2. Performansat dhe zhvillimi i kompjuter

1
2. Performansat dhe zhvillimi i kompjuterëve

• Një historik i shkurtër
• Dizajnimi dhe performansat
• Evolucioni i Pentiumit dhe PowerPC

2
ENIAC

• ENIAC (Electronic Numerical Integrator And
  Computer)
• Eckert and Mauchly
• University of Pennsylvania
• Fillimi 1943
• Filloi te përdoret më 1946
• Përdorimi deri më 1955

3
ENIAC

• Decimal (jo binar)
• 20 akumulator me nga 10 shifra
• Programimi manual permes nderpreresve
• 18,000 gypa katodik
• 30 ton
• 15,000 square feet (rreth 1,400 m2)
• 140 kW
• 5,000 operacione te mbledhjes ne sekonde

4
(No Transcript)
5
Makina e von Neumann/Turing

• Koncepti i kompjuterit me program të brendshëm
  (Stored Program).
• Programi dhe të dhënat ruhen në memorien
  kryesore.
• Njësia aritmetiko-logjike (ALU) operon me të
  dhëna binare.
• Njësia kontrolluese interpreton instruksionet e
  vendosura ne memorie dhe i ekzekuton
• Pajisjet hyrëse dhe dalëse udhëhiqen nga njësia
  kontrolluese
• Princeton Institute for Advanced Studies
• IAS
• U kompletua me 1952

6
Struktura e makines se von Neumann-it
7
Modeli IAS (Institute of Advanced Studies)

• 1000 fjalë 40 bitëshe
• Numrat binarë
• 2 x 20 bit instruksione
• Regjistrat (memoria në CPU)
• Memory Buffer Register (bufer regjistri i
  memories)
• Memory Address Register (regjistri asdresor i
  memories)
• Instruction Register (regjistri i instruksioneve)
• Instruction Buffer Register (bufer regjistri i
  instruksioneve)
• Program Counter (numëruesi programor)
• Accumulator (akumulatori)
• Multiplier Quotient

8
Formatet e memories IAS
9
Struktura e zgjeruar e kompjuterit IAS
10
Kompjuterët komercial

• 1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation
• UNIVAC I (Universal Automatic Computer)
• Kalkulimet për US Bureau of Census 1950
• Prone e Sperry-Rand Corporation
• Fundi i 1950ve - UNIVAC II
• Më i shpejtë
• Më shumë memorie

11
IBM

• Pajisjet për procesim të kartelave me vrima 1953
  - IBM 701
• Kompjuteri i parë i IBM-it me program të
  brendshëm
• Për kalkulime shkencore
• 1955 IBM 702
• Aplikacionet Biznes
• Pararendës i serisë IBM 700/7000

12
Tranzistorët

• Zëvendsuan gypat katodikë
• Më të vegjël
• Më të lirë
• Lirojnë më pak nxehtësi
• Pajisje solid state
• Prodhohen nga silikoni
• 1947 Bell Labs
• William Shockley etj.

13
Kompjuterët e bazuar në tranzistorë

• Gjenerata e dytë
• NCR RCA machines
• IBM 7000
• DEC 1957
• PDP-1

14
Kompjuteri IBM 7094
15
Gjenerata e tretë qarqet e integruara

• Një tranzistor i vetëm - komponentë diskrete
  (vitet 1950-1960).
• Problem në industrinë kompjuterike.
• Në fillim të gjeneratës së dytë, kompjuterët
  përmbanin rreth 100,000 tranzistorë.
• Në vitin 1958 - një arritje që revolucionarizoi
  elektronikën.
• Filloi era e mikroelektronikës QARKU I
  INTEGRUAR. Qarku i integruar shënon edhe lindjen
  e gjeneratës së tretë të kompjuterëve.
• Katër funksionet bazë
• Ruajtjen e të dhënave (data storage), që ofrojnë
  celulat memorike,
• Procesimin e të dhënave (data processing), që
  ofrojnë portat,
• Bartjen e të dhënave (data movement),
  shfrytëzohen shtigjet ndërmjet komponenteve për
  bartje të të dhënave prej memories në memorie dhe
  prej memories nëpërmejt portave te memorit tjera,
• Kontrolli (control) shtigjet ndërmjet
  komponenteve duhet kontrolluar përmes sinjaleve.

