Korszakváltás a processzorok fejlődésében

Az előadások a következő témára: "Korszakváltás a processzorok fejlődésében"— Előadás másolata:

1 Korszakváltás a processzorok fejlődésében
Sima Dezső 2012 őszi félév (verzió 3)

2 Áttekintés 1 Processzorok teljesítménye 2 A processzorok hatékonysága
3 A processzorok hatékonyságának stagnálása által kiváltott fejlődési főirányok 4 Az órafrekvencia erőteljes növelése 5 A Hatékonysági korlát 6 A disszipációs korlát 7 Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja 8 EPIC architektúrák/processzorok 9 Paradigmaváltás 2

3 Abszolút teljesítmény Relatív teljesítmény
1.1. Bevezetés (1) Abszolút teljesítmény Relatív teljesítmény Eredményesen végrehajtott utasítások száma/sec Egy benchmark programcsomag valamely referenciarendszeren és a vizsgált rendszeren mért futási időinek összevetése az alábbi értelmezéssel (mértani közép): Eredményesen végrehajtott műveletek száma/sec (SIMD) fc: Órafrekvencia IPC: Utasítások száma/ciklus Pl: SPECint92, SPECint_base2000 OPI: Műveletek száma/utasítás (Pa nehezen mérhető, alkalmazásfüggő)

4 1.1. Bevezetés (2) De mivel: 1.1. ábra: Programcsomag egyes programjainak futásidő arányai Forrás:

5 Általános célú alkalmazásokban:
1.1. Bevezetés (3) Általános célú alkalmazásokban: ahol: IPC : kibocsájtott utasítások száma ciklusonként η : eredményesen végrehajtott/kibocsájtott utasítások száma (spekulatív végrehajtás hatékonysága) 5

6 1.2. A processzor teljesítmények növekedése (1)
1.2. ábra: Az x86 alapú egymagos Intel processzorok FX-teljesítményének növekedése 6

7 1.2. A processzor teljesítmények növekedése (2)
3. 1.4. ábra: A fixpontos teljesítmények növekedése (általában - 2) Forrás: F. Labonte, www-vlsi.stanford.edu/group/chart/specInf2000.pdf

8 2. A processzorok hatékonysága
2.1. Bevezetés ? 8

9 2.2. A processzorok hatékonyságának növekedése (1)
2.1. ábra: Intel processzorok hatékonysága

10 2.2. A processzorok hatékonyságának növekedése (2)
2.2. ábra: Processzorok teljesítményének/hatékonyságának növekedése (általában) Forrás:J. Birnbaum, „Architecture at HP: Two decades of Innovation”, Microprocessor Forum, October 14, 1997.

11 2.3. A hatékonyság növelés hozzájárulása a teljesítmények növeléséhez (2. generációig)
? A második generációig az órafrekvencia és a hatékonyság növelése egyenlő arányban járultak hozzá a teljesítmény növeléséhez.

12 2.4. A hatékonyság növelés forrásai
Szóhossz növelése 8/16  32 bit (286  386DX) Időbeli párhuzamosság bevezetése, növelése 1. és 2. generációs futószalag processzorok (386DX, 486DX) Kibocsátási párhuzamosság bevezetése, növelése 1. és 2. generációs szuperskalárok (Pentium, Pentium Pro)

13 2.5. A hatékonyság növelésének korlátja (1)
2. generációs szuperskalárok (széles szuperskalárok) Feldolgozási szélesség 4 RISC utasítás/ciklus ~3 CISC utasítás/ciklus Forrás: Wall: Limits of ILP, WRL TN-15, Dec. 1990 2.3. ábra: A feldolgozás szélessége és az általános célú alkalmazásokban rejlő párhuzamosság mértéke a 2. generációs (széles) szuperskalárokban

14 2.5. A hatékonyság növelésének korlátja (2)
2.4. ábra: Processzorok hatékonyságának növekedése (általában)

