Aula 02: Tendências
Tecnológicas e Custos
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
DEPT. DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO - UFMG
Cadeia Alimentar em 1985
Mainframe
Work- PC
Ministation
computador
Supercomputador
Minisupercomputador
Cadeia Alimentar em 1995
MiniMinisupercomputador computador
Mainframe
Supercomputador
Work- PC
station
Quem come quem?
Massively Parallel
Processors
Cadeia Alimentar em 2002
Mainframe
Servidoras
PC
Workstation
Embutido e
Móvel
Por que tal mudança nos
últimos anos?
 Função
 Aumento da interconectividade entre as máquinas
(diversos pequenos fazem o mesmo trabalho que um
grande)
 Desempenho
 Avanços tecnológicos
 CMOS VLSI domina TTL e ECL em custo e performance
 Avanços em arquitetura nos micros de pequeno porte
seguiram mais de perto avanços na tecnologia de
circuitos integrados
 RISC, superescalar, RAID, …
Por que tal mudança em 10
anos?
Preço:
Desenvolvimentos mais simples
CMOS VLSI: sistemas menores, menos
componentes
Altos volumes
CMOS VLSI : mesmo custo de 10,000 unidades e
100,000 unidades
Margens de lucros menores
Mobilidade
Tecnologias Usadas em 1985
ECL
TTL
MOS
Mainframe
Work- PC
Ministation
computador
Supercomputador
Minisupercomputador
Projeções Tecnológicas:
Capacidade de Processadores
100000000
“Janela de variação”
10000000
Pentium
i80486
Transistors
1000000
i80386
i80286
100000
i8086
10000
i8080
i4004
1000
1970
1975
1980
1985
Year
1990
1995
2000
Arquitetura de Computadores
Determinar quais atributos são
importantes para o projeto de uma nova
máquina a fim de maximizar performance
e minimizar o custo
Como minimizar custo?
Como maximizar performance?
Variáveis Usadas no Projeto
de uma Nova Máquina
Projeto do conjunto de instruções
Organização funcional
Projeto lógico
Implementação
Projeto do circuito integrado
Encapsulamento
Potência
Resfriamento
Tudo isso é arquitetura de computadores!!!
Tendências para Projeto de
Microprocessadores
 Quando alguém projeta um processador (ou
uma nova máquina), ele só vai ser lançado
daqui a 2 anos
 Precisamos considerar o que estará disponível daqui
a dois anos
E se eu não for projetar máquinas? Você vai escrever
software?
 Também precisa considerar parâmetros válidos para
análise do que você vai estar entregando daqui a
dois anos
 Na verdade, este curso se resume a uma
palavra: Planejamento
Memória Utilizada por
Programas
Consumo de endereços:
Memória média para executar um programa
tende a crescer 1.5 a 2 vezes por ano, ou
seja, de 1/2 a 1 bit de endereçamento por
ano
Uso de linguagens de alto nível
Importância maior de compiladores e técnicas
mais agressivas para a compilação de
código
Circuitos Integrados
 Densidade cresce 35 % ao ano,
quadruplicando em 4 anos
 Tamanho do die cresce 10-20 % ao ano
 Efeito combinado: crescimento de 55 % ao
ano no número de transistores
 Mas não conseguimos manter a mesma
percentagem dos transistores funcionando em um
dado instante
DRAMs
 A densidade de DRAMs cresce em torno de 4060% ao ano, quadruplicando em 3-4 anos
 Tempo de ciclo melhora lentamente: diminuiu
35% em 10 anos
 Por que nos últimos 10 anos o efeito da velocidade
das DRAMs passou a ser importante? (386 vs. 486)
 Bandwidth tem aumento 2x mais que tempo de
ciclo
 d$/dt para memórias decresce 40% ao ano
devido a aumento de produção e maturidade do
processo de fabricação
Discos Magnéticos
A densidade de armazenamento de discos
magnéticos cresce em torno de 100% ao
ano (antes de 1990, a densidade crescia
30% ao ano)
Tempo de acesso: +/- 35% em 10 anos
Previsões Tecnológicas
(Resumo)
Capacidade
Velocidade
Lógica
4x em 3-4 anos
2x em 3 anos
DRAM
4x em 3-4 anos
1.4x em 10 anos
Disco
2x em 1 ano
1.4x em 10 anos
• Até mesmo durante a vida útil do processador
(2 anos) os avanços tem que ser levados em
conta
• Crescimentos não são lineares (ex: DRAMs)
Previsões de Performance
para Processadores
1000
Supercomputers
100
Mainframes
10
Minicomputers
Microprocessors
1
?
