Introducere in Proiectarea Procesorului

Introducere in Proiectarea Procesorului

1 Sarcinile proiectarii calculatoarelor

Consideram cuvantul "arhitectura" acoperitor pentru trei aspecte de proiectare:

arhitectura setului de instructiune, organizare si hardware

Proiectul trebuie sa respecte cerintele functionale si constrangerile de pret, putere, performanta si disponibilitate

   

Factorii care influenteaza arhitectura Nivele de proiectare

Nivele de proiectare

Nivele de abstractii pentru proiectare digitala.

Abordarea proiectarii pe nivele de abstractie

Proiectare de sus in jos - Top down Design Flow

2 Sinteza de nivel inalt (High-Level Synthesis (HLS Sinteza sistemelor numerice

Sinteza de nivel inalt ca o tranzitie in diagrama Y a lui Gajski

Ce este sinteza?

• Sinteza este transformarea automata a unei descrieri de nivel inalt intr-o descriere de nivel mai jos

Sinteza arhitecturala (de nivel inalt)

• Pentru o descriere comportamentala data, se creeaza o arhitectura structurala,    "Transfer la nivelul registrelor" (Register Transfer Level - RTL),
• Constrangeri:    timp, spatiu, putere, unitati functionale

Sinteza logica; Transforma ecuatiile Boolean-e intr-o retea de porti logice

Proiectare la nivel de sistem

Specificarea functionalitatii, conditiilor de operare si a caracteristicilor cerute

Performanta, putere, forma, cost, etc.

Partitionarea functionalitatii in task-uri

Explorarea solutiilor alternative, hardware/software

Blocuri componente - cumparare/elaborare

Stabilire Interfete si protocoale pentru transfer de data

Decizii, Formate de date, moduri de operare, tratarea exceptiilor,..

Specificarea, modelarea,evaluarea si rafinarea comportamentala a task-urilor

3 Performanta calculatorului

Evolutia Performantei

Tendinte de Performanta: Latime de banda vs. Intarziere- Durata. (Bandwidth/Latency)

Latime de banda, productivitate: cantitatea totala de sarcini rezolvate intr-o unitate de timp

(megabytes/sec) Important daca avem mai multe task-uri de rezolvat

Intarziere-durata, timp de raspuns, timul intre cerere si raspuns, ex. milisecunde pentru un acces la disk

Important daca avem task-uri critice in timp, timp real

Cresterea Latimii de banda este mai rapida decat reducerea timpului de raspuns

Ecuatia performantei procesorului

Timpul de executie in CPU pentru un program poate fi exprimat in doua feluri

CPU time = CPU clock cycles for a program × Clock cycle time

Numarul instructiunilor executate-the instruction count (IC).

Daca cunoastem numarul ciclurilor de ceas si numarul instructiunilor executate, putem calcula numarul mediu de cicluri de ceas per instructiune clock cycles per instruction (CPI).

instructions per clock (IPC), inversul CPI pentru Superscalar - Multi Issue

CPU time = Instruction count × Cycles per instruction × Clock cycle time = IC.CPI.CCT

sau

Performanta procesorului depinde de 3 factori

Clock cycle time-depinde de tehnologia Hardware si organizare

CPI- depinde de Organizare si ASI

Instruction count-depinde de ASI si compilator

Interdependente, ex. CPI vs. Instruction Count;

Legea lui Amdahl - Castigul de performanta

Defineste rapidizarea, speedup, care se poate obtine datorita unei imbunatatiri

Presupunem ca putem face o imbunatatire a performantei

sau

Speedup depinde de doi factori:

fraction - fractiune a timpului de calcul care poate fi imbunatatita

2. Castigul datorita imbunatatirii

Presupunem o optimizare x care accelereaza o fractiune f_x    a programului cu un factor de S_x , cat este castigul de viteza?

Rezulta din legea lui Amdahl:

Cazurile frecvente merita sa fie rapidizate: daca f_x→1, speed-up → S_x.

Sa nu exageram: daca S_x→ , speed-up → 1 / (1 - f_x).

Castig limitat de fractiune de cod care poate fi accelerat

Exemplu: legea lui Amdahl

Daca S_x = 100, cat este castigul general, in functie de f_x?

Castig viteza vs. Fractiune optimizata, S_x = 100

Examplu

Amdahl's Law

Maximum speedup is limited by the serial fraction of a program

. N = the number of processors,

. s = the time spent by a processor on serial part of a program,

. p = the time spent by a processor on parallel part of a program

. t = total time = s + p = 1

Maximum possible speedup is given by:

   

N = 10 Processors, the speedup to achieve D = 8, the portion of program to be parallelized will be

p=

Trend istoric pentru performanta Procesor

Cresterea performantei

datorita tehnologiei

idei de arhitectura si organizare

limitari; putere, instruction-level parallelism (ILP) disponibil, timp de acces memorie

Sfarsitul imbunatatirii performantei Uni-processor

Sfarsitul erei Uniprocessor

2004 Intel; lansarea multiprocesoarelor

O trecere istorica de la instruction level parallelism (ILP), la

thread-level parallelism (TLP) si data-level parallelism (DLP)

Compilatorul si hardware exploateaza ILP implicit, fara interventia programatorului

TLP si DLP - programatorul scrie cod paralel pentru castig de performanta.

Urmeaza: Multiprocessor, Multi-core, Many-core

4 Costul sistemelor digitale

• Cost este o constrangere foarte importanta.
• Mule sisteme digitale sunt produse electronice de larg consum

Circuitele Integrate reprezinta o parte semnificativa a costurilor de sistem.

Negociere Cost - Performanta

• Negociere

Costul chip-ului este functie de area⁴.a placii de siliciu

Dar resurse mai mari ofera perforanta mai ridicata.

• Scopul arhitectului:

A stabili cotul curbei performanta-cost, SAU

Obtine performanta maxima cu costuri fixate, pentru tinta data

Alte componente ale costurilor:

• Costul testarii.
• Incapsulare IC.
• Cost sistem racire.
• Important - volumul productiei.
• Numai cu volum ridicat se pot amortiza costurile

Important pentru proiectare procesor incapsulat (embedded).

Ex. Volum cod redus memorie mica cost redus

5 Consum de putere

Pentru chip-uri CMOS, consum de energie dominanta - comutarea tranzistoarelor - putere dinamica.

Puterea dinamica si energia se reduc prin reducerea tensiunii - scazut de la 5V la 1+V in 20 de ani

Sarcina capacitiva este functie de numar de tranzistoare si tehnologie

Pentru un task dat, reducerea vitezei ceasului reduce puterea, dar nu si energia

Multe microprocesoare opresc semnalul ceas pentru module inactve, pentru economie de energie

Putere statica devine importanta, fiindca curentul de scurgere exista chiar cand tranzistorul este blocat

Sisteme cu consum foarte mic deconecteaza tensiunea de alimentare de la module inactive, pentru a elimina curentul de scurgere

In 2006, tinta pentru scurgere este 25% din consum total, greu de realizat

• Proiectare pentru putere: moduri sleep, reducere partiala/totala de frecventa ceas, tensiune.
• Temperatura maxima redusa

Incapsulare mai ieftina (fara racire).

Prevenirea defectarilor.

Limitarile racirii au contribuit la conceperea procesoarelor multiple pe un chip, frecventa ceas si tensiune reduse