15 2.5. A hatékonyság növelésének korlátja (3)
Általános célú alkalmazásokban: 2. generációs szuperskalárok szélessége már megközelíti rendelkezésre álló ILP mértékét Általános célú alkalmazásokban a 2. generációs (széles) szuperskalárokkal kezdődően a hatékonyság növelésének extenzív forrásai kimerültek

16 3. A processzor hatékonyság stagnálása által kiváltott fejlődési főirányok áttekintése
Az órafrekvencia erőteljes növelése EPIC architektúrák kifejlesztése (4. – 7. pontok) (8. pont) A fejlődés fővonala

17 4. Az órafrekvencia erőteljes növelése
4.1. Az órafrekvencia növelésének forrásai (1) Az órafrekvencia növelése A gyártási technológia vonalvastagságának csökkentése A futószalag fokozatok logikai hosszának csökkentése

18 4.1. Az órafrekvencia növelésének forrásai (2)
4.1. ábra: Az Intel gyártási technológiák fejlődése Forrás: D. Bhandarkar: „The Dawn of a New Era”, 11. EMEA, May, 2006.

19 4.1. Az órafrekvencia növelésének forrásai (3)
No of pipeline stages 40 P4 Prescott (~30) 30 * Pentium 4 (~20) Core Duo 20 * Conroe Pentium Pro Athlon-64 (12) (14) (~12) Athlon (6) Pentium * 10 * K6 (6) * (5) * * * Year 1990 1995 2000 2005 4.2 ábra: A futószalag fokozatok száma Intel és AMD processzorokban

20 4.1. Az órafrekvencia növelésének forrásai (4)
4.3. ábra: Futószalag fokozatok logikai hossza processzorokban (FO4) Forrás: F. Labonte www-vlsi.stanford.edu/group/chart/CycleFO4.pdf

21 4.2. Az órafrekvenciák növekedési üteme (1)
4.4. ábra: Az x86 alapú Intel processzorok órafrekvenciájának növekedése

22 4.2. Az órafrekvenciák növekedési üteme (2)
4.5. ábra: Az órafrekvenciák növekedési üteme (általában)

23 4.3. Az órafrekvencia erőteljes növelésének konzekvenciái
Áttekintés RISC processzorok kiszorulása (4.3.2) Fejlődési korlátok megjelenése (4.3.3)

24 4.3.2. RISC processzorok kiszorulása (1)
4.6. ábra: RISC processzorok kiszorulása

25 4.3.2. RISC processzorok kiszorulása (2)
: A CISC processzorok átvették a vezetést a teljesítmény versenyben, mivel magasabb órafrekvenciáról indulva (RISC) nem volt tartható az azonos iramú frekvencia növelés, mint alacsonyabb frekvencia értékről (CISC) 1997: Intel és HP bejelentették az IA-64/Merced architektúrát/processzorcsaládot, mint a jövendő új generációt A legtöbb RISC processzorcsalád fejlesztésének leállítása, mint pl. MIPS R családja, HP Alpha és PA családjai, illetve a PowerPC Consortium PowerPC családja

26 4.3.3. Fejlődési korlátok megjelenése
Hatékonysági korlát (5. pont) Disszipációs korlát (6. pont) Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (7. pont)

27 5. A Hatékonysági korlát 5.1. Áttekintés Alapvető ok:
A processzor és a memória közötti sebességolló (növekvő órafrekvenciákon tágul)

28 5.1. Áttekintés (2) A sebességolló konkrét megnyilvánulásai:
DRAM késleltetési ideje Memória átviteli rátája L2 cache tárak elérési ideje A processzor busz átviteli rátája

29 DRAMs with parallel bus connection DRAMs with serial bus connection
5.1 Áttelomtás (3) The scene of main memories 1 Used in the Cell BE and the PlayStation 3, but not yet in desktops or servers Ábra: Legfontosabb DRAM típusok DRAM (1970) FBDIMM (2006) DRDRAM (1999) DDR3 (2007) DDR2 (2004) DDR (2000) SDRAM (1996) FPM (1983) FP (~1974) XDR (2006)1 Year of intro. Asynchronous DRAMs Synchronous DRAMs DRAMs with parallel bus connection DRAMs with serial bus connection DRAMs for general use Main stream DRAM types Challenging DRAM types EDO (1995) Commodity DRAMs

