Aulas 1 e 2

O material usado na fabricação dos processadores é o silício, por ser semicondutor. Um lingote de silício (30 cm de diâmetro e 30-60 cm de comprimento) é finamente fatiado em wafers de no máximo 0,25cm de espessura; Esses wafers passam por um processo químico que criam transistores, condutores e isolantes; Cada wafer é testado; Os wafers são cortados em dies (chips) e aqueles que não passaram no teste são descartados; Os dies são soldados ao encapsulamento (pinos de entrada e saída); As peças encapsuladas são testadas; Os chips estão prontos para serem vendidos.

Fabricação de um processador:

Modelo de Von Neumann

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Segundo o modelo de Von Neumann, os cinco componentes de um computador são: Dispositivos de entrada; Dispositivos de saída; Memória (de dados e de instruções); Unidade de controle; E unidade de lógica e aritmética. Muitas vezes unimos os dois últimos e os chamamos de CPU ou processador. A memória pode ser acessada aleatoriamente por endereços, cada posição possui a mesma capacidade. As instruções são realizadas sequencialmente e o computador possui o controle centralizado. 

Caption: : Modelo computacional de Von Neumann

Taxonomia de Flynn

"O paralelismo computacional é uma forma pela qual a demanda é suprida através do uso simultâneo de recursos como processadores para solução de um problema." SISD - Ex: máquinas clássicas sem paralelismo; MISD - Ex: Não há implementação comercial; SIMD - Ex: Arquiteturas vetoriais, operação multimídia e GPUs; MIMD - Ex: não há. Para mais informações, ver a fonte. 

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Caption: : Fonte: http://www-usr.inf.ufsm.br/~sandro/elc139/tarefa1.php

Lei de Moore, potência e desempenho.

A lei de Moore afirma que em um circuito integrado a quantidade de transistores dobra a cada 18 a 24 meses.  A potência e a taxa de clock aumentaram rapidamente por muito tempo, porém, agora chegou-se ao limite da potência para resfriamento de microprocessadores.A principal fonte de dissipação de potência é a potência dinâmica (a potência consumida durante a transição dos transistores). Para diminuir a potência, diminuiu-se a tensão. O problema é que a tensão baixa causa vazamento nos transistores. E isso gera uma outra forma de dissipação: de potência estática. Assim, simplesmente aumentar o número de transistores não é adequado, pois aumenta a quantidade de corrente de vazamento. Os projetistas tentam resolver o problema de potência conectando grandes dispositivos para aumentar o resfriamento ou desligam partes do chip que não estão sendo usadas no ciclo. Alguns dos problemas ainda encontrados no desenvolvimento de processadores, são: Dissipação de temperatura; Potência consumida; Frequência de execução; Tempo para acesso à dados externos; Melhora no desempenho.

Para carregar os capacitores metade da energia é perdida pela resistência dos condutores e metade é realmente usada para carregá-los. Assim, a potência dinâmica do carregamento do capacitor é dada pela fórmula da imagem ao lado. Então, como podemos diminuir o consumo de energia? Redução de tensão; Redução de frequência (em partes menos exigentes do circuito); Redução da capacitância (integrar mais processadores em um mesmo chip reduzindo distâncias); Redução de troca de estados de transistores; Aproveitamento da energia de descarga dos capacitores. 

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Caption: : Potência dinâmica do carregamento de capacitores, energia, e potência estática.

O desempenho é algo relativo, pois depende do que cada aplicação precisa. Em geral, temos o tempo de resposta (também chamado de tempo de execução) e o throughput (largura de banda) como parte da análise do desempenho. Como o tempo de resposta é o tempo para realizar uma tarefa, o desempenho é definido como o inverso do tempo de resposta (ou de execução). Assim, o desempenho de A > B se o tempo de resposta de B > A. Podemos medir os desempenhos: Da CPU; Da instrução; Equação clássica de desempenho da CPU.

Tempo de execução da CPU para 1 programa = nº ciclos de clock para 1 programa X Período de clock = nº ciclos de clock para 1 programa / frequência de clock; nº ciclos de clock da CPU para 1 programa = nº de instruções X CPI ;CPI = ciclos por instrução; Tempo de CPU = contador de instrução X CPI X período =(contador de instrução X CPI) / frequência de clock;Contador de instrução = nº de instruções de um programa. A 2. equação nos dá o número de ciclos para um programa, enquanto a 3. multiplica esse número de ciclos pelo tempo de um ciclo (ou divide pela frequência). Assim sabemos quanto tempo leva para executar esse número de ciclos.

Benchmark

Conjunto de programas escolhidos especificamente para medir o desempenho. Os benchmarks formam uma carga de trabalho que o usuário acredita que irá prever o desempenho da carga de trabalho real. Após passar pelos benchmarks, o tempo de resposta em cada benchmark de cada computador é normalizado em relação à um de referência. Isso gera uma medida chamada SPECratio que é o inverso do tempo de execução e, portanto, mede desempenho.    Posteriormente, os SPECratios são analisados usando a média geométrica. Pois ela informa a mesma variação relativa independente do computador de referência usado.

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Caption: : Pós: obriga que todos os resultados sejam bons; não é influenciado pelas peculiaridades da máquina. Contras: qualquer média perde informações; a média geométrica não prevê o tempo de execução (isso encoraja que as máquinas sejam feitam pensando em como se sair melhor em determinados benchmarks)

Lei de Amdahl

Erro: esperar que uma melhoria de um aspecto do computador aumente o desempenho geral por uma quantidade proporcional à melhoria.O tempo de execução geral após uma melhoria é dado pela seguinte equação (também conhecida como Lei de Amdahl):Tempo de execução final = (tempo afetado pela melhoria / quantidade de aprimoramento) + tempo de execução não afetado

Princípios de projetos de hardware

1 - Simplicidade favorece a regularidade; 2 - Menor significa mais rápido;3 - Agilize os casos mais comuns; 4 - Um bom projeto exige bons compromissos.