Evolução das CPUs

EACH
Evolução das CPUs:
Dual e Quad Core

Cesar Sposito
Mário J. Filho
Rodrigo Ferrassa

... os computadores sequenciais estão se
aproximando do limite físico fundamental em
sua energia potencial computacional. Tal
limite é a velocidade da luz...
Angel L. DeCegama

EACH
Introdução – Limite: Pentium IV

Desafio: Aumento frequência de clock.

Corrida por clock (Intel X AMD).

Athlon Thunderbird X Pentium III.

Intel: Movimento arriscado.

Investimento em um processador com um
longo pipeline.

Pentium IV.

EACH
Pentium IV: longo pipeline

Pipeline é uma técnica de hardware que
permite que a CPU realize a busca de uma
ou mais instruções além da próxima a ser
executada.

Pentium III: 10 estágios.

Pentium IV: 20 estágios a 31 estágios.

Dobrar o número de estágios no
processador é como dobrar o número de
funcionários de uma empresa.

EACH
Longo pipeline: Consequencias

Com mais estágios, o processador seria
capaz de atingir freqüências mais altas.

Adicionar mais estágios tornou o
processador menos eficiente, pois as
instruções precisavam do dobro do número
de ciclos do processador para serem
processadas.

Possuir o dobro de estágios significa
também possuir aproximadamente o dobro
de transistores e consumir o dobro da
eletricidade.

EACH
Mais consumo – Maior aquecimento

Maior consumo gera maiores desperdícios.

Maior desperdicio gera maiores
aquecimentos.

A dissipação térmica (W/cm^2) de um
Pentium 4, é próximo do núcleo de um
reator nuclear.

Se a produção de processadores
continuasse da mesma forma, num futuro
não muito distante, teríamos um
processador com dissipação térmica
próxima a da superfície solar.

EACH
Aquecimento

Fonte: http://blogs.intel.com

EACH
A barreira dos 3.4 GHZ

Desde 1983 até 2002, as taxas de
frequência de clock aumentaram de 5 MHz
para 3 GHz.

Aumento do clock 600 X em 19 anos.

Na época, a Intel previa alcançar 5.2 GHz no
final de 2004 e planos para 10 GHz no final
de 2005.

Porém, nada disso aconteceu. Os 3.4 GHz
se tornaram uma barreira difícil de transpor.

Fim da Lei de Moore?

EACH
Hyper Treading: Inicio do
processamento paralelo

Hyper Treading: simula em um único
processador físico dois processadores
lógicos.

Pode melhorar desempenho de até 30%

Utiliza as partes ociosas dos recursos para
simular dois núcleos.

EACH
Evolução

Elevando, por exemplo, em 20% a
freqüência do processador, aumentamos
apenas em 13% o seu desempenho e como
efeito colateral, também passa a consumir
73% mais energia.

Recíproca verdadeira.

EACH
Estratégia

Reduzindo a freqüência em 20%, perdemos
apenas 13% de desempenho e reduzimos
em 49% o consumo de energia.

Se reduzíssemos em 20% o clock e
colocássemos dentro da mesma pastilha
dois processadores?

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Estratégia: Multiplos Núcleos

Teríamos um processador de dois núcleos
com 73% mais desempenho e consumindo
praticamente a mesma coisa (~2% mais
energia).

Processadores multicore podem
simultaneamente executar múltiplas tarefas
computacionais.

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Single-Core X Dual-Core


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Nova Arquitetura

“Caminhou bastante, porém para o lado e
não para a frente” (National Instruments).
NetBurst Core

Pentium D
Quad Core

Core 2 Duo
Pentium IV

Pentium III

EACH
Arquitetura Core

Somando-se a estratégia de lançar
processadores de múltiplos núcleos, a nova
arquitetura interna do processador também
foi importante.

Maior eficiência de execução de instruções
por ciclo de CPU.

Maior desempenho e menor consumo.

A arquitetura Core consegue desempenho
superior aos da microarquitetura Netburst
(anterior) com o clock muito inferior.

EACH
Arquitetura Core

Derivada do Pentium III – Pentium M.

Pipeline de 14 estágios.

Cache de memória L2 é compartilhado.

Pré-buscas são compartilhadas, se o
controlador de cache carregar um bloco de
dados para ser usado pelo primeiro núcleo,
o segundo núcleo também pode usar o dado
já carregado.

Aprimoramento da unidade de pré-busca do
processador (“Melhor Chute”).

EACH
Arquitetura Core

Quanto menor o número de instruções a
serem executadas, mais rápido o
computador realizará a execução da tarefa
além de consumir menos.

O decodificador de instruções do Pentium IV
pode decodificar três instruções por pulso de
clock, já o do Core 2 Duo (Arquitetura Core)
4.