30 5.2. A processzor és a memória közötti sebességolló (2)
Read latency1 (ns) 200 200 * 180 160 150 * 140 120 100 100 * 80 80 * * 80 70 * 60 60 60 * * 50 * * 40 40 50 * * 30 40 * 25 35 * * 20 30 * * * 24 22 81 82 83 84 85 86 87 88 89 1990 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2000 01 02 03 04 05 06 07 Year Desktop processor PC AT 386 DX 486 DX P PII PIII P4 Core2 Chipset 420TX 430LX 430FX 430VX 440ZX 8152 8202 850 845 8453 915 865 935 DRAM type DRAM DRAM DRAM DRAM FPM DRAM FPM FPM FPM EDO FPM EDO FPM SDRAM EDO SDRAM RDRAM SDRAM SDRAM DDR DDR DDR2 DDR2 DDR3 DDR2 RDRAM Typ. DRAM parts (bits) 16 K 64 K 64 K 64 K 256 K 256 K 256 K 4 M 4 M 16 M 64 M 128 M 64 M 256 M 256 M 512 M 512 M 128 K 128 K 1 M 1 M 1 M 16 M 16 M 64 M 128 M 256 M 128 M 512 M 512 M 1 G 1 G 256 K 4 M 64 M 256 M 256 M 1 G 1 G 2 G 512 M 1 Read latency of DRAM, FPM, EDO and BEDO parts = tRAC (Row access time (time from row address until data valid)) Read latency of SDRAM parts = CL + tRCD (Cslumn delay + Row to Cloumn delay) 2 The 815 chipset support SDRAM while the 820 RDRAM 3 A new revision of the 845 supports DDR instead of SDRAM 5.1b ábra: DRAM chipek késleltetési ideje

31 5.2. A processzor és a memória közötti sebességolló (3)
Memory latency ns 300 210 200 * 200 * RDRAM 160 * 155 * 135 140 * * 120 110 * 100 * 85 * 70 * 50 81 82 83 84 85 86 87 88 89 1990 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2000 01 02 03 04 05 06 07 08 Year Desktop PC AT 386 DX 486 DX P PPro PII PIII P4 Core2 processor (8088) (286) Chipset 420TX 430LX 430FX 430VX 440ZX 8152 8202 850 845 8453 915 865 835 DRAM type DRAM DRAM DRAM DRAM FPM DRAM FPM FPM FPM EDO FPM EDO FPM SDRAM EDO SDRAM RDRAM SDRAM SDRAM DDR DDR DDR2 DDR2 DDR3 DDR2 RDRAM Typ. DRAM parts (bits) 16 K 64 K 64 K 64 K 256 K 256 K 256 K 4 M 4 M 16 M 64 M 128 M 64 M 256 M 256 M 512 M 512 M 128 K 128 K 1 M 1 M 1 M 16 M 16 M 64 M 128 M 256 M 128 M 512 M 512 M 1 G 1 G 256 K 4 M 64 M 256 M 256 M 1 G 1 G 2 G 512 M 5.1c ábra: DRAM memóriák tipikus késleletetési ideje x86-os rendszerekben (ns)

32 5.2. A processzor és a memória közötti sebességolló (4)
Memory latency in proc. cycles 1000 500 240 280 300 220 * * * 200 180 RDRAM * 100 85 * 50 40 * 30 20 10 10 * 5 3 3 * 2 1 1 1 * * 81 82 83 84 85 86 87 88 89 1990 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2000 01 02 03 04 05 06 07 08 Year Desktop PC AT 386 DX 486 DX P PPro PII PIII P4 Core2 processor (8088) (286) Chipset 420TX 430LX 430FX 430VX 440ZX 8152 8202 850 845 8453 915 865 835 DRAM type DRAM DRAM DRAM DRAM FPM DRAM FPM FPM FPM EDO FPM EDO FPM SDRAM EDO SDRAM RDRAM SDRAM SDRAM DDR DDR DDR2 DDR2 DDR3 DDR2 RDRAM Typ. DRAM parts (bits) 16 K 64 K 64 K 64 K 256 K 256 K 256 K 4 M 4 M 16 M 64 M 128 M 64 M 256 M 256 M 512 M 512 M 128 K 128 K 1 M 1 M 1 M 16 M 16 M 64 M 128 M 256 M 128 M 512 M 512 M 1 G 1 G 256 K 4 M 64 M 256 M 256 M 1 G 1 G 2 G 512 M 5.1d ábra: DRAM memóriák tipikus késleletetési ideje x86-os rendszerekben (ciklusokban)

