Ben Bruidegom 1 Digitale Techniek voor AI Overzicht cursus: Literatuur:  Syllabus: Hoe werkt een computer precies? Geschiedenis heden en toekomst:  De wet van Moore geldt al 40 jaar. Hoe lang blijft deze wet nog gelden?

Ben Bruidegom 2 Docent:  Ben Bruidegom  Studentassistent: Simon Pauw Werkvorm: Studio Classroom Rooster voor vandaag:  Overzichtscollege van het vak  Practicum: Hoofdstuk 1 syllabus  – Lunchpauze  College over talstelsels  Practicum: Hoofdstuk 2 syllabus Organisatie

Ben Bruidegom 3 Beoordeling Digitale techniek Ieder afgerond practicum levert 4 punten op. Totaal maximum aantal punten 6 * 4 = 24 punten Tentamen 76 punten Totaal 100 punten

Ben Bruidegom 4 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!

Ben Bruidegom 5 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. ***

Ben Bruidegom 6 Een revolutie in microprocessor technologie! 1965

Ben Bruidegom 7 Intel 4004 (1971)  2250 transistors

Ben Bruidegom 8 Intel Pentium 4 Prescott (2004)  transistors 90 nm technologie  0,1 micrometer transistors

Ben Bruidegom 9 De grootte van één transistor: 90 nanometer 90 nm = 0,09 micrometer

Ben Bruidegom 10 Toename performance van computers sinds 1978 t.o.v. VAX 11/780

Ben Bruidegom 11 Klokfrequentie (f) Tijd  0,01 seconde 3 Volt 0 Volt

Ben Bruidegom 12 Microprocessor revolutie: klok frequenties

Ben Bruidegom 13 Klokfrequentie Klokfrequentie (f): 4 GHz = 4 * 10 9 Hz Tijd  0,25 ns Limitatie: Lichtsnelheid = km/sec dus in 0,25 ns legt het licht 7,5 cm af 3 Volt 0 Volt

Ben Bruidegom 14 Energie verbruik

Ben Bruidegom 15 Energieverbruik en klokfrequentie Klokfrequentie (f): 4 GHz = 4 * 10 9 Hz Tijd  Spanning 3 Volt 0 Volt Stroomverbruik Geen stroomverbruik Vermogen (Watt) = Stroom * Spanning = I * U Energieverbruik = Vermogen * tijd (Watt sec) Energieverbruik = (Watt sec)

Ben Bruidegom 16 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

Ben Bruidegom 17 Prestatieverbeteringen Door technologie  Meer transistoren  Hogere klokfrequenties  Minder warmteontwikkeling Door verbeteringen van de architectuur  Meer parallellisme  Pipeline  Cache  Compilers

Ben Bruidegom 18 Pentium 4 Pipelining is important (last IA-32 without it was in ‘85) Pipelining is used for the simple instructions favored by compilers Chapter 6 Chapter 7 Pipelining

Ben Bruidegom 19 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 ABCD

Ben Bruidegom 20 Sequential Laundry Sequential laundry takes 6 hours for 4 loads If they learned pipelining, how long would laundry take? ABCD PM Midnight TaskOrderTaskOrder Time

Ben Bruidegom 21 Pipelined Laundry Pipelined laundry takes 3.5 hours for 4 loads ABCD 6 PM Midnight TaskOrderTaskOrder Time

Ben Bruidegom 22 Processor-Memory Performance Gap

Ben Bruidegom 23 Memory hierarchy: concrete example

Ben Bruidegom 24 Memory hierarchy: Cache

Ben Bruidegom 25

Ben Bruidegom 26 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 !

Ben Bruidegom 27 Dual core machines The number of processors on a chip and number of hardware- supported threads per processor on current and future microprocessors.

Ben Bruidegom 28 Snelste computer ANP: 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 ( kleine antennes). In totaal neemt de computer slechts 6 vierkante meter ruimte in beslag Processors staan garant voor een enorme rekenkracht van 27,4 biljoen berekeningen per seconde berekeningen per seconde.

Ben Bruidegom 29 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!??

Ben Bruidegom 30 Toekomst 20 april Intel voorspelt dat de wet van Moore tot 2020 doorgaat.

Ben Bruidegom 31 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

Ben Bruidegom 32 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

Ben Bruidegom 33 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

Ben Bruidegom 34 Programmeren van de ENIAC