Instituto Politécnico Nacional

Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas

UPIITA

Arquitectura de computadoras

Procesadores: Xeon E7 y Power 8

Federico Javier Guerrero Tovar

Mayo del 2015, México D.F.

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INTRODUCCIÓN

Antecedentes

Antes de la existencia de los microprocesadores, las computadoras utilizaban

memorias de núcleo magnético de ferrita como principal elemento de almacenamiento.

Estas memorias no son volátiles y en la mayoría de casos son la mejor solución cuando

no pueden tolerarse alteraciones en la memoria inducidas por pérdidas de energía.

Muchos de los grandes sistemas de computación utilizan memorias de núcleo, pues

una vez procesados los datos en tiempo real estos sistemas transfieren los datos y

programas a archivos secundarios de almacenamiento masivo; mismos que utilizan

otras formas de almacenamiento no volátil como los sistemas de cinta magnética o

discos flexibles.

Microprocesadores

Los microprocesadores son circuitos integrados únicos con miles de compuertas

digitales que realizan las funciones lógicas, aritméticas y de control de una

computadora. Además, es el miembro de la familia de los circuitos con integración a

gran escala que reflejan la tendencia a una miniaturización, iniciada por el transistor a

finales de los años cuarenta. El procesador es el cerebro del sistema encargado de

procesar toda la información. Se trata del cerebro de la computadora, pues es el

responsable de ejecutar todas las instrucciones.

Los microprocesadores necesitan circuitos externos de entrada y salida,

además de una memoria externa para operar funcionalmente como computadoras. Las

funciones lógicas, aritméticas y de control del mismo, así como una memoria y los

circuitos de interconexión de entrada-salida, se encuentran integradas en una zona de

menos de 40 mil milésimas de pulgadas cuadradas. (Veiss, 1986:12)

Un microprocesador no sólo funciona como el cerebro de la computadora

(técnicamente la parte que realiza las operaciones se llama ALU, Arithmetic Logic Unit

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o unidad aritmético lógica), sino que está compuesto por registros o memorias

diminutas donde se almacenan datos; buffers, cachés, unidades de proceso y más

elementos. Esto se fabrica con la utilización de componentes electrónicos en miniatura

denominados microarquitectura. (Xacata. Así comenzó todo: El origen de los

procesadores, 2012) A continuación, un ejemplo de la microarquitectura de un

procesador Intel Core 2 Duo:

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Técnicas digitales del microprocesador

Se trata de un producto de la Tecnología de Integración a Gran Escala (LSI), que utiliza

métodos digitales para sus estructuras de entrada, salida e interna.

Utilizan una aritmética de complemento a 2, de tal forma que un microprocesador de

8 bits representa un número negativo transformando el bit a la extrema izquierda, o bit

8, en un 1. (Veiss, 1986:30)

“El procesador se encarga de recibir secuencias de órdenes y ejecutarlas. Estas

órdenes serán mayoritariamente matemáticas (suma estos dos números y guarda el

resultado en esta determinada posición de memoria) pero también de almacenamiento

o interrupciones del sistema. Y precisamente estas órdenes simples y atómicas se

denominan instrucciones, que son las operaciones que un procesador es capaz de

entender y ejecutar. Por ejemplo, suma dos números y almacena el resultado en esta

memoria, o multiplica estos dos números, o algo mucho más simple como almacena

este dato en esta posición de la memoria.

Las instrucciones son operaciones muy simples pero con las que se construye todo,

y un conjunto de estas instrucciones se denomina set de instrucciones o ISA

(Instruction Set Architecture). Por ejemplo, x86 es la ISA de los procesadores Intel o

AMD domésticos actuales, los cuales a su vez utilizan múltiples microarquitecturas, y

ARM es la ISA de los procesadores de Samsung, Qualcomm, Apple, etc”. (Xacata. Así

comenzó todo: El origen de los procesadores, 2012)

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INTEL CORPORATION

Intel fue la primer compañía encargada de la producción de microprocesadores en todo

el mundo. Fue fundada por Gordon E. Moore y Robert Noyce, quienes denominaron su

empresa de esa forma por las siglas de

Integrated Electronic (electrónica

integrada).

En 1971 la compañía sacó al mercado

su primer microprocesador, el Intel 404,

encargado de reunir los elementos

necesarios para crear un ordenador a

excepción de los dispositivos de

entrada y salida imposibles de

miniaturizar.