33 5.2. A processzor és a memória közötti sebességolló (5)
5.2. ábra: Memóriák relatív átviteli rátája (D: kétcsatornás)

34 5.2. A processzor és a memória közötti sebességolló (7)
5.4. ábra: A processzor busz relatív átviteli rátája

35 5.2. A processzor és a memória közötti sebességolló (6)
fc max at intro. (GHz) L2 size (Kbyte) L2 latency (clock cycles) Willamette 1.5 128 7 Northwood 2.0 512 16 Prescott 3.4 1024 23 5.3. ábra: L2 cache tárak elérési ideje

36 5.3. A 3. generációs szuperskalárok hatékonysága (1)
5.5. ábra: Intel Pentium III és Pentium 4 processzorainak hatékonysága fixpontos feldolgozás esetén

37 5.3. A 3. generációs szuperskalárok hatékonysága (2)
5.6. ábra: AMD Athlon, Athlon XP és Athlon 64 processzorainak hatékonysága fixpontos feldolgozás esetén

38 5.3. A 3. generációs szuperskalárok hatékonysága (3)
5.7. ábra: A fejlett szuperskalárok hatékonyságát megszabó legfontosabb tényezők

39 5.3. A 3. generációs szuperskalárok hatékonysága (4)
5.8. ábra: Intel és AMD processzorok hatékonyságának összehasonlítása

40 5.3. A 3. generációs szuperskalárok hatékonysága (5)
5.9. ábra: Intel és AMD processzorok tervezési filozófiájának összehasonlítása

41 3. hét (2012.09.26.) ismétlés Miért gyorsabb a risc valójában?
-Alaptétel: RISC=load/store architektúra Van a 3 fő rész: proci, regisztertér, memória. Proci behozza az adatokat regisztertérbe, játszik velük, regiszterből regiszterbe, ha nincs hely vissza a memóriába. Ha a feldolgozás a regisztertérben történik, akkor az tasítások azonos hosszúak lehetnek, emiatt gyors, míg a CISCnél változó hossz. (4.6 ábrát mutatta ezalatt)

42 Haékonysági korlát (mikroarchitektúra korlátja: gyors proci, lassú memória) → megoldás többmagos procik Disszioációs korlát -> disszipáció előtérbe kerül Párhuzamos buszok nagy frekvenciálán fellépő problémák ->átállás soros buszokra Memória 3 alapparamétere: sávszélesség, hozzáférési idő, kapacitás. Első 2-t vizsgáltuk korábban.

43 Táblára rajzolt Fokozatok ... P 2000 1990 1980 102 104 IPC 2000 1990
101 102 10szeres növekedés / 10 év Töréspont??? 100szoros növekedés / 10 év frekvencia Fokozatok 2000 1990 1980 101 102 103 101 / 10 év 102 / 10 év ... FF clock adat puffer logika FO4 Fizikai hossz csökkentésével az az idő is csökken míg a jel átér. Jelnek van sebessége (2/3 fényseb.), simán s=v/t-ből következik.

