Tema 08: Arquitectura y programación de los multiprocesadores

07/11/2008 Prof. Alberto E. Cohaila Barrios 1

Tema 08: Arquitectura y programación de los multiprocesadores

MAESTRÍA EN INGENIERIA DE SISTEMAS E INFORMÁTICA ADMINISTRACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE INFORMACIÓN

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Prof: Alberto E. Cohaila Barrios

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Procesadores Multinucleo

• La tecnología actual de fabricación de procesadores esta llegando a sus límites.

• Cada vez la miniaturización de los componentes del procesador es más difícil (el límite de construcción del uP del silicio ronda los 15-20nm, donde el silicio empieza a ceder por falta de consistencia, ya se ha llegado a los 65nm), el problema de la generación de calor a aumentado, produciendo que sea más difícil aumentar la frecuencia principal del procesador.

• Todos estos problemas dificultan el aumento de rendimiento de los procesadores.


Procesadores Multinucleo

• Los procesadores actuales no sobrepasan los 3.8 GHz (obtenido por el Pentium 4 Prescott), necesitan grandes disipadores y ventiladores porque generan mucho calor.

• No se podía continuar fabricando procesadores de la misma manera, se estaba llegando a un "estancamiento"; era necesario tomar otro camino, utilizar otra variable que hiciera que el rendimiento del procesador aumentará.

• Entonces, basándose en el procesamiento en paralelo, se empezaron a construir los procesadores multi-núcleo.

• El primer procesador multinúcleo en el mercado fue el IBM Power 4 en el año 2000.


¿Cómo trabajan?

• Los procesadores multi-núcleo es un procesador que contiene dentro del chip a varios núcleos o "cerebros".

• La mayoría de los procesadores son mono-núcleo, o sea tienen un solo cerebro.

• Mientras un procesador mono-núcleo tiene un solo cerebro para ejecutar procesos, un procesador multi-núcleo puede repartir los procesos entre sus varios cerebros para su posterior ejecución.


¿Cómo trabajan?

• Las aplicaciones que sacan mejor provecho de estos procesadores multinúcleo son aquellas que pueden generar muchos hilos de ejecución (thread) como las aplicaciones de audio/video, cálculo científico, juegos, tratamiento de gráficos en 3D, etc.

• Estos procesadores pueden ejecutar varias de estas aplicaciones al mismo tiempo (concurrencia).

• Solo cuando uno ejecute una sola aplicación que no sea paralelo (no se pueda descomponer en hilos) es cuando no se aprovecha el potencial de procesamiento que tienen estos procesadores.


Procesamiento en Paralelo

• Los procesadores multinúcleo se basaron en los sistemas distribuidos, la computación paralela, y las tecnologías como el Hyperthreading; que mostraban como dividir el trabajo entre varias unidades de ejecución.

• El procesamiento en paralelo es la división de una aplicación en varias partes para que sean ejecutadas a la vez por diferentes unidades de ejecución.

• El procesamiento en paralelo se utiliza en Computación Paralela y la Computación Distribuida.


HyperThreading

• Esta tecnología fue creada por Intel, para los procesadores Pentium 4 más avanzados. El Hyperthreading hace que el procesador funcione como si fuera dos procesadores. Esto fue hecho para que tenga la posibilidad de trabajar de forma multihilo (multithread) real, es decir pueda ejecutar muchos hilos simultáneamente.

• Un procesador con la tecnología Hyperthreading tiene un 5% más de transistores que el mismo procesador sin esa tecnología.


• Los dos procesadores lógicos, que posee el procesador hyperthreading, tienen su propio estado de la arquitectura: registros de control, registros de datos, registros de depuración, etc. y el APIC (controlador avanzado de interrupción programable).

• Los dos procesadores lógicos comparten la memoria caché, la interfaz del bus del sistema, etc.


Arquitectura del procesador AMD Athlon

•Note que se ha quitado el controlador de memoria al Chipset y se lo ha introducido directamente al procesador, eso hace que se comunique con la memoria directamente a 12.8 Giga bytes/ segundo, con esto se logra más ancho de banda.•Un bus de datos HyperTransport comunica al resto del sistema, este bus es bidireccional que tiene una velocidad de 8 Giga bites/segundo por cada canal.•Son 16 Giga bytes por segundo, más 12.8 son 28.8 de ancho de banda para comunicarse con el resto del sistema.•No se necesitan tanta frecuencia de trabajo del procesador porque todo se distribuye al sistema con una velocidad enorme.