16
Mikroelektronika

• Komponentet e kompjuterit portet, qelizat
  memorike, ndërlidhjet
• Prodhohen nga materiali gjysëmperçues

17
Gjeneratat e kompjuterëve

• Gypat katodikë - 1946-1957
• Tranzistorët - 1958-1964
• Small scale integration SSI 1965
• Deri 100 pajisje në çip
• Medium scale integration MSI - deri 1971
• 100-3,000 pajisje në çip
• Large scale integration LSI - 1971-1977
• 3,000 - 100,000 pajisje në çip
• Very large scale integration VLSI- 1978 -1991
• 100,000 - 100,000,000 pajisje në çip
• Ultra large scale integration ULSI 1991 -
• Mbi 100,000,000 pajisje në çip

18
Ligji i Moore-it

• Dendësia e rritur e komponenteve në çip
• Gordon Moore bashkëthemelues i Intelit
• Numri i tranzistorëve në çip dyfishohet çdo vit
• Prej 1970s zhvillimi ngadalësohet pak
• Numri i tranzistorëve në çip dyfishohet çdo 18
  muaj
• Çmimi i çipit i pandryshuar
• Paketimi më i dendur nënkupton rrugë më të
  shkurta elektrike, që rezulton me performansa më
  të mira
• Madhësia më e vogël jep më shumë fleksibilitet
• Nevoja më të vogla për energji dhe ftohje
• Më pak ndërlidhje mes çipave zvogëlojnë problemet
  e mundshme

19
Rritja e numrit te tranzistoreve ne CPU
20
Sistemi i serisë IBM 360

• 1964
• Zëvendsoi serinë IBM 7000
• Familja e parë e kompjuterëve
• Bashkësia e ngjashme ose identike e
  instruksioneve
• Sistemi operativ identik ose i ngjashëm
• Shpejtësia e rritur
• Numri më i madh i porteve hyrëse/dalëse (p.sh
  terminaleve)
• Memoria më e madhe
• Çmimi më i lartë

21
Seritë IBM 360
22
DEC PDP-8

• 1964
• Minikompjuteri i parë
• Nuk i nevojitet klimatizimi
• Mund të vendoset mbi tavolinë
• 16,000
• 100k për IBM 360
• Aplikacionet e integruara dhe OEM
• Struktura e bus-ave

23
(No Transcript)
24
Struktura e Bus-it DEC PDP-8
25
Memoria gjysmëpërçuese

• 1970
• Fairchild
• Madhësia si e bërthamës magnetike
• Përmban 256 bita
• Non-destructive read
• Më e shpejtë se bërthamat magnetike
• Kapaciteti dyfishohet çdo vit

26
Intel

• 1971 - 4004
• Mikroprocesori i parë
• Të gjitha komponentete CPU ne një cip
• 4 bit
• 1972 - 8008
• 8 bit
• Të dizajnuar për aplikacione specifike
• 1974 - 8080
• Mikroprocesori i parë i Intelit për përdorim të
  pergjithshëm

27
Rritja e shpejtësisë

• Pipelining
• Cache në pllakë
• L1 L2 cache në pllakë
• Parashikimi i degëzimit
• Analiza e rrjedhës së të dhënave
• Ekzekutimi spekulativ

28
Procesorët
29
Procesorët
30
Procesorët
31
Procesorët
32
Performansat

• Rritja e shpejtësisë së procesorit
• Rritja e kapacitetit të memories
• Shpejtësia e procesorit më e madhe se e memories