44 5.3. A 3. generációs szuperskalárok hatékonysága (6)
A processzorok hatékonysági korlátjának konzekvenciája: Növekvő órafrekvenciákon egyre csökkenő teljesítménytöbblet

45 6. A disszipációs korlát (1)
Disszipáció (D) : Dinamikus Statikus Dd=A*C*V2*fc Ds=V*Ileak ahol: A: aktív kapuk részaránya (füzetben K) C: a kapuk összesített kapacitása V: tápfeszültség (füzetben U) fc: órafrekvencia Ileak: szivárgási áram

46 Q=U*C Q=U*C=I*𝛥t U*C=I*1/2fc I=2*C*U*fc Dd=U*2CUfc=2*U2*C*fc
Disszipáció levezetése fontos! Vizsgán és ÁV-n is kell. IC mint egy nagy kapacitás (kivülrők), ezt kell föltölten egy U árammal. Vagyis Q töltés belepumpálása a kapacitásba. A Q töltésről tudjuk, hogy egyenlő a feszültség (U) és a kapacitás (C) szorzatával. Q=U*C Továbbá egyenló az áram (I) és az időváltozás (𝛥t) szorzatával is. Q=U*C=I*𝛥t Az időváltozást (𝛥t) pedig ki lehet fejezni a frekvenciával. 𝛥t=1/2fc Ezt belehelyettesítve a pirossal kiemelt képletbe: U*C=I*1/2fc Majd kifejezve belőle I-t (osztok I-vel, majd reciprok és szorzok U*C-vel): I=2*C*U*fc Ezt behelyettesítve a dinamikus disszipáció képletébe: Dd=U*2CUfc=2*U2*C*fc 𝛥t „négyszögjel”

47 Ds=U*Ileakage A statikus disszipáció jóval egyszerűbb:
Vagyis a feszültség és a szivárgási áram szorzata.

48 6. A disszipációs korlát (2)
6.2. ábra: Intel processzorok fajlagos disszipációja

49 6. A disszipációs korlát (2b)
A disszipáció növekedés problémájának felismerése (ISSCC 2001, Gelsinger P. Intel)

50 6. A disszipációs korlát (1b)
A tápfeszűltség skálázása a gyártási technológiával Forrás: Gelsinger P. IDF, June

51 6. A disszipációs korlát (3)
6.3. ábra: Intel és AMD processzorok

52 6. A disszipációs korlát (4)
6.4. ábra: Intel P4 processzorcsaládja (Netburst architektúra)

53 6. A disszipációs korlát (5)
6.5. ábra: A fajlagos disszipáció értékének növekedése (általában) Forrás: R Hetherington, „The UltraSPARC T1 Processor” White Paper, Sun Inc., 2005

54 6. A disszipációs korlát (6)
6.1 ábra: A dinamikus és a statikus disszipáció növekedési trendje Forrás: N. S. Kim et al., „Leakage Current: Moore’s Law Meets Static Power”, Computer, Dec. 2003, pp

55 6. A disszipációs korlát (7)
6.6. ábra: A Penryn processzor tranzisztorainak felépítése (1) Kapcsolási sebesség: 120 % Szivárgási áram: %

56 6. A disszipációs korlát (8)
Source:[5] 6.7. ábra: A Penryn processzor tranzisztorainak felépítése (2)

57 6. A disszipációs korlát (9)
A disszipációs korlát konzekvenciái: Az órafrekvencia növelésén alapuló fejlesztési irány háttérbe szorulása A processzorok tervezésében a disszipáció csökkentő technikák előtérbe kerülése

58 6. A disszipációs korlát (10)
Intel processzor tervezési filozófiájának változása 6.8 ábra: Intel 2006-ban nyilvánosságra hozott utiterve, mely megadta a gyártási technológiák fejlesztési ütemét és a tervezett új processzor architektúrák kibocsátásának idejét [74]

59 6. A disszipációs korlát (11)
A számítási hatékonyság növekedése

60 6. A disszipációs korlát (12)
A számítási hatékonyság növekedése (PC-k)

61 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (1)
Az adatbeolvasás mechanizmusa a buszok vevőoldalán A vevő az órajellel vezérelten bekapuzza az adat jelet. Az adat helyes bekapuzásának időbeli és feszültségszint feltételei vannak. Az időbeli feltételeket az adat érvényes ablak (Data Valid Window, DVW) írja le, a feszültségszint feltételeket egy minimálisan elvárt H szint (VHmin) és egy maximálisan lehetséges L szint (VLmax) definiálja. V VH VHmin Forbidden V area Data VLmax VL t DVW DVW: Min. idő, amig a jelnek érvényesnek kell lennie Óra (adat bekapuzáshoz)