Core Duo

• Procesador de doble núcleo (core).• Cada núcleo es un procesador lógico.• Acceden a la cache un nucleo a la vez.• Los procesadores Core Duo es una versión para los

portátiles, implementa 2MB de caché de memoria compartida para ambos núcleos.

• Fabricados con la tecnología nanometrica de 65nm.• Su velocidad esta dentro de 1.20 hasta 2.33Ghz.• Bus del sistema (FSB) va desde 533Mhz hasta

667Mhz.• Trabajan hasta 32 bits• Consumo de energía es desde 9.0w hasta 31w y de

mejor rendimiento/energía.

Intel Core Duo

2 y 4 núcleos


Core 2 Duo

• Procesador de cuatro núcleos.• Cada núcleo es un procesador lógico en arquitectura

paralela.• Cada nucleo accede al cache al mismo tiempo.• Fabricados con la tecnología nanometrica de 65nm.• Su velocidad esta dentro de 1.20 hasta 2.93Ghz (x

2).• Aparecen a comienzos del 2006.• AMD (Avanz micro Dispositive) posee procesadores

Phenom de 3 y 4 núcleos.• Debido a la complejidad de fabricación de núcleos a

mas de 3 Ghz, la tendencia es insertar mayor cantidad de núcleos en un procesador.

Intel Core Duo

2 y 4 núcleos


Ejemplos de Multiprocesamiento

• Robot móvil que emplea multiprocesamiento para ejecutar múltiples tareas en paralelo a tiempo real.

• Los 4 procesadores se comunican entre si mediante Cluster de datos


Demostración

• Video de Robotmovil 1



Demostración

• Video de Robotmovil 2


Sistema multiprocesador jerarquico


Revisión de Lenguajes de alto nivel y de bajo nivel

Programas y/o rutinas• Los computadores ejecutan programas.• Programa: secuencia de operaciones conducentes a resolver un

problema• determinado.• Características de los programas

– Están compuestos por secuencias de instrucciones o sentencias.– Se escriben utilizando una notación formal conveniente.– Pueden ser escritos por personas (programadores), o bien pueden ser

generados automáticamente mediante una herramienta adecuada.• Un programa en ejecución se encuentra cargado en memoria

principal.• Lenguaje de programación: una notación formal para describir

algoritmos o funciones que serán ejecutadas por un computador.


Tipos de lenguajes de programación

• Lenguajes de alto nivel: cercanos a la forma de pensar del programador.

• Lenguajes de bajo nivel: cercanos a la arquitectura de la máquina.

• Lenguaje máquina: el único que la circuitería de la máquina es capaz de interpretar.– Sus instrucciones se encuentran codificadas en binario.

• Lenguajes simbólicos: no son directamente interpretables por la circuitería de la máquina.– Se codifican mediante símbolos alfanuméricos, de puntuación,

paréntesis, separadores, etc.


Alto NivelAlto Nivel Bajo NivelBajo Nivel MáquinaMáquina

Tipos de Lenguajes de ProgramaciónTipos de Lenguajes de Programación

• Cercanos a la Cercanos a la forma de pensar forma de pensar del programador.del programador.

• Cercanos a la Cercanos a la arquitectura de la arquitectura de la máquina.máquina.

• El único que la El único que la circuitería de la circuitería de la máquina es capaz máquina es capaz de interpretar.de interpretar.• Sus instrucciones Sus instrucciones se encuentran se encuentran codificadas en codificadas en binario.binario.

• No son No son directamente directamente interpretables por interpretables por la circuitería de la la circuitería de la máquina.máquina.• Se codifican Se codifican mediante símbolos mediante símbolos alfanuméricos, de alfanuméricos, de puntuación, puntuación, paréntesis, paréntesis, separadores, etc.separadores, etc.

SimbólicoSimbólico


Secuencia en bloques de la compilación y linkeo del código máquina


Jerarquía de traducción


Fin

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