico y escalado de frecuencia
1º problema consumo
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Espacio de diseño- cores-o Numero versus complejidad
1º problema consumo
o Cores simples mejor
o Tipo de paralelismo que explotan
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22
Retardo de la interconexiones
2º problema retardo interconexiones
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23
Retardo de la interconexiones
2º problema retardo interconexiones
Multi - Many cores
Ciclo
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24 La Ley de Moore
Retos de futuro 2015
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25 El entorno: tendencias
Resumen de evolución en tecnología de implementación
Uso de los computadores La cantidad de memoria necesaria crece entre 1.5 y 2 por año.
Más bits para direccionamiento. Programación en LAN. Los compiladores son fundamentales, son el
interfase entre las aplicaciones y el computador.
Capacidad VelocidadLatencia
Logica X2 en 3 años X2 en 3 años
DRAM X4 en 3 años X2 en 10 añosDisco X2 en 3 años X2 en 10 años
¿ Una arquitectura debe ser diseñada para soportar el paso del tiempo ?
Cambios en tecnología, Sw y aplicaciones.Arquitectura IBM360-390 (1964) ,X86 (1978), Sparc(1992)
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26 El entorno: tendencias
Procesador: ‘286, ‘386, ‘486, Pentium, Pentium Pro, Pentium 4 (21x,2250x)
Ethernet: 10Mb, 100Mb, 1000Mb, 10000 Mb/s (16x,1000x)
Modulo de Memoria: 16bit plain DRAM, Page Mode DRAM, 32b, 64b, SDRAM, DDR SDRAM (4x,120x)
Disco : 3600, 5400, 7200, 10000, 15000 RPM (8x, 143x)
Latencia y ancho de banda en los últimos 20 años
1
10
100
1000
10000
1 10 100
Mejora relativa de latencia
Mejora
en AB
relativa
Procesador
Memoria
Red
Disco
Mejora de latencia=
Mejora de AB
CPU alta, Memoria Baja(“Memory Wall”)
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27 Rendimiento
Dos conceptos clave
Avión
Boeing 747
Concorde
Velocidad
970 kph
2160 kph
Wa a París
6.5 hours
3 hours
Pasajeros
470
132
Throughput (pkph)
455900
285120
oTiempo de Ejecución (TEj) : Tiempo que tarda en completarse una tarea ( Tiempo de respuesta, latencia )
o Rendimiento ( Performance, Throughput) : tareas por hora, día ,…o "X es n veces más rápido que Y" significa
TEj(Y) Performance(X) --------- = ---------------------= nTEj (X) Performance(Y)
o Reducir el TEj incrementa el rendimiento
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28 Rendimiento
Medidas del rendimiento
Compilador
Lenguajesde
Programación
Aplicación
DatapathControl
Transistores cables
ARI (ISA)
Unidades Funcionales
(millones) de Instrucciones por segundo: MIPS(millones) de (FP) operaciones por segundo: MFLOP/s
Ciclos por segundo (frecuencia de reloj)
Megabytes por segundo
Respuestas por mes, hora, segundoOperaciones por segundo TPC
La única medida fiable es el tiempo de ejecución programas realesDos aspectos: Rendimiento del computador, Rendimiento del procesador
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29 Rendimiento
Rendimiento del procesadorT CPU= N * CPI * t
N Compiladores y LM CPI LM, implementación, paralelismo t implementación, tecnología
Ciclos medios por instrucción CPI
CPI = (TCPU * Clock Rate) / Numero de Instrucciones = Ciclos / Numero de Instrucciones
TCPU = Tiempo de ciclo * CPI i * I i
pCPI = CPI i * F i donde Fj es la frecuencia de aparición de la instrucción J
i = 1
n
i = 1
Invertir recursos donde se gasta el tiempo
Ejemplo : ALU 1 ciclo( 50%), Ld 2c(20%), St 2c(10%), saltos 2c(20%)CPI ALU 0.5, Ld 0.4, St 0.2, salto 0.4 TOTAL CPI = 1.5
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30 Rendimiento
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31 Rendimiento
Rendimiento global del computador :
Benchmarks La única forma fiable es ejecutando distintos programas reales.