62 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (2)
Az adat érvényes ablak (DVW) értelmezése A DVW az a minimális időintervallum, melyben az adat-jelnek (mely vagy H vagy L szintű) érvényesnek kell maradnia, mégpedig egyrészt az adat-jelnek már kellő időben az órajel jel megérkezése előtt (tS) érvényesnek kell lennie és másrészt pedig az adat-jelnek az órajelet követően még egy előírt ideig (tH) érvényesnek kell maradnia annak érdekében, hogy a vevőáramkör az adat-bitet helyesen kapuzza be. Data CK tS tH Min. DVW ts: setup time tH: hold time 7.1 Ábra: Az adat érvényes ablak (DVW) értelmezése ideális jel esetén

63 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (3)
A szem diagram (Eye diagram) nagyszámú H szintű illetve L szintű adatjel egymásra irásával előállított kép. Az elvárt adat-beolvasási követelmények teljesülésének az ellenőrzésére szolgál. DVW min max DVW 7.2 Ábra: Egy valós adat-jel szem diagramja az elvárt adat érvényes ablak és az elvárt jelszintek (VIHmin, VILmax) megadásával

64 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (4)
Az adatbeolvasás tolerancia sávjait csökkentő (zavaró) elektromos jelenségek Elektromos jelenségek, elsődlegesen a skew vonal lezárási illesztettlenségek miatt fellépő jel-visszaverődések (reflections) jitter csökkentik az adat-beolvasás tolerancia sávjait, és ezáltal behatárolják a buszok adatátviteli sebességét.

65 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (5)
Skew (általában) A jelek fel- illetve lefutó élei közötti időkülönbség, mely kétféleképpen értelmezhető. A skew értelmezése egyazon jelre (pl. egy adott órajelre) mely egy chip vagy egy NYÁK különböző pontjain hat. 7.3 Ábra: Egy chip vagy egy NYÁK különböző pontjain ható órajel élei között megjelenő futási idő különbségek (skew)

66 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (6)
b) A skew értelmezése egy párhuzamos busz különböző bit-vezetékei között, egy adott helyen. 7.4. ábra: Párhuzamos buszok bit-vezetékei között megjelenő futási idő különbségek (skew)

67 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (7)
A párhuzamos buszok egyes bitvezetékei között megjelenő skew előidéző okai (elsődlegesen) a) Párhuzamos buszok egyes bit-vezetékeinek eltérő hosszai NYÁK lapokon. Adott jelterjedési sebesség (time of flight) mellett, melynek értéke kb. 170 ps/inch) [8], ill. kb. 60 ps/cm, a hosszeltérések él-eltolódásokhoz vezetnek. A hossz-különbségeket a tervezők NYÁK lapokon (pl. alaplapokon) bizonyos mértékben kiegyenlítik.

68 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (8)
7.5. ábra: A futási idő különbségek (skew) kiegyenlítése az MSI 915 G Combo alaplapon

69 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (9)
b) NYÁK vezetékek kapacitív terhelése miatt fellépő skew (kb. 50 ps per pF). CK-1 CK-2 Skew Ábra: Jelvezetékek kapacitív terhelése miatt fellépő skew [8]

70 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (10)
Visszaverődések (reflections) A GHz tartományban a NYÁK-okon (pl. az alaplapokon) kialakított rézvezetékek tápvezetékként működnek (transmission lines). Annak érdekében, hogy a tápvezetékeken ne álljanak elő visszaverődések a tápvezetékeket a hullám impedanciájukkal (charactristic impedance) (Z0) kell lezárni, mely kb Ω alaplapon illetve DIMM kártyán kialakított rézvezetékek esetén. Z0 Ha tápvonalat nem a hullám impedanciájával zárjuk le vagy a tápvonalon inhomogenitások vannak, visszaverődések keletkeznek, melyek csőkkentik az adat-beolvasásnál rendelkezésre álló tolerancia sávokat.