Un año después este aparato fue

mejorado: con él se pudo acceder a

más memoria y procesar 8 bits.

Contaba con 48 instrucciones, podía ejecutar 300 mil operaciones por segundo y

direccionaba 16 kbytes de memoria. (Intel, Cuarenta años del microprocesador, )

Nomenclatura de procesadores Intel

Todo procesador Quad Core (que posee 4 núcleos) comienza con la letra Q.

Todo procesador Dual Core (de dos núcleos) comienza con la Y.

Los procesadores Core iX se dividen en los siguientes:

Core i7: Alto desempeño y costo.

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Core i5: Desempeño intermedio.

Core i3. Desempeño básico.

Si se trata de un procesador Atom significa que ha sido hecho para netbooks y si es

un Xeon, para servidores.

Todo procesador que termina con X2, X3 y X4 posee 2,3 y 4 núcleos, respectivamente.

Por ejemplo: Athlon 64 X2 4400.

Siempre se encontrará al lado del nombre de un procesador AMD una numeración.

Esa numeración no significa la frecuencia (o velocidad) del procesador, sólo indica el

modelo. (Informática Hoy, El procesador de la computadora, 2009)

XEÓN E7

En abril del 2011 Intel anunció el lanzamiento de la serie de 18 procesadores Intel Xeon

E7, para servidores de dos, cuatro y hasta ocho zócalos expandibles a servidores de

hasta 256 zócalos. Estos procesadores son producto de una tecnología de fabricación

de 32 nanómetros (nm) y

permiten a las empresas y

corporaciones gestionar

volúmenes muy grandes de

datos.

Además son más

eficientes y tienen nuevas

funciones de seguridad,

fiabilidad y rendimiento.

Tienen una

capacidad de trabajo más

eficaz que los anteriores, pues poseen hasta diez núcleos. Incluye aplicaciones de

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inteligencia comercial, virtualización y análisis de datos en tiempo real; además de la

tecnología Hyper-Threading que proporciona hasta un 40 por ciento más rendimiento

que los anteriores. (Hardzone, Intel Xeon E7: Nueva familia de procesadores para

servidores, 2011)

Algunas de sus principales ventajas son las siguientes:

Eficiencia energética. Su función de ahorro energético reduce el consumo de

los sectores del hip que no se utilizan en un determinado momento. Presenta una

mejora de hasta el 40 por ciento de entornos informáticos intensos que puede potenciar

la precisión y velocidad de aplicaciones complejas. Ahorra hasta un 25 por ciento el

rendimiento de aplicaciones de virtualización de máquinas respecto a otros y cuenta

con la tecnología Intel Intelligent Power, que reduce el consumo de los sectores

inactivos del chip en función de la carga de trabajo.

Ofrece 10 versiones avanzadas de su chip de 10 núcleos, encabezadas por los E7-

8870, E7-4870 y E7-2870. Todos ellos alcanzan una frecuencia máxima de 2,4 GHz

con un TDP (Thermal Design Point o máximo térmico del diseño) de 130 vatios.

Seguridad y fiabilidad. Las nuevas Intel Advanced Encryption Standard New

Instruction (AES-NI) permiten a los sistemas cifrar y descifrar rápidamente los datos en

una amplia variedad de aplicaciones y transacciones, mientras Intel Trusted Execution

Technology (Intel TXT) crea una plataforma segura durante el arranque al proteger a

las aplicaciones de amenazas malintencionadas.

Amplia compatibilidad. los productos de numerosos proveedores de software

corporativo son compatibles con las plataformas basadas en los procesadores de la

familia Xeon E7, incluyendo IBM, Microsoft, Oracle, Red Hat, SAP AG y VMware.

(Hardzone, Intel Xeon E7: Nueva familia de procesadores para servidores, 2011)

Características distinguidas de la familia Xeon E7

Según la propia empresa, con este procesador se pueden realizar las siguientes

actividades:

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Ampliar la memoria para optimizar sus recursos y sus cargas de trabajo con el

espacio de memoria más grande de cualquier procesador.

Cada zócalo puede alojar hasta 1,5 terabytes (TB) de memoria.

Armar configuraciones de CPU nativas de 2, 4 y 8 zócalos y amplíelas a

sistemas de 32 zócalos por medio de controladores de nodos de fabricantes

externos. Las configuraciones de CPU de 8 zócalos admiten hasta 12 TB de

memoria. 

• Aumento del desempeño de hasta 1,7 veces generación tras generación para

análisis.

