PV109: Historie a vývojové trendy ve VT Vývojové trendy Luděk Matýska Fakulta informatiky Masarykovy univerzity podzim 2014 Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 1/46 • Procesory • Operační paměti • Internet • Superpočítače Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy v • Pojem procesor je používán v počítačovém průmyslu již od 60. let 20. století • „Mozek počítače" • Zpracování sledu instrukcí programu • Provádí aritmetické a logické operace spolu s operacemi vstupu a výstupu Zdroj: http://intel.com Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 3/46 • Instrukce - posloupnost bitů reprezentujících příkaz pro provedení jedné atomické operace • Program - posloupnost instrukcí • Takt procesoru - frekvence krystalového oscilátoru • Délka slova - vyjadřuje počet bitů, který je procesor schopen zpracovat v jednom kroku • Počet tranzistorů - udává, kolik tranzistorů je na procesoru; míra složitosti procesoru • Výrobní technologie - značí zpravidla velikost nejmenší součástky, kterou je možné vyrobit; jednotky fim, nm Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 4/46 • Autorem je Gordon Moore, spoluzakladatel a bývalý ředitel Intel Corp. • „Počet tranzistorů, které mohou být umístěny na integrovaný okruh se při zachování stejné ceny zhruba každých 18 měsíců zdvojnásobí". • Jedná se spíše o empirické pravidlo, vyslovené roku 1965. • Předpokládá se, že tento trend bude pokračovat minimálně do roku 2015, možná i déle. • Další parametry korespondující s Mooreovým zákonem: výkon procesoru, kapacita pamětí, počet a velikost pixelů v digitálních fotoaparátech, . .. Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 5/46 Zdroj: http: //cmg. org Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT I podzim 2014 6 / 46 • První jednočipový mikroprocesor • Uveden 15. listopadu 1971 • Frekvence 740 kHz, 0,07 MIPS • Instrukční sada čítala 46 instrukcí • 2300 tranzistorů vyrobených 10/xm technologií • Adresovatelná paměť 640 bytů • Šířka sběrnice 4b (multiplex adresová/datová kvůli malému počtu pinů) • Původně určená pro kalkulátor Busicom 141-PF Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 7/46 • Uveden 1. dubna 1972 • První 8bitový procesor • Frekvence 800 kHz • Instrukční sada čítala 48 instrukcí • 3500 tranzistorů vyrobených 10/xm technologií • Adresovatelná paměť 16 KB • Určen pro mikropočítač Datapoint 2200 Zdroj: http://old-computers.com Zd roj: http://history-computer.com Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 8/46 • 8bitový procesor představený v roce 1974 • Snadnější integrace než u Intel 8080 -nevyžadoval další podpůrné čipy na základní desce • 16bitová adresová sběrnice, 8bitová (obousměrná) datová sběrnice • Instrukční sada čítala 72 instrukcí • Frekvence 1 MHz, poslední generace až 2 MHz • Uplatnění vedle osobních počítačů (např. SWTPC 6800, Tektronix 4051) také v průmyslu Zdroj: http://en.wikipedia.org Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 9/46 • Uveden 8. června 1978, první procesor architektury x86 • Frekvence 4,77 - 10 MHz • 16bitová datová sběrnice, 20bitová adresová • 29 000 tranzistorů vyrobených 3/xm technologií • Adresovatelná paměť až 1 MB • Používán v přenosných počítačích (např. Compaq Portable) a v IBM PS/2 Zdroj: http://old-computers.com Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 10 / 46 • Uveden 1. června 1979 • Zpětně kompatibilní s 8086 • Vnitřně 16bitová architektura, navenek pouze 8bitová sběrnice • 20bitová adresová sběrnice (stejně jako 8088) • Velmi úspěšný, zejména kvůli IBM-PC http://micro.magnet.fsu.edu Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 11 / 46 • 32bitový