71 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (11)
Példa visszaverődésekre 7.6 Ábra: Egy szem diagramon látható visszaverődések, melyek a tápvonal lezárás illesztetlensége miatt keletkeztek

72 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (12)
Példa inhomogenitásokra a mem. vezérlőt és a DRAM chipeket összekötő adatút esetén DIMM kártyák Az adatút egyes pontjain inhomogenitások jelentkeznek. Memória vezérlő (MCH) Alaplapon kiképzett vezetékek 7.7 Ábra: A memória vezérlőt és a DIMM kártyákon elhelyezett DRAM chipeket összekötő vezetékeken fellépő inhomogenitások ([6] alapján)

73 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (13)
Jitter (fázis bizonytalanság) Jelentése: fázisbizonytalanság, mely a jelek felfutó és lefutó éleit elmossa. A jitter sztohasztikus jellegű. 7.8 Ábra: Jelek felfutó illetve lefutó élein jelentkező jitter A jitter főbb forrásai Áthallás (crosstalk), melyet a szomszédos vezetékek közötti csatolás okoz a NYÁK-on, ISI (Inter-Symbol Interference) akkor áll elő, ha busz magasabb frekvencián működik minthogy azon a jelek le tudnának csengeni, EMI (Electromagnetic Interference) melyet külső vagy belső forrásokból származó elektromágneses sugárzás okoz. A jitter leszűkíti az adatok beolvasásánál rendelkezésre álló tolerancia sávokat mind a DVW, mind a jelszintek tekintetében.

74 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (14)
A fellépő elektromos zavaró jelenségek (skew, visszaverődések, jitter, stb.) következményei A vevő oldalon csökkentik a jelek beolvasásának tolerancia sávjait, és ezáltal bekorlátozzák párhuzamos buszok átviteli sebességét. Megjegyzés A tárgyalt elektromos zavaró jelenségek egyúttal bekorlátozzák az egy memória csatornára csatlakoztatható DIMM-ek számát is. Pl. hagyományos rendszerarchitektúrákban, melyekben a memória csatornák az MCH-ra (északi híd) csatlakoznak, DDR2 vagy DDR3 memóriák esetén két DIMM-re.

75 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (15)
Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja által kiváltott trend: Soros buszok használata 7.9. ábra: Jelátvitel soros buszon

76 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (16)
Példák “gyors” soros buszokra: PCI-e SATA SAS HT (HyperTransport bus) QPI (Quick Path Interconnect bus) Soros buszok bevezetése lassú periféria buszok esetén is (költségokokból!): USB USB2

77 7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (17)
A soros buszok használata nagyban leegyszerűsíti az alaplapok tervezését is 7.10 Ábra: Vezeték összeköttetések alaplapon párhuzamos és soros memória busz esetén Forrás: Vogt, IDF Spring 2004

78 A fejlődési korlátok felerősödésének konzekvenciája
Az órafrekvenciák növelésén alapuló fejlődési főirány hatékonysági, disszipációs és skew korlátokba ütközik és tovább már nem követhető

79 4. hét (2012.10.03.) Ismétlés miatt beiktatott dia
Processzorban aktív és alvó (passzív) tranyók vannak → din/stat disszipáció. Dinamikus disszipáció a föltöltésből adódik. 54.dia (6.1 kép) nagyon tessék megérteni! 4-6 nagyságrenddel a dinamikus alatt volt a statikus, majd exponenciálisan megemelkedett es évek elejére beérte a dinamikust. A szigetelő volt a rossz, az volt a probléma → jobb szigetelő kell. Szigetelő réteg Si helyett magas-k... és fém kapu (gate) is bevezetésre került. Fejlesztési filozófia megváltozott, nem a teljesítmény volt a döntő, 2003-tól teljesítmény/disszipáció típusú termelési módra.