• Mejora de hasta doce veces del desempeño (comparado con servidores

basados en procesadores Intel® Xeon® 7400 de cuatro zocalos con 5 años de

antigüedad)

• Consultas hasta 6 veces más rápidas con las nuevas Extensiones de

sincronización transaccional Intel® (Intel® TSX)

• Aumento del desempeño de hasta un 68 por ciento generación tras generación

con las Extensiones vectoriales avanzadas Intel® 2 (Intel® AVX2) (Fuente:

Análisis de referencia LINPACK).

• Más de 40 características de confiabilidad, disponibilidad y capacidad de servicio

(RAS) para que sus cargas de trabajo más importantes sigan ofreciendo datos y

servicios.

• La tecnología Intel Run Sure, disponible solamente en las plataformas equipadas

con los procesadores Intel Xeon E7, aumenta el tiempo de actividad con

capacidades especializadas que diagnostican y permiten recuperaciones luego

de errores o fallas del sistema o la administración de la memoria.

• Tiempo de actividad equiparable a un servidor IBM Power* con un precio más

favorable para un costo total de propiedad óptimo.

(Intel, Familia de procesadores Intel Xeon E7 v3, )

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IBM CORPORATION

La empresa International Business machines por (IBM), se introdujo en el estado de

Nueva York el 16 de junio de 1880 con el nombre de Computing. Tabulating- Recording

Company (CTR) sus orígenes se remontan a la evolución del los finales del siglo 19,

uno de los bloques escenciales para la construcción de IBM fueron los grabadores de

línea inventados por el Dr. Alexander Drey. (IBM, history of IBM 1888, )

Durante el apogeo de la revolución industrial Estados unidoa necesitaba una nueva

herramienta que hiciera un censo de la población creciente debido a los altos índices

de migración que presentaba de tal forma que el doctor Herman Hollerit invento un

nuevo sistema de electricidad para leer tarjetas perforadas y almacenar estos registros

de memoria, así formó la empresa Tabulating Machine Company. (TMC)

En febrero 14 de 1924, con la fusión de las dos empresas y mas de 1000 empleados

en el corporativo CTR cambio oficialmente su nombre por el de International Business

Machine Coorporation; desde entonces IBM ha sido pieza clave para herramientas de

tecnología como el Automatic Squences Controlled Calculator, utilizado en la segunda

Guerrea mundial, como una herramienta de uso militar.

A mediados de los 50’s IBM presentaba los primeros avances de circuitos transistores

que podían ejecutar la rededor de casi 300,000 cálculos por segundo; conTomas J

Watson al mando la empresa anunciaba los primeros avances en usando Solid Logic

Technology, y creado computadores 100 veces más poderosos que los primeros.

Los equipos de cómputo IBM en un principio utilizaban procesadores Intel y sistemas

operatiovos DOS (Disk Operating System) creado por la empresa Microsoft; (IBM,

History of IBM 1990);

IBM es una empra que desde sus inicios ha ido evolucionando de forma continua

adaptándose a los requerimientos del futuro, y de igual forma elaborardo

microprocesadores ahora del mismo nivel que los procesadores Intel.

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Procesadores PowerPC (Performance Optimization with Enhaced Riscj)

Esta familia de procesadores ha sido desarrollada en

por un grupo formado por IBM, Apple Computer y

Motorola Coorporation, está diseñado para cumplir con

los estándares de forma permite la homogeneidad entre

cualquiera que desarrolle este tipo de procesadores.

(Guevara, informática Básica, 71).

A mediados de los noventa, los procesadores PowerPC

presentaban mejor rendimiento incluso que los

procesadores de Intel x86.

La familia de procesadores está diseñada para computadores de escritorio con

frecuencias desde 66MGHz en el caso del procesador PowerPc 601 y 200 MHz para

los procesadores Power PC 604

El procesador PowerPC 620 por ejemplo se basa en una arquitectura de 3,6 millonesde

transistores bajo una arquitectura de 0,5 CMOS y alimentada por una tensión de 3,3v;

conservando la compatibilidad CMOS/TTL.

Las frecuencias a que corresponden a las diferentes versiones son de 100, 120 y

133MHz y presentan en una empaquetado de 304 pines.

A continuación se muestra en la tabla la Familia de procesadores PowerPC y los

equipos que la han utilizado.