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Arquitetura Core

Novo conceito: Fusão de instruções
load eax, [mem1]
cmp eax, [mem2]
jne target

load eax, [mem1]
cmp eax, [mem2] + jne target

Graças ao conceito de fusão de instruções o
decodificador de instruções da arquitetura
Core consegue fundir 2 instruçoes enviar 5
por pulso de clock.

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Arquitetura Core

E mais!

Unidade de ponto flutuante (FPU) e uma
unidade lógica e aritmética (ALU) extras.

Caminho de dados real de 128 bits.

Desambiguação de memória.

Chaveamento Elétrico Avançado.

Etc.

EACH
Quad Core
- É uma das versões de processadores da
Intel mais recente apresentada com
núcleos Kentsfield(65nm) e
Yorkfield(45nm).
- O clock pode alcançar até 3.33Ghz. Em
overclocking, com cooler de ar, até
4.0Ghz, e na água até 5Ghz.
- Exemplos: Core 2 Quad, Core 2
Extreme: quad-core, Quad-Core Xeon.

EACH
Quad Core
- Multi-Chip: Duas pastilhas de silício (1 núcleo em cada)
encapsuladas junto: Comunicação externa .
- Monolítica: Uma pastilha de silício integra 2 núcleos
encapsulados: Comunicação interna.
- Monolítica Multi-Chip: Duas pastilhas de silício (2 núcleos
em cada) encapsuladas: Comunicação interna e externa.

EACH
Aquecimento: Netburst X Core
Pentium D

Pentium Extreme Edition

EACH
Aquecimento: Netburst X Core
Core 2 Duo

Core 2 Extreme

Core 2 Quad

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Arquitetura Core – Processadores

Dual/Quad/Six Core Xeon

EACH
Arquitetura Core – Núcleos

EACH
AMD: Athlon 64 X2
• Primeiro processador com dois núcleos da AMD.
• Deriva do Athlon 64.

EACH
AMD: Phenom X3/X4

• Três ou Quatro núcleos independentes.
• Os núcleos se comunicam internamente
dentro da pastilha.
• Controlador de memória integrado.
• Tecnologia HT.

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Considerações Finais

Por 10 anos os aumentos de desempenho
vieram à custa do uso cada vez mais
ineficiente do uso de energia.

A partir de 2001, a taxa de crescimento de
desempenho pareceu ter reduzido. Se essa
diminuição será ou não temporária ainda é
uma questão obscura.

Arquitetos estão usando técnicas cada vez
mais complexas para tentar explorar mais
paralelismo a nível de instrução.
J L Hennessy e D A Patterson

EACH

Com essa estratégia em mente, os
fabricantes de processadores tem o desafio
de continuar entregando a melhor relação
desempenho/Watts.

A Intel propõem melhorar sempre, em um
ano a microarquitetura, no ano seguinte a
miniaturização, e assim por diante.

EACH


EACH

2007 a Intel lança os primeiros
processadores para servidores fabricados
com a tecnologia de 45nm.

2008 foi o ano do Nehalem, que foi o nome
código da nova microarquitetura, que
permitirá um outro passo importante, para
manter viva a Lei de Moore.

EACH

Processadores Futuros (Roadmaps)

Arquitetura Processador Clock Núcleos Processo Cache TDP Previsão
Intel
Nehalem Core i7 2,6 - 3,2 Ghz 4 por padrão 45nm 1 a 8mb 130W – 150W Novembro-08
Westmere - - 6 por padrão 32nm 1 a 12mb - 2009/2010
Sandy Bridge - - 4–8 32nm 8 a 24mb - 2010/2011
Haswell - - 8 por padrão 22nm - - 2012

AMD
Barcelona Opteron - 4 65nm 2mb - 2008
Shanguai Opteron/Phenom - 4 45nm 6mb - 2008/2009
Istambu Phenom - 6 45nm 6mb - 2009
Magny-Cours - - 12 45nm 12mb - 2010
São Paulo - - 6 45nm 6mb - 2010

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Bibliografia

J L Hennessy e D A Patterson

HENSON Valerie - The Kernel Hacker's
Bookshelf: Ultimate Physical Limits of
Computation

INTEL - http://www.intel.com/portugues/
products/ processor/index.htm

BLOGS INTEL - http://blogs.intel.com

FAPESP - http://www.agencia.fapesp.br

NATIONAL INSTRUMENTS -
http://digital.ni.com/worldwide/brazil

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Bibliografia


CLUBE DO HARDWARE -
http://www.clubedohardware.com.br/

PC FÓRUM - http://www.pcforum.com.br/

FÓRUM PC - http://forumpcs.ig.com.br/home

Vasconcelos, Laércio – Introdução aos
processadores dual core e quad core

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