0.1
1965
1970
1975
1980
1985
Year
1990
1995
2000
Previsões de Performance
(Resumo)
Performance de workstations (medidas
em Spec Marks) melhoram
aproximadamente 50% por ano
Melhoria em custo e performance
estimada em 70% ao ano
Desempenho vs. Preço
Perspectiva para
Processadores
 Análise comparativa
IBM POWER2
Workstation
Ano
1993
MIPS
> 200 MIPS
Linpack
140 MFLOPS
Custo
$120,000
Clock
71.5 MHz
Cache
256 KB
Memória
512 MB
Cray YMP
Supercomputador
1988
< 50 MIPS
160 MFLOPS
$1M ($1.6M in 1994$)
167 MHz
0.25 KB
256 MB
 Supercomputador de 1988 em servidor de 1993!
Qual a Origem desta
Performance?
Tecnologia?
Organização?
Instruction Set Architecture?
Software?
Alguma combinação dessas opções?
Projeções Tecnológicas
(Inovação Arquitetural)
1000
Supercomputers
100
Mainframes
10
Minicomputers
Microprocessors
1
CISC/RISC
0.1
1965
1970
1975
1980
1985
Year
1990
1995
2000
• Bit Level Parallelism
• Pipelining
• Caches
• Instruction Level
Parallelism
• Out-of-order Xeq
• Speculation
•...
E Além Disso?




Instruction level parallelism (ILP) maior?
Caches maiores?
Múltiplos processadores por chip?
Sistemas completos em um chip? (Portable Systems)
 LANs de alta performance, Interface, e Interconexão
Tecnologia de Hardware
1980
1990
Chips de mem. 64 K
4M
256 M-1 G
Velocidade
1-2
20-40
400-2000
Discos 5-1/4’’
40 M
1G
80 G
Floppies
0,256 M
1.5 M
500-2.000 M
LAN (Switch)
2-10 Mbits
Barramentos
2-20 Mbytes 40-400
10 (100)
2002
155-655 (ATM)
10 G (ethernet)
Custo de Circuitos Integrados
Custo die + Custo teste + Custo packing
Custo CI =
Aproveitamento após teste
Custo wafer
Custo die =
Dies / wafer * die yield
2
p * (Raio do wafer) - p * (Diâmetro do wafer)
Dies / wafer =
1/2
(2
*
Área
do
die)
Área do die
Custo de Circuitos Integrados
Exemplo: Qual o número de dies em um
wafer de 30cm, onde o tamanho do die é
0.7 cm x 0.7 cm?
2
Área do die = 0.49 cm
Dies / wafer =
p * (30/2) 2
0.49
p
*
(
30)
-
(2 * 0.49)1/2
= 1347
Número real é menor porque nem todos os circuitos
funcionarão
Rendimento do wafer
die yield
-a
die yield = wafer yield * (1 + defeitos / área * Área do die / a)
% dos wafers que
são completamente
ruins
0.4-0.8 em 2001
dependendo da maturidade
do processo
4 para CMOS
Rendimento do wafer
 Exemplo: Ache o die yield para dies de 0.7 cm e
1.0 cm, assumindo densidade de defeitos de 0.6
cm
2
-4
die yield (0.7 cm) = (1 + 0.6 * 0.49 / 4) = 0.75
die yield (1.0 cm) = (1 + 0.6 * 1.0 / 4)-4= 0.57
 Somente 1010 dies dos 1347 devem funcionar
Processadores Modernos
Área
Custo do
Microprocessador (mm2) Pinos Tecnologia wafer
Package
Alpha 21264C
115
524
CMOS,
0.18u, 6M
4,700.00
CLGA
Power3-II
163
1088
CMOS,
0.22u, 6M
4,000.00
SLC
Itanium
300
418
CMOS,
0.18u, 6M
4,900.00
PAC
MIPS R14000
204
527
CMOS,
0.25u, 4M
3,700.00
CPGA
UltraSPARC III
210
1368
CMOS,
0.15u, 6M
5,200.00
FC-LGA
Custo em um Sistema
Sistema
Subsistema
Gabinete
Placa do Processador Processador
DRAM (128Mb)
Vídeo
Suporte de I/O e rede
Subtotal
Dispositivos de I/O
Teclado e mouse
Monitor
Disco rígido (20 Gb)
Disco DVD
Subtotal
Software
OS + Office Suite
Fração do Total
6%
22%
5%
5%
5%
37%
3%
19%
9%
6%
37%
20%
Custos vs. Preço
 Custo dos componentes
(47%)
 Custos diretos
(10%)
 Garantia, defeitos, ...
 Margem bruta (custos indiretos) (19%)
 Manutenção, P&D, vendas, impostos, ...
 Preço final (desconto médio)
(25%)
 Desconto para compras em volume