33
Login and Memory Performance Gap
34
Zgjidhja

• Rritja e numrit të bitave që merren në një hap
• Ndryshimi i interfejsit të DRAM-it
• Cache
• Zvogëlimi i shpeshtësisë (frekunecës) së qasjes
  memories
• Cache më kompleks dhe cache në çip
• Rritja e shpejtësisë së ndërlidhjeve
• Busa të shpejtë
• Hierarkia e busave

35
Pajisjet H/D

• Periferitë me kërkesa të mëdha për H/D
• Kërkesa për transfer të madh të të dhënave në
  njësi kohore
• Problemi i bartjes së të dhënave
• Zgjidhjet
• Keshimi
• Baferimi
• Busa interkonektivë me shpejtësi të lartë
• Struktura më komplekse e busave
• Konfigurimet multiprocesorike

36
Shpejtësitë tipike të të dhënave të paisjeve H/D
37
Balancimi

• Procesorët
• Memoria kryesore
• Pajisjet H/D
• Strukturat ndërlidhëse

38
Përmirësimet në organizimin dhe arkitekturën e
çipit

• Rritja e shpejtësisë së procesorit
• Për shkak të zvogëlimit të madhësisë së porteve
  logjike
• Më shumë porte, të paketuara më shpesh, me
  frekuencë më të lartë
• Koha e shkurtuar e përhapjes së sinjaleve
  elektrike
• Rritja e madhësisë dhe shpejtësisë së cache-it
• Hapësira e dedikuar në çipin e procesorit
• Koha e qasjes cache-it bjen drastikisht
• Ndryshimi i organizimit dhe arkitekturës së
  procesorit
• Rritja e shpejtësise se ekzekutimit
• Paralelizmi

39
Probleme me shpejtësinë e kllokut dhe dhe
dendësinë

• Fuqia
• Dendësia e fuqisë rritet me dendësinë e qarqeve
  logjike dhe shpejtësinë e kllokut
• Disipacioni i nxehtësisë
• Vonesa RC
• Shpejtësia me të cilën lëvizin elektronet
  kufizohet me rezistencën e përçuesve dhe
  kapacitetet
• Rritje e RC rrit vonesat
• Përçuesit më të hollë rrisin rezistencën
• Përçuesit e vendosur më afër njeri tjetrit rrisin
  kapacitetin
• Ngecja (latency) e memories
• Shpejtësia e memories ngec pas shpejtësise së
  procesorit
• Zgjidhja
• Më shumë rëndësi zgjidhjeve organizative dhe
  arkitektonike

40
Performansa Microprocesorëve Intel
41
Rritja e kapacitetit te cache-it

• Në rastin tipik, dy-tri nivele të cache-it mes
  procesorit dhe memories kryesore
• Rritja e dendësisë së çipave
• Më shumë cache memorie në një çip
• Qasja më e shpejtë
• Pentiumi ia dedikon cache-it 10 të sipërfaqes së
  çipit.
• Pentium4 i dedikon cache-it përafërsiht 50 të
  sipërfaqes

42
Logjika komplekse e ekzekutimit

• Ekzekutimi paralel i instruksioneve
• Pipeline (tubacioni, gypsjellësi) funsionon si
  linja montuese
• Instruksionet në stade të ndryshme të ekzekutimit
  në kohë të njejtë përgjatë të njejtit pipeline
• Procesorët superskalar me më shumë pipeline në
  kuadër të një procesori
• Instruksionet që nuk varen nga njeri tjetri mund
  të ekzekutohen paralelisht.