CISC mikroprocesor uvedený v roce 1979 • Takt procesoru postupně 4-16,67 MHz • Vnitřní 32bitová adresová sběrnice, vnější 16bitová • Umožňoval adresovat až 16 MB paměti • Používán ve víceuživatelských mikropočítačích (např. HP9000, systémy SUN Microsystems), po snížení cen ve 2. polovině 80. let i v osobních počítačích (např. Apple Macintosh, Commodore Amiga) • Architektura se používá při návrhu nových procesorů dodnes Zdroj: http : //www.hacking-cult. org/ Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 12 / 46 • Uveden 17. října 1985 • Taktovací frekvence 16 - 33 M Hz • Plně 32bitový procesor (datová i adresová sběrnice) • Adresovatelná paměť až 4 GB • Virtuální paměť 64 TB • 275 000 tranzistorů (1/xm technologie) • Zpětně kompatibilní s x86 (16bit) • Různé varianty: Í386 SX/CX/DX/SL Zdroj: http://pipux.net Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 13 / 46 • Scalable Processor ARChitecture • 32bitová RISC architektura navržená firmou Sun Microsystems, uvedená v roce 1986 • V následujících letech se dočkala několika revizí • Takt procesoru 14,28 - 40 MHz, výrobní technologie 1,3/xm, • Až 128 KB LI cache • Výkon 10 MIPS, resp. 1,6 MFLOPS • Vzniklo několik open source implementací SPARC • Koncept dopředně binární kompatibility Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 14 / 46 • Performance Optimization With Enhanced RISC • Více-čipový procesor vyvinutý v IBM a uveden v roce 1990 • Procesory s frekvencí 20, 25 nebo 30 MHz o Modulární návrh • ICU - instruction cache unit • FXU - fixed-point unit • FPU - floating-point unit • DCU - data-cache unit (několik) o SCU - storage-control unit • I/O unit • Určen primárně pro servery a výkonné pracovní stanice • 5. generace procesorů Intel (P5), uveden 22. 3. 1993 • Označení názvem kvůli patentům (nelze patentovat číslo) • Frekvence 60-66 MHz, 16 KB LI cache • 64bitová datová a 32bitová adresová sběrnice • 4 GB adresovatelné paměti, až 64 TB virtuální • 3,1 milionu tranzistorů vyrobených 0,8/xm technologií • Superskalární architektura Zdroj: http: //computerhistory. org • PGA pouzdro (Pin Grid Array), 273 pinu Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 16 / 46 • Uveden 8. ledna 1997 • Frekvence sběrnice 66 MHz, 32 KB LI cache • 296/321pinové PGA pouzdro o 4,5 milionu tranzistorů (0,35/xm) • Podpora pro multimédia Intel MMX - SIMD instrukční sada Zdroj: http://it.wikipedia.org Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 17 / 46 o První x86 procesor vyvinutý zcela v AMD • Hlavní konkurent procesorové řadě Intel Pentium • Představen se zpožděním v roce 1995 • Takt procesoru 75 - 133 M Hz • 4,3 milionu tranzistorů • 5 celočíselných jednotek, 1 pro práci s čísly s pohyblivou desetinnou čárkou • Označení PR (Pentium Rate) pro srovnání s procesory Pentium (např. AMD K5 PR166 běžel na frekvenci 116 MHz) Zdroj: http://pipux.net Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 18 / 46 • Představen v roce 1995 • Procesor implementuje architekturu SPARC V9 • Takt procesoru 143-200 MHz • 3,8 milionu tranzistorů, 0,47/xm technologie • Superskalární procesor s in-order vykonáváním instrukcí • 2xLl cache o velikosti 16 KB • Volitelná L2 cache 512 KB - 4 MB • Další procesor architektury SPARC V9 -Fujitsu SPARC64 Zdroj: http://en.wikipedia.org Zdroj: http: //theregister. co .uk Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy v o Pentium Pro (1995) • Pentium II (1997) • Pentium II Xeon (1998) - serverová řada • Pentium III (1999) • Zavedení L2 cache (512 KB) • Takt procesoru až 600 MHz • Internet Streaming SIMD instrukce • 9,5 milionu tranzistorů (0,25/im) Zdroj http://intol.con Zdroj: http: //www.tayloredge.com/museum/ Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 20 / 46 • PowerPC (1993) • Upravená RISC architektura, vyvinut ve spolupráci s Apple a Motorola • Určen pro osobní počítače, 32bitová architektura později rozšířená na 64bitovou • POWER3 (1998) • Plně 64bitový procesor • 15 milionů tranzistorů, zdvojená LI cache navýšena na 64 KB 9 POWER5 (2004) • Dvoujádrový procesor s podporou SMT (2 vlákna/jádro) • Současná verze POWER7 Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 21 / 46 P0WER4 Core POWERS Core Zdroj: http: //ibm. com Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 22 / 46 • 2000-2008 - procesory Intel Pentium 4 • Takt procesoru až 3,8 GHz, L2 cache až 512 KB • Instrukce SSE2 SI M D o 42 milionu tranzistoru (0,18 fim) • 2004: Prechod na 64bitovou architekturu (x86->x86-64) Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy v Intel Pentium 5 Prescoti • Jádro AMD K8 • Athlon 64 X2 (2005) - první dvoujádrový 64bitový, plně x86 kompatibilní procesor firmy AMD určený pro osobní počítače • Další větve - Opteron (serverové), Athlon 64 FX • Jádro AMD K10 • Jádro bylo představeno v roce 2007 • Vychází Z AMD K8 AMD Opteron (jádro Istanbul) • Hlavní Zástupci - AMD Zdr°j: "WM~-generation-gpu.fr Opteron, AMD Phenom Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 26 / 46 • Dvě produktové řady • Core 2 - Core 2 Duo, Core 2 Quad, Core 2 Extreme • Core i - Core i3, Core i5, core i7, Core i7 Extreme • Čistě 64bitová architektura • SSSE3 SIMD instrukce (4. generace) • 2a více jader v jednom pouzdře procesoru • Další zvětšování L2 paměti - 2-12 MB • LGA pouzdro (Land Grid Array) - piny jsou v patici na základní desce PGA vs. LGA - Zdroj: http: //pcstats . com Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 27 / 46 Hyper-Threading • Vylepšení paralelizace pomocí virtualizace • Každé fyzické jádro je reprezentováno v OS jako dvě virtuální • Jedno jádro tak může zpracovávat dvě vlákna zároveň Turbo-Boost • Dynamické zvýšení výkonu na žádost (tzv. dynamické přetaktování) • Při běžné práci procesor běží na nižší výkon (úspora energie) • Implementováno v procesorech Nehalem, Sandy-Bridge a Ivy-Bridge Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 29 / 46 • Takt procesoru stagnuje kolem 4 GHz • Výrobní technologie 32 nm umožňuje uspořit prostor i výkon • Zavádění L3 cache; až 12 MB • Až 16 jader na jednom čipu (AMD Opteron 6200) 9 Řadič pamětí integrován na čipu • Budoucnost - manycore architektury (x 100-1000 jader), např. Intel MIC 1 1 Intel Many Integrated Core Architecture Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT I podzim 2014 30 / 46 9 od 80. let - vývoj grafických akcelerátorů, motivováno herním průmyslem • 90. léta - DirectX, minimální možnosti programování; 3dfx VooDoo, Nvidia GeForce 256 • 2000-2006 - OpenGL, programování vertex/pixel shader jednotek (jazyk Cg: operace v plovoucí čárce, smyčky), položeny základy pro GPGPU; ATI Radeon 9700, Nvidia GeForce 3 • od 2007 - CUDA, OpenCL, období GP-GPU 2 - SIMT model, desítky m u Iti procesorů (=x 1000 jader); řada GeForce 8 = první GP-GPU karty. • Další vývoj - kombinace CPU a GPU = hybridní procesory, výzva = efektivní algoritmy 2General Purpose Computing on GPU Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT I podzim 2014 31 / 46 • Hlavními parametry operačních pamětí jsou • propustnost (maximalizace) • pracovní frekvence (maximalizace) • kapacita (zvyšování) • přístupová doba (snižování) • napájecí napětí • Synchronní vs. asynchronní paměti • ECC vs. non-ECC paměti (Error-correcting code) • JEDEC SSTA - organizace schvalující technologické standardy, mj. právě v oblasti operačních