Les ordinateurs : de 1946 à aujourd hui

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1 : Introduction Daniel Etiemble Les ordinateurs : de 1946 à aujourd hui ENIAC (1946) tubes 30 tonnes surface de 72 m 2 consomme 140 kilowatts. Horloge : 0 KHz. 330 multiplications/s Mon portable (2006) Intel Duo Processor 2GHz 1 Go DRAM, 0 Go disque 1, 9 kg 2 1

2 «Systèmes informatiques» 3 Systèmes embarqués ou enfouis Ordinateurs camouflés Sony Playstation 2 Casio Camera Watch Nokia 71 Browser Phone Philips TiVo Recorder Philips DVD player Prof. Stephen A. Edwards of Columbia University 2

3 Les grandes classes de système Caractéristique Ordinateur de bureau Serveur Enfoui/embarqué Prix du microprocesseur 0 à à 2000 par processeur 0,20 à 200 par processeur Microprocesseurs vendus en millions 4 millions 300 millions (en ne comptant que les 32 et 64 bits) Critères Prixperformance Performance graphique Débit, disponibilité, extensibilité Prix, puissance dissipée, performance pour l application 5 Ventes des microprocesseurs (fin du siècle dernier ) Processeurs enfouis/embarqués 4 bits : 2 milliards 8 bits : 4,7 milliards 16 bits : 700 millions 32 bits : 400 millions DSP (traitement du signal) 600 millions Généralistes classiques 150 millions 6 3

4 Gammes de processeurs Haut de gamme Processeurs des PC et serveurs Spécialisé Haut de gamme des générations précédentes Ex : MIPS «enfouis» Spécialisé embarqué Faible consommation Temps réel Contraintes Prix Performance Encombrement Consommation Temps réel temps d exécution déterministe ou non 7 Les applications Usage général Calcul Scientifique GRAPHIQUE Traitement du signal JAVA Bases de données WEB Enfoui et embarqué 8 4

5 Roadmap des applications enfouies 9 Roadmap du traitement enfoui Source ITRS Design ITWG July 2003 x 40 Process Technology (nm) Operation voltage (V) 1,2 1 0,8 0,6 0,5 0,4 Clock frequency (MHz) Application Real Time Video Codec Real Time Interpretation (MAX performance required) Still Image Processing MPEG4/CIF Application Web Browser TV phone (1:1) TV phone (>3:1) (Others) Electric mailer Scheduler Voice recognition (input) Voice recognition (operation) Authentification (Crypto engine) Processing Performance (GOPS) 0, Parallelism factor Communication speed (Kbps) Energy Efficiency (MOPS/mW) Peak Power Concumption (mw) Stand-by Power Concumption (mw) Battery Capacity (Wh/kg) Performance Efficacité énergétique (MOPS/mW) Puissance dissipée Capacité batterie 5

6 Exemple : industrie automobile Hétérogénéité Sources : C. Balle Renault 11 Les moteurs de l évolution Les contraintes économiques Lois économiques Volumes de vente PCs Consoles de jeux PDA Stations MARCHE GRAND PUBLIC Intel, Microsoft Sony, 3Com, Sun 12 6

7 Le modèle économique Intel Nouveau modèle plus performant tous les x années 40 Performance relative Années Disponible Besoins 13 Un autre modèle économique Performance supérieure aux besoins de «masse» Performance relative Années Disponible Besoins Recherche des killer applications 14 7

8 Killer Application 15 Performance : Microprocesseur NI T exécution = NI * CPI * T c = IPC * F Temps de cycle Nombre de cycles/instruction CPU F(MHz) Microarchitecture (IPC) Technologie 16 8

9 DES EXPONENTIELLES MICROPROCESSEURS CPU 2x/1,5an Performance après 1987 Performance avant 1986 Fréquence d'horloge (MOS) Evolution/an 0% % 20% 30% 40% 50% 60% 17 DES EXPONENTIELLES MEMOIRES 0,5/ ans 2x/1,5an Bande passante Latence Quantité/Prix Capacité 0% 20% 40% 60% Evolution/an DISK DRAM 18 9

10 Transistors par puce K La loi de Moore Mémoire Microprocesseur 4K 16K 64K K 1M i386 4M 64M 16M i486 Pentium 256M Pentium III Pentium II Pentium Pro ' Source: Intel 19 Processeurs Intel : nombre de transistors l année d introduction Nb de transistors P4 Itanium2 Itanium Itanium PIII i486 PentiumPII 0000 i286 i