80 Párhuzamos buszok prblémája. Tiltott terület → szem ábra
Ha az ablak nem érinti a tiltott zónát, akkor minden rendben van. Freki növelésével az ablak nem változik, de csökken a rendelkezésre álló idő, ergó az ablak kezd összehúzódni. Addig lehet növelni a frekvenciát, amíg a kellő biztonsággal látható, hogy megarad az ablak. 64. dia skew: futásidők különbségéből adódik jitter: él szochasztikus mozgását jelenti??? Át kell térni a soros rendszerekre, 1) földszimmetrikus 2) feszültségreferenciált rendszerek (a jel egy pontjához képest 0,5V) 3) differenciál legjobb: 2 jelvezeték és ?ezek különsége a jel, így ha torzító hatás éri, mindkettőt éri és a különbség nem változik. Soros buszok taroltak a gyors rendszerek körében. 2004 PCIe, uralja a világot HT-AMD, QPI-Intel

81 8. EPIC architektúrák/processzorok (1)
Az órafrekvencia erőteljes növelése EPIC architektúrák kifejlesztése (4. – 7. pontok) (8. pont) A fejlődés fővonala

82 Nincs ilyen diám, mint amit kivetített ide, és a netes módosított verzióban sincs itt új dia...
Megjegyzés hozzá: Hatékonyság = IPC görbe

83 8. EPIC architektúrák/processzorok (2)
Szuperskalár feldolgozás elve F E dinamikus függőség kezelés Processzor függő utasítások utasítások VLIW feldolgozás elve F E VLIW: Very Large Instruction Word független utasítások (statikus függőség kezelés) Processzor 8.1. ábra: VLIW processzorok működési elve

84 8. EPIC architektúrák/processzorok (3)
VLIW EPIC EPIC: Explicitly Parallel Instruction Computer Továbbfejlesztett VLIW (fejlett szuperskalár vonások integrálása) elágazásbecslés explicit cache utasítások 1994: Intel, HP 1997:EPIC elnevezés 2001: IA-64  Itanium

85 8. EPIC architektúrák/processzorok (4)
Tukwila (2/2010) 8.2. ábra: Itanium alapú magok áttekintése

86 8. EPIC architektúrák/processzorok (5)
8.3. ábra: Itanium processzorok hatékonysága

87 8. EPIC architektúrák/processzorok (6)
8.4. ábra: Az IA-64 architektúra elterjedésével kapcsolatos várakozások Forrás: L. Gwennap: Intel’s Itanium and IA-64: Technology and Market Forecast, MDR, 2000

88 8. EPIC architektúrák/processzorok (7)
8.5. ábra: Az Itanium processzorok értékesítési elvárásainak módosulása

89 8. EPIC architektúrák/processzorok (8)
Általános célú alkalmazásokban az EPIC architektúrák/processzorok kiszorulása

90 Egymagos szuperskalárok
9. Paradigmaváltás (1) Általános célú alkalmazásokban a 2. generációs szuperskalárok megjelenésével a processzorok hatékonysága stagnálni kezdett, ez két fejlesztési főirányt váltott ki, de mindkét megközelítés korlátokba ütközött Egymagos szuperskalárok - egy korszak alkonya

91 9. Paradigmaváltás (2) A rendelkezésre álló hardver komplexitás továbbra is exponenciálisan nő (Moore törvénye) Jelenleg a tranzisztorszám ~ 24 havonta duplázódik Paradigmaváltás a processzorok fejlesztésében A többmagos (többszálas) processzorok korszakába léptunk A magok várható duplázódási ideje is közelítőleg ~ 24 hónap

92 9. Paradigmaváltás (3) 9.1. ábra:Többmagos processzorok robbanásszerű elterjedése az Intel processzorok példáján

93 Further slides [74]: Razin A., Core, Nehalem, Gesher. Intel: New Architecture Every Two Years, Xbit Laboratories, 04/28/2006,

94 1.2. A processzor teljesítmények növekedése (2)
1.3. ábra: A fixpontos teljesítmények növekedése (általában - 1) Forrás: X86-64 Technology White Paper, AMD Inc., Sunnyvale, CA, 2000 94