Procesador PowerPC 601 Usado por Motorola, Apple y PowerPC

7500 (1994)

Procesador Power PC 604 Utilizado en Power Macintoch series

8500 a 9500

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Procesador Power PC 740/750xxG3 Utilizado en Power Macintosh G3, Power

book G3 imac ibook series 1997

Procesador Power PC 74xx G4 Utilizado por Power Macintoch G4,

Power Book G4 (1999)

Estos procesadores tienen compatibilidad con:

AmigaOS/MorphOS

BeOS

FreeBSD

GNU/Linux

Mac OS

MacOSX

QNX

VxWorks

Windows NT 3.51

El procesador PowerPc 750CL, es un dispositivo evolucionado que va desde los 400

MHz hasta 1GHz con un bus de sistema de hasta 240MHz, este procesador se ha

fabricado con una base de 90 nm tiene 20 millones de transistores, y la matriz es de

16nm^2, trabaja a 2.7 w a 600MHz, y a 9.8 W a 1 GHz.

Procesador Power8

El procesador Power8 es el último de la familia Power de IBM, está disponible con

hasta 12 cores, más a comparación del power7,este procesador está basado en la

tecnología SMT8 (single mode thread), soportando 8 hilos de hardware por nucle de

forma simultánea, de igual forma comparado con el Power7 que solamente soporta 4

hilos por core.

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Quiere decir que si un sistema operativo cuenta con un procesador power8, este podrá

ejecutar hasta ocho hilos en el hardware de forma simultánea.

Este procesador está desarrollado a una escala de 22nm, Silicon- On- Insulator (SOI)

cada chip es de 567 mm^2 y contiene 1.2 billones de transistores, como se muestra en

la figura, contiene 12 cores, cada uno de ellos con su respectivo 512 KB L2 y 8 MB L3

que conforman la memoria DRAM, tiene dos controladores de memoria y controladores

PCIe Gen3 I/O y un sistema de interconección que conecta todos los componenetes

con el chip.

Este sistema utiliza los chips del buffer de memoria para la interfás entre el procesador

y la memoria DDR3 y DDR4 cada buffer incluye un cahcé L4 para reducir el tiempo de

acceso a la memoria (Hall,Performance optimization and tunin technique for IBM,

Processors, 21).

Este procesador ocupa una interfaz del procesador coherentemente asignado o CAPI

para la memoria corta coherente con direccionamiento a CPUS, tiene ocho unidades de

envio (dippatch) por núcleo, es destacable también que cada núcleo posee su propio

regulador de voltaje, tiene también interconexión SMP integrada puede llegar hasta 128

mb de memoria cache nivel 4.

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Cada chip es de 64 bits, y es desarrollado bajo la norma ISA.

Cala núcleo es capaz de ejecutar ocho hilos de forma simultanea.

34 KB para instrucciones -Caché

64 KB para datos –Caché

Memoria expansible.

La memoria pude alcanzar los 230 GB/s manteniendo el ancho de banda

sucursal predictor agresivo que permite agilizar los procesos.

Dos Fix-point simétricos para ejecuciones unitarias.

Movimiento de datos y movilidad VM

Alcanza una frecuencia de hasta 4 GHz

A continuación se presenta la geometría del caché del power 8

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AL escala en el power 8 es muy representativa a diferencia la los modelos anteriores

que estaban entre los 90 nm como se muestra en la siguiente tabla.

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BIBLIOGRAFÍA,

WEISS, Melvyn et. Al. (1986) Introducción a los microprocesadores. Equipo y sistemas.

México: Limusa

POWER8

Performance optimization and tunin technique for IBM, Processors.

Bryan Hall

REFERENCIAS

Hardzone (2011): http://hardzone.es/2011/04/07/intel-xeon-e7-nueva-familia-de-

procesadores-para-servidores/

Informática hoy (2009): http://www.informatica-hoy.com.ar/aprender-informatica/El-

Procesador-de-la-computadora.php

Intel:

http://www.intel.la/content/dam/www/public/lar/xl/es/documents/40_aniversario_del_pro

cesador.pdf

Intel, Familia de procesadores Intel Xeon E7 v3:

http://www.intel.la/content/www/xl/es/processors/xeon/xeon-e7-details.html

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Xacata. Así comenzó todo: El origen de los procesadores (2012):

http://www.xataka.com/componentes-de-pc/asi-comenzo-todo-el-origen-de-los-

procesadores

IBM, anouncement (2015)

http://www-03.ibm.com/systems/power/announcement.html

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