11 LES DIFFERENTIELS CPU Mémoire Complexité croissante de la hiérarchie mémoire : L1, L2, L3, MP La densité de puissance Watts/cm i386 Hot plate i486 Nuclear Reactor Pentium 4 Pentium Pro Pentium Pentium III Pentium II 1.5µ 1µ 0.7µ 0.5µ 0.35µ 0.25µ 0.18µ 0.13µ 0.1µ 0.07µ Rocket Nozzle * New Microarchitecture Challenges in the Coming Generations of CMOS Process Technologies Fred Pollack, Intel Corp. Micro32 conference key note

12 Multiprocesseurs et puissance (d après F. Anceau) 23 Le grand virage Evolution des processeurs pour PC (Intel, AMD) De l augmentation de la fréquence d horloge Au parallélisme Hyperthread Multi-cœurs 24 12

13 Processeurs Intel et AMD : Multithread et Multiprocesseurs Processeur logique 1 Processeur logique 2 Processeur physique 1 Processeur physique 2 Etat archit. (registres) Etat archit. (registres) Etat archit. (registres) Etat archit. (registres) Unités fonctionnelles Caches Unités fonctionnelles Caches Unités fonctionnelles Caches Mémoire principale Mémoire principale 25 CPU et GPU 000 GFLOPS GTX 8800 GTX 6800 Ultra 7900 GTX P4 Dual core P4 Dual core P Ultra Core 2 Duo GTX280 GTX285 Xeon Quad T12 Westmere NVIDIA GPU Intel CPU 1 janv-03 janv-04 janv-05 janv-06 janv-07 janv-08 janv-09 janv

14 Energie Puissance et énergie Capacité à faire quelque chose d utile Important pour Durée de vie des piles et batteries Facture d électricité Mesurée au cours du temps Proportionnelle à la somme des capacités et au carré de la tension (CV 2 ) 27 Les batteries Batteries au lithium : 1992 : 90 Wh/kg, 2000 : 140 à 160 Wh/kg : de 190 à 200 Wh/kg. Source : CEA 28 14

15 Puissance et énergie Puissance Travail effectué par unité de temps Mesuré en Watts P = αcv 2 f (α : activité, C: capacités, V: tension, f : fréquence) Mesurée à sa valeur maximale Plus de puissance Plus de courant Ne peut dépasser les contraintes de puissance maximale disponible Plus de puissance Température plus élevée Ne peut dépasser les contraintes thermiques 29 Watts Evolution de la puissance (à taille de puce constante) 0 Puissance fuite Puissance utile Puissance/cm Puissance (W/cm 2 ) ~ puce 15mm Fréquence X 1.5 chaque génération µ 0.18µ 0.13µ 0.1µ 0 Limites: Puissance dissipée, Alimentation, et et Densité de de puissance 30 15

16 Le spectre d implémentation Microprocesseur Matériel Reconfigurable ASIC ASIC Haute performance dédié à l application Non modifiable Processeur Programmable Non dédié à l application Matériel reconfigurable Bon compromis

17 Espace d implémentation 33 Un grand défi : la réduction de l énergie consommée et de la puissance dissipée Effort à tous les niveaux Niveau technologique Niveau circuit/logique Niveau architectural Niveau algorithmique Niveau système 34 17

18 IP IP Platform IP MEMORY BUS IP IP IP DSP CORE D$ Engine I$ CONTROL BUS CONTROL BUS RISC CORE D$ Engine I$... Méthodologies de conception Systèmes multiprocesseurs sur puce (MPSoC) Conception à base de plateformes External Memory MMU Application Middleware / OS Niveau d abstraction considéré Transistors Portes RTL RTL Mer de portes TA SW Blocs matériels + logiciel HW SW Mers de processeurs Mer de transistors Dessins de masques Années 70 s 80 s Années 90 (début) Années 90 (fin) Les écarts de productivité Évolution comparée du temps de conception d un circuit et du nombre de portes disponibles Transistors par puce (en millions),000 1, Écart de productivité de conception Capacité des circuits intégrés productivité Ecart 0,000, Productivité (K)Transistors par Homme-Mois

19 Où va l effort de conception? Logiciel Matériel Source : IBS Les technologies du futur Les interconnexions devenant prédominante, jouer sur la fréquence d horloge n est plus efficace La puissance de fuite devient plus importante que la puissance active La dispersion des composants augmentent (problèmes de conception, de rendement) La conception traditionnelle pire cas devient trop pessimiste. 2.2 Performances relatives de l inverseur (sortance 4) typ process T=25degC fast process T=-40degC slow process T=125degC Performance degradation!!! CMOS18 CMOS12 CMOS090 CMOS