Circuitos Digitales II y Circuitos Digitales II y Lab.Lab.

Introducción al CursoIntroducción al CursoSemana No.1Semana No.1

Semestre 2011- 2Semestre 2011- 2

Prof. Eugenio Duque PérezProf. Eugenio Duque Pérezeaduque@udea.edu.co

Prof. Gustavo Patiño A. (Prof. en comisión)Prof. Gustavo Patiño A. (Prof. en comisión)gpatino@udea.edu.co

Departamento de Ingeniería ElectrónicaDepartamento de Ingeniería Electrónica

Facultad de IngenieríaFacultad de Ingeniería

Temario

Jerarquía de un proyecto Niveles de abstracción Proceso de diseño Ley de Moore. Escalamiento Tecnológico. El problema de la complejidad. Componentes programables. Ejemplo de sistemas basados en procesador Qué es un computador ?

Los cinco componentes de cualquier computador. Tipos de computadores : Tendencias. Actuales desafíos para el arquitecto de computadores.

Velocidad. Relación costo-desempeño.

Ejemplos.

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Jerarquía de un proyecto

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Niveles de Abstracción: Carta Y

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Proceso de Diseño

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Design Process

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Structural Domain

Physical Domain

Boards, MCM

Transistor Layout

Cells, Modules

Chips, ASICs

Flowcharts, Algorithms

Register Transfers Boolean Expressions Transistor Functions

Processors, Mem, Buses Registers,

ALUs, MuXs,

Gates, Flip-Flops

Transistors

Synthesis

Implementation

Behavioral Domain

Ley de Moore

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Infelizmente las otras partes de los computadores (discos, memoria y el Bus) no acompañan esta evolución.

Gordon E. Moore Cofundador de Intel en 1968

Sólo cuatro años después del invento del circuito integrado CI, 1962, Moore dijo que:

“El número de transistores que la industria va a colocar en un circuito integrado se duplicará cada dos años”

En este momento la ley dice que es cada 18 meses !

El desempeño está directamente relacionado con el número de transistores en un CI (pero no únicamente!)

Escalamiento tecnológico

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Los dispositivos son cada vez más pequeños Más dispositivos dentro de un sólo chip.

La densidad de los chips se duplica cada tres años.

Dispositivos cada vez más rápidos.

Ejemplo: Microprocesadores Procesador 8080: 3500 transistores a 200KHz

(1975)

Pentium4 – 42M de transistores a 3GHz (2003)

El desempeño cambió de 0.06 MIPS a > 1000 MIPS

Más dispositivos dentro de un CI.

=> Más difícil de diseñar.

El problema de la Complejidad

La complejidad es el factor determinante en el diseño de los modernos chips. Dos problemas

Cómo hacer uso de todo el espacio ? Superdispositivos (uberappliance)

Teléfonos celulares, PDAs, Ipod, TV móvil, cámaras de video. Muchísimas aplicaciones para ser implementadas en lógica de hardware. Toma mucho tiempo acabar el diseño.

Cómo estar seguro de que su diseño funcionará ? Problema de verificación. Cómo resolver los errores ?

La única forma de sobrevivir a la complejidad Ocultar la complejidad en componentes de “propósito general” Reutilización componentes.

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Componentes programables: Procesadores Una antigua estrategia para resolver el problema de la

complejidad Construir un dispositivo genérico y “customizarlo” mediante el

uso de memoria. (un programa corriendo). La mejor manera de hacer esto, es con un procesador de

propósito general. La complejidad de los procesadores crece con la tecnología

No obstante, el software permanece el mismo C, c++, java…. Todos ellos corriendo sobre un Pentium 2, 3, 4 y

otros ….. Está bien para programas secuenciales.

Pero cada vez es más difícil hacerlo posible Los recientes desarrollos de hardware requieren cambios

profundos en los modelos de software. Procesadores multi-core.

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Qué es un computador ?

Depende un poco de qué tipo de computador tenemos en mente.

Probablemente la mayoría podríamos pensar en un PC.

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Qué es un computador ? (…cont) La verdad es un computador luce más como esto….

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Los cinco componentes de cualquier computador

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Qué es un computador ? (…cont) Cada sistema es diferente, pero generalmente

posee componentes similares. Debe tener:

Procesador, memoria. Interface con el mundo exterior (I/O).

Y generalmente puede tener: Memoria caché. Bus del sistema. Controlador de memoria. Bus de entrada y salida (I/O).

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Tendencias – Tipos de Computadores

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Diferentes mercados-diferentes énfasis Desktop Computing

Relación precio/desempeño Baja latencia de respuesta + desempeño gráfico Multimedia

Server Market Menor énfasis en el costo. Énfasis en la disponibilidad (tolerancia a fallos) y escalabilidad. Throughput : average rate of sucessful messages delibery over communication channel. Equivalent to digital bandwith

consumption. Sistemas embebidos

Bajo consumo de energía. Bajo costo (unidades limitadas de CPUs/memoria limitada) En la mayoría de los casos, orientados al tiempo-real.

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… existen muchos otros mercados…

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Qué nuevos tipos de procesadores (desktop/server) ? Procesadores multi-core

(p.e IBM POWER5).

Procesadores con Simultaneous

Multithreading (p.e Intel Xeon 3GHz)

Múltiples procesadores por chip (p.e Dual AMD Opteron)

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Cambios en la tecnología y en las aplicaciones llevan a cambios en la arquitectura

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Actuales desafíos para el arquitecto de computadores Costo Desempeño Tamaño Velocidad

Acceso a memoria Acceso a periféricos

Otros ?

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Velocidad: Problema de los buses Procesador

3 GHz Memoria

DDR 400 MHz Bus PCI

133 MB/s @ 33MHz Disco SATA/ATA150

150 MB/s (interface) Gigabit Ethernet

120MB/s

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Relación costo/eficiencia

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Costo de los Sistemas Digitales

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Qué determina el costo de los procesadores? Curva de aprendizaje Yield (rendimiento) R&D Proceso de fabricación Volumen del mercado Competición

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Proceso de fabricación de un CI

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Costo de los Circuitos Integrados

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Costo del chip como una función del tamaño

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Sacrificio costo-desempeño

El sacrificio El costo del chip es básicamente una función del área del die. Pero con dies más grandes, se obtienen más recursos para mejorar

el desempeño. El objetivo de un buen arquitecto

Encontrar el punto de inflexión de la curva costo-desempeño, o Obtener el máximo desempeño dada una restricción en el costo.

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Curva de precios de procesadores Intel

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Evaluación en el desempeño de los procesadores

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55% más rápidos/año

Curva de precios de DRAM

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The “access time gap”

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Otros factores que contribuyen al costo

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Resumen

Arquitectura de computadores: Diseño de sistemas eficientes dados los requisitos de

las aplicaciones y las capacidades/restricciones de la tecnología.

Aplicaciones Metodologías eficientes para resolver la complejidad

de las aplicaciones actuales y venideras. Costo y Desempeño

Dos importante métricas de la eficiencia de la mayoría de sistemas actuales.

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