Evolucion y Funcion de Microprocesadores

Requisitos, cuellos de botella y buena fortuna:

Agentes para la evolución del microprocesador

Papel Invitado

El primer microprocesador, el Intel 4004, apareció en 1971. Se contenía 2300 transistores y funcionaba a una frecuencia de reloj de 108 kHz Hoy, 30 años después, el microprocesador contiene casi 200 millones de transistores, que funcionan a una frecuencia de más de 1 GHz. En cinco años, se espera que esos números crezcan a más de un mil millones de transistores en un solo chip, que funcionan a una frecuencia de reloj de 6 a 10 GHz.

La evolución del microprocesador, desde donde comenzó en 1971 a dónde está hoy y dónde es probable que esté dentro de cinco años, tiene surgió debido a varias fuerzas contribuyentes. Nuestra posición es que esta evolución no solo sucedió, que cada paso adelante vino como resultado de una de tres cosas, y siempre dentro del contexto de un arquitecto informático haciendo compensaciones. Las tres cosas son:

1. nuevos requisitos
2. cuellos de botella
3. buena fortuna.

Los llamé colectivamente agentes para la evolución. Este artículo intenta hacer tres cosas: describir un marco básico para el campo de los microprocesadores, muestre algunos de los desarrollos que han surgido en los 30 años posteriores a la llegada del primer microprocesador y, finalmente, sugerir algunos de las cosas nuevas que puede esperar ver en un microprocesador de alto rendimiento en los próximos cinco años.

I. MARCO BÁSICO

A. Arquitectura de computadoras: una ciencia de compensaciones.

La arquitectura informática es mucho más "arte" que "ciencia". Nuestras capacidades y conocimientos mejoran a medida que experimentamos más casos. Los arquitectos informáticos aprovechan su experiencia con diseños previos en la toma de decisiones sobre proyectos actuales. Si la arquitectura de computadoras es una ciencia en absoluto, es una ciencia de compensaciones Los arquitectos informáticos en el último medio siglo tienen continuó desarrollando una base de conocimiento para ayudarlos. Practica su oficio. Casi siempre el trabajo del arquitecto informático requiere el uso de ese conocimiento fundamental para hacer compensaciones Esto ha sido especialmente cierto a lo largo de la evolución del microprocesador.

B. Niveles de transformación.

El número de transistores y sus tiempos de conmutación son re fuentes proporcionadas por la tecnología de proceso. Lo que usamos esos los recursos dependen de las demandas del mercado. Cómo usamos esos recursos es lo que es el microprocesador todo sobre. La figura 1 muestra los niveles de transformación que un problema, enunciado en algún idioma natural como el inglés, debe pasar por ser resuelto. En un sentido real, son los electrones los que Realmente haga el trabajo y resuelva el problema. Sin embargo, desde no hablamos "electrón" y los electrones no hablan nada lenguaje natural, lo mejor que podemos hacer es transformar sistemáticamente el problema a través de los niveles que se muestran en la Fig. 1 hasta que alcanzar el nivel de electrones (o dispositivo), es decir, los 200 millones transistor, chip de 1 GHz. En el camino, la solución del problema se formula primero como un algoritmo para eliminar las características inaceptables de lenguaje natural, como la ambigüedad. Luego se codifica en un lenguaje mecánico y compilado a la arquitectura del conjunto de instrucciones (ISA) del microprocesador particular. El ISA es la interfaz acordada que: 1) el programa compilado utiliza para decirle al microprocesador qué debe hacer (el programa) y 2) el microprocesador usa para saber lo que debe llevar a cabo en nombre del programa. El ISA es implementado por un conjunto de estructuras de hardware denominadas colectivamente como el microprocesador microarquitectura Cada estructura de hardware y Sus interconexiones están formadas por circuitos electrónicos digitales,

que a su vez están hechos de dispositivos electrónicos.

Cuando decimos "microprocesador" hoy, generalmente queremos decir la región sombreada de la Fig. 1. Es decir, cada microprocesador consta de circuitos que implementan estructuras de hardware (colectivamente llamado la microarquitectura) que proporcionan una interfaz (llamado ISA) al software. En el caso de la computadora personal, el ISA es el IA-32, y la microarquitectura es el Pentium IV de Intel, o en días anteriores, el Pentium III, Pentium II, Pentium Pro, 486, etc., o K-8 de AMD, o en días anteriores, K-7, K-6, etc. Hay otras ISA; por ejemplo, SPARC (de Sun Microsystems), Alpha (de Compaq) y Power-PC (de Motorola e IBM). Cada uno tiene su propia idiosincrasia que lo convierte en una interfaz mejor o peor para lo que un compilador puede entregar, o cómo la microarquitectura puede llevar a cabo el trabajo. Para cada ISA, hay múltiples microarquitecturas distintas. Hemos mencionado varios para el IA-32. Para el alfa, existen, por ejemplo, los 21064, 21164 y 21 264. En cada paso de la jerarquía, desde la elección del algoritmo, hasta lenguaje, a ISA a microarquitectura, a circuitos, hay elecciones y, por lo tanto, compensaciones.

A menudo, pero no siempre, la elección es entre un mayor rendimiento y menor costo. Una analogía con el automóvil es instructivo. Uno puede construir un auto deportivo de alto rendimiento que puede ir de 0 a 100 mph en prácticamente 0 segundos. Pero será Ser muy caro. O, uno puede construir un automóvil muy económico eso nunca podría llegar a 100 mph, pero obtiene 100 millas a un galón de gasolina. Uno no obtiene rendimiento y economía. Esa es la compensación.

C. Puntos de diseño

El diseño de un microprocesador se trata de hacer relevante compensaciones Nos referimos al conjunto de consideraciones, junto con la importancia relevante de cada uno, como el "punto de diseño" para el microprocesador, es decir, las características que más importante para el uso del microprocesador, de modo que uno está dispuesto a preocuparse menos por otras características.

Rendimiento, costo, disipación de calor y consumo de energía. son ejemplos de características que afectan fuertemente un diseño punto. Otra es la "alta disponibilidad": se puede diseñar un microprocesador donde la consideración más importante es la requisito de que el microprocesador nunca falle. Algunos clientes están dispuestos a aceptar un rendimiento más bajo o un costo más alto si pueden estar seguros de que el microprocesador nunca fallará.

Llamamos a dicho procesador "tolerante a fallas" o altamente disponible. Otros clientes están dispuestos a sacrificar un poco de rendimiento, si se combina con ahorros sustanciales en energía requisitos Este punto de diseño se ha vuelto cada vez más importante como los requisitos de energía y energía de la chips de alto rendimiento se han vuelto inaceptablemente más grandes y más grande Una vez más, hay una compensación: el mayor rendimiento o conciencia de poder. Vale la pena señalar que la "conciencia de poder" es diferente de otro punto de diseño importante, "baja potencia". Hay muchos aplicaciones donde la consideración primordial es que el El microprocesador funciona durante un largo período de tiempo utilizando un muy Pequeña fuente de energía. En cada caso, generalmente es el problema que estamos abordando (ver de nuevo la Fig. 1) que dicta el punto de diseño para el microprocesador, y las compensaciones resultantes que deben hacerse.

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