43
Mundësitë modeste për përmirësim

• Organizimi intern i procesorëve kompleks
• Paralelizmi
• Gjasa të vogla për përmirësime drastike
• Benefitet nga cache-i i janë afruar limitit
• Rritja e kllokut shkakton probleme të dispacionit
• Janë arritur disa kufizime fundamentale fizike

44
Qasja e re Me shumë bërthama

• Me shumë procesorë në një çip.
• Cache-i i madh i përbashkët
• Brenda procesorit rritja e performansave
  proporcionale me rrënjen katrore të rritjes së
  kompleksitetit
• Nëse software-i mund të shfrytëzojë më shumë
  procesorë, dyfishimi i numrit të procesorëve gati
  dyfishon performansat.
• Pra, përdoren dy procesorë më të thjeshtë në një
  çip, në vend të një procesori kompleks
• Me dy procesorë ka kuptim cache-i më i madh
• Shpenzimi i qarqeve memorike është më i vogël se
  i qarqeve procesorike
• Shembull IBM POWER4, Pentium Core 2 Duo

45
Organizimi i çipit POWER4
46
Evolucioni i Pentiumit

• 8080
• Procesori i parë me përdorim të gjithanshëm
• Rrugët 8 bitëshe të të dhënave
• Përdoret në kompjuterin e parë personal Altair
• 8086
• Shumë më i fuqishëm
• 16 bitësh
• Cache-i i instruksioneve, paramarrja e disa
  instruksioneve
• 8088 (busi i jashtëm 8 bitësh) përdoret në IBM PC
• 80286
• 16 Mbyte memorje të adresueshme
• 80386
• 32 bitësh
• Përkrahja për multitasking

47
Evolucioni i Pentiumit

• 80486
• Pipelining i cache-it dhe instruksioneve
• Koprocesori matematikor i integruar
• Pentium
• Superskalar
• Instruksione të shumëfishta ekzekutohen
  paralelisht
• Pentium Pro
• Organizimi i theksuar superskalar
• Riemërimi i regjistrave
• Parashikimi i degëzimit
• Analiza e rrjedhës së të dhënave
• Ekzekutimi spekulativ

48
Evolucioni i Pentiumit

• Pentium II
• Teknologjia MMX
• Procesimi i grafikës, videos dhe zërit
• Pentium III
• Instruksione shtesë me pikë të lëvizshme për
  grafikën 3D
• Pentium 4
• Përmirësime shtesë për operacione me pikë të
  levizshme dhe multimedia
• Itanium
• 64 bit
• Itanium 2
• Përmirësime hardware-ike për rritjen e shpejtësisë

49
PowerPC

• 1975, 801 projekti për mikrokompjuter (IBM) RISC
• Procesori Berkeley RISC I
• 1986, produkti komercial workstation i IBM-it
  RISC, RT PC.
• Nuk pati sukses komercial
• Shumë rival me performanasa të ngjashme apo edhe
  më të mira
• 1990, IBM RISC System/6000
• RISC-si makinë superskalare
• Arkitektura POWER
• Aleanca IBM me Motorola (68000 microprocessors)
  dhe Apple, (te shfrytëzuara 68000 ne Macintosh)
• Rezultuan në arkitekturen PowerPC
• Derivuar nga arkitektura POWER
• Superscalar RISC
• Apple Macintosh
• Aplikacionet Embedded chip

50
Familja PowerPC

• 601
• Paraqitje e shpejtë në treg. Makinë 32-bitëshe
• 603
• Desktop me permasa të vogla dhe i lëvizshëm
• 32-bit
• Performansë të krahasueshme me 601
• Kosto më e ulët dhe implementim më eficient
• 604
• Desktop dhe serverë të vegjël
• Makinë 32-bitëshe
• Dizajn superskalar shumë më i përparuar
• Performansë më e lartë
• 620
• Serverë të mëdhenjë
• Arkitekturë 64-bitëshe

51
Familja PowerPC

• 740/750
• E njohur edhe si G3
• Dy nivele të cache-it në çip
• G4
• Rritjen e paralelizmit dhe shpejtësisë së
  brendëshme
• G5
• Përmirësime në paralelizëm dhe shpejtësinë e
  brendshme
• Organizimi 64-bitësh