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SPEC Power Benchmark

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Einführung 37

Beispiel: SPECpower_ssj2008 mit 2.3GHz AMD Opteron X4 2356 (Barcelona)und 16GB DDR2‐667 und 500GB Disk

Zum Abschluss: Amdahls Gesetz


FF'

ohne Verbesserung mit Verbesserung

Texe

Bildquelle: Vorlesung „Grundlagen der Rechnernetze“, Prof. Platzner, (Version 10.09.10)

Verbesserungsfaktor g von F nach F‘?

Ist g gleich dem Speedup für das gesamte Programm?

Sei 0 ≤ f ≤ 1 der Anteil von F an Texe, also f = F/Texe. Was ist der Speedup S?

Beispiel: Parallel ausführbare Programmkomponente

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Einführung 39Bildquelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Amdahl‘s_law

g

Meilensteine der Rechnerarchitektur


Generation 0: Mechanische Computer (1642‐1945)


Jahr Name Gebaut von Kommentar

1642 Blaise Pascal Addition und Subtraktion mit mechanischen Elementen.

1673 Gottfried Wilhelm von Leibniz

Zusätzlich Multiplikation und Division mit mechanischen Elementen.

1834 AnalyticalEngine

Charles Babbage, University ofCambridge

Erster Versuch (mechanische Bauteile waren zu der Zeit noch nicht präzise genug) eines mechanischen Computers mit Speicher, Recheneinheit und Punch‐Card I/O. Erster Computer‐Programmierer Ada Augusta Lovelace.

1936 Z1 Konrad Zuse Erster funktionierender automatischer Rechner auf Basis von Relais. Z1 wurde 1944 durch Alliierten Bombardierung auf Berlin zerstört.

1937 John Atanasoff, Iowa State College

Erster Versuch (Idee konnte nach Stand der Technik nicht vollständig umgesetzt werden) eines automatischen Rechners auf Basis von binären Zahlen und Speicher auf Basis von Kondensatoren (DRAM funktioniert noch heute nach dem gleichen Prinzip).

1940 George Stibbitz, Bell Labs

Weiterer funktionierender automatischer Rechner auf Basis von Relais.

1944 Mark I Howard Aiken, Harvard

Erster funktionierender auf Relais basierender mechanischer Computer nach der Idee von Babbage. (72 Worte a 23 Dezimalstellen, Instruktionszeit 6 sek.)

1947 Mark II Howard Aiken, Harvard

Nachfolger von Mark I, der aber durch Beginn des elektronischen Zeitalters obsolet wurde.

Generation 1: Elektronenröhre (1945‐1955)



1943 COLOSSUS Britische Regierung

Der weltweit erste elektronische Computer. Geheimprojekt der Britischen Regierung, um während des zweiten Weltkrieges Codes der Verschlüsselungsmaschine ENIGMA zu knacken. Alan Turing war mit an der Konstruktion des Computers beteiligt.

1946 ENIAC John Mauchley und J. PresperEckert, University ofPennsylvania

Seit 1943 vom amerikanischen Militär gefördertes Projekt für den Bau eines elektronischen Computer zur Berechnung von Reichweitentabellen von schwererArtillerie. (18.000 Röhren, 1.500 Relais, 30 Tonnen, 140 kW Verbrauch) Programmierung über Schalter und Jumper‐Kabel. Vorstellung des ENIAC war Inspiration für viele nachfolgende Computer‐Projekte.




