Ben Bruidegom 1 Architectuur en Computerorganisatie Geschiedenis heden en toekomst:  De wet van Moore geldt al 41 jaar. Hoe lang blijft deze wet nog 

Presentatie over: "Ben Bruidegom 1 Architectuur en Computerorganisatie Geschiedenis heden en toekomst:  De wet van Moore geldt al 41 jaar. Hoe lang blijft deze wet nog "— Transcript van de presentatie:

1 Ben Bruidegom 1 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 2 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 3 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 4 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 5 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 6 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 7 Een revolutie in microprocessor technologie! 1965

8 Ben Bruidegom 8 Intel 4004 (1971)  2250 transistors

9 Ben Bruidegom 9 Intel Pentium 4 Prescott (2004)  125.000.000 transistors 90 nm technologie  0,1 micrometer transistors

10 Ben Bruidegom 10 De grootte van één transistor: 90 nanometer 90 nm = 0,09 micrometer

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

12 Ben Bruidegom 12 Klokfrequentie (f) Tijd  0,01 seconde 3 Volt 0 Volt

13 Ben Bruidegom 13 Microprocessor revolutie: klok frequenties

14 Ben Bruidegom 14 Klokfrequentie Klokfrequentie (f): 4 GHz = 4 * 10 9 Hz Tijd  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 15 Energie verbruik

16 Ben Bruidegom 16 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)

17 Ben Bruidegom 17 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 18 Prestatieverbeteringen Door technologie  Meer transistoren  Hogere klokfrequenties  Minder warmteontwikkeling Door verbeteringen van de architectuur  Meer parallellisme  Pipeline  Cache  Compilers

19 Ben Bruidegom 19 Pentium 4 Pipelining is important (last IA-32 without it was 80386 in ‘85) Pipelining is used for the simple instructions favored by compilers Chapter 6 Chapter 7 Pipelining

20 Ben Bruidegom 20 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

21 Ben Bruidegom 21 Sequential Laundry Sequential laundry takes 6 hours for 4 loads If they learned pipelining, how long would laundry take? ABCD 304020304020304020304020 6 PM 789 10 11 Midnight TaskOrderTaskOrder Time

22 Ben Bruidegom 22 Pipelined Laundry Pipelined laundry takes 3.5 hours for 4 loads ABCD 6 PM 789 10 11 Midnight TaskOrderTaskOrder Time 3040 20

23 Ben Bruidegom 23 Processor-Memory Performance Gap

24 Ben Bruidegom 24 Memory hierarchy: concrete example

25 Ben Bruidegom 25 Memory hierarchy: Cache

26 Ben Bruidegom 26

27 Ben Bruidegom 27 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 28 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 29 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 30 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 31 Toekomst 20 april 2005 - Intel voorspelt dat de wet van Moore tot 2020 doorgaat.

32 Ben Bruidegom 32 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 33 From High-Level Language to language of the hardware

34 Ben Bruidegom 34 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 35 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 36 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 37 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 38 Programmeren van de ENIAC