pamětí Luděk Matýska (Fl MU) TT Zdroj: http://encycloped.ia2. thefreedictionary.com/ PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • FPM - Fast Page Mode DRAM (1987) • asynchronní paměť • přístupová doba 60-80 ns • EDO - Enhanced Data output DRAM (1995) • též označována jako Hyper Page Mode DRAM • asi o 5% rychlejší než FPM, přístupová doba cca 60 ns • kapacita modulu až 32 MB • SDRAM - Synchronized Dynamic Random Access Memory (1996) • synchronní paměť (pracuje synchronně podle externího taktu) • kapacita 64-512 MB, frekvence sběrnice 66-133 MHz • RDRAM - Direct Rambus DRAM (1999) • vysoká propustnost (až 10 GB/s) za cenu vyšších latencí • postupně vytlačeny DDR pamětmi Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 33 / 46 • DDR - Double Data Rate SDRAM (2000) • efektivní pracovní frekvence až 400 M Hz • propustnost až 32 GB/s • kapacita modulu 64 MB až 2 GB • 2bit prefetch • DDR2 SDRAM • efektivní pracovní frekvence až 800 MHz • propustnost 3,2-6,4 GB/s • 4bit prefetch • kapacita modulu 128 MB až 8 GB • DDR3 SDRAM • zvýšení rychlosti pamětí (až 2 GHz) • GDDR3/4/5 - paměti pro grafické akcelerátory Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 34 / 46 Figure 8. Peak bandwidth comparison of SDRAM and advanced SDRAM technologies 12000- 10000 SDRAM RDRAM DDR-1 DDR-2 DDR-3 Zdroj: Memory technology evolution: an overview of system memory technologies, Technology brief, 9 edition, Hewlett-Packard Development Company, 2010. Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 35 / 46 INTERNET TIMELINE OPEN TO PUBLIC IPP 1K 10K 100K IM (3Bf) Number of Computers Connected (Users) width/Speed [bps] Zdroj: http://www.drJeff software.com/history.html Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT I podzim 2014 36 / 46 RIPE NCC IPv4 Pool — Last 12 Months | Mftms of IPv4 Adtfceaaea Reawved [J] MBona ol IPv4 Addreaaea Available Th is g ra p h shows the n u m be r of avai lab le and rese rved I Pv4 add resses ma naged by the RIP E N C C ove r the past 12 mo nths. Zdroj: https: //www. ripe. net/internet- coordination/ipv4-exhaustion/ipv4-available-pool-graph Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 37 / 46 1,000,000, 100,000: 10,000 1,000 100 £ 10 ■Ji š i 000 000 000 000 000 000 000 1Ü ú 10 1 Hobbes' Internet Timeline Copyright ©2012 Robert H Zakon htt p://www.z akon.org/robert/internet/timeline/ ■ New Smrže y + Old SuĽve y J ♦ ♦♦ íd r-, r-, r-, r-. r-_ co co co co co m m m o? m o o o r-- aj ^ O O o o o OJ OJ OJ Zdroj: http://www.zakon.org/robert/internet/timeline/ Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 38 / 46 Růst počtu webových stránek Zdroj: http://royal.pingdom.com Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 40 / 46 • Data z TOP500 • http://top500.org/statistics/overtime • 2x do roka aktualizované údaje • Vybrané statistiky: • Architektury superpočítačů • Používané operační systémy • Výrobci • Zastoupení zemí v TOP500 • Vývoj v oblasti od roku 1993 Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 41 / 46 Architecture - Systems Share Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 42 / 46 TOP500 - Operační systémy Operating System - Systems Share 1995 2000 2005 Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 44 / 46 Countries - Systems Share Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 45 / 46 o Stále roste složitost, ale i význam IT systémů • V mnoha ohledech exponenciální růst se v poslední době „zastavuje" • Budeme potřebovat nové přístupy • Stále rostoucí závislost na software • Skutečně masivně paralelní systémy (106 až 109 jader/vláken) Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2014 46 / 46