Programas “de juguete”: 10~100 líneas de código con resultado conocido. Ej:: Criba de Erastótenes, Puzzle, Quicksort
Programas de prueba (benchmarks) sintéticos: simulan la frecuencia de operaciones y operandos de un abanico de programas reales. Ej:: Whetstone, Dhrystone
Programas reales típicos con cargas de trabajo fijas (actualmente la medida más aceptada)
SPEC89: 10 programas proporcionando un único valor. SPEC92: 6 programas enteros (SPECint92) y 14 en punto flotante
(SPECfp92).Sin limites en opciones de compilación SPEC95: 8 programas enteros (SPECint95) y 10 en punto flotante
(SPECfp95). Dos opciones en compilación: la mejor para cada programa y la misma en todos (base)
SPEC2000 12 programas enteros y 14 en punto flotante. Dos opciones de compilación ( la mejor: spec--, la misma spec--_base
Otros HPC:LINPACK, SPEChpc96, Nas Parallel Benchmark Servidores: SPECweb, SPECSFS( File servers), TPC-C Graficos: SPECviewperf(OpenGL), SPECapc( aplicaciones 3D) Winbench, EEMBC
SPEC2006
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32 Rendimiento
Un Ejemplo: Intel Xeon 5160 (Core2, 3.0Ghz, 1333Mhz)
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33 Rendimiento
SPEC de los últimos procesadores ( SPEC2000)o Retirados febrero 2007
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Specint2000 Specfp2000
AMD Opteron 3.0 Ghz
P Xeon5080 3.8 Ghz
P Xeon5160 3Ghz
I tanium 2 1.6 Ghz 9MB
Power 5+ 2.2Ghz
21364 1.3Ghz
UltraI I I 1.05Ghz
Sparc64 V 2.1Ghz
Pemtium4NetBurst
Core
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34 Rendimiento
SPEC2006 vesus SPEC2000Evolución de la jerarquía de memoria (256KB, 256MB a 4MB, 1GB) Más programas más complejos
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35 Rendimiento
SPEC2006 vesus SPEC2000
![Page 36: Abril 2008 Procesadores para cómputo de altas prestaciones Introducción: Tendencias Tecnológicas](https://reader033.vdocumento.com/reader033/viewer/2022051412/54e2441e4a795950188b4c0b/html5/thumbnails/36.jpg)
36 Rendimiento
Evolución de los SPEC
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37 Rendimiento
Un Ejemplo: Intel Xeon 5160 (Core2, 3.0Ghz, 1333Mhz)
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38 Rendimiento
SPEC de los últimos procesadores ( SPEC2006)
0
5
10
15
20
25
Specint2006 Specfp2006
AMD Opteron 3,2 Ghz
P Xeon5080 3.8 Ghz
Core 2 Quad 45nm3 Ghz
Power6 4,7 Ghz
Sparc64 VI 2,4Ghz
I tanium 2 1.67 Ghz 12MB
Pemtium4NetBurst
Core
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39 Rendimiento
SPECint95
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40 Rendimiento
SPECint2000
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41 Rendimiento
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42 Ejemplos
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43 Fabricación de un CI
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44 Coste
Coste : El fundamental, el coste del CI
coste de CI = Die coste + Testing coste + Packaging coste Final test yield
Die coste = coste del Wafer Dies por Wafer * Die yield
Complejidad y RAM on chip Numero de pines y material (<10 a >40 )
>90%
Material, Proceso, Diámetro
Wafer yield (100%), Defectos 0.6 a 1.2 cm2
El costo de CI (Die) f(área del die)2Die
Wafer
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45 Coste
Algunos ejemplos reales
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46 Coste
Evolución en la vida comercial
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47 Tendencias
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48 Tendencias
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Sony/IBM/Toshiba Cell (9 cores)
IBM Cyclops64 (80 cores, in development)Sun Niagara (8
cores)
Microsoft/IBM Xbox360 (3 cores)
Ejemplos de multicores. Many cores
Intel Larrabee en desarrollo, subset x86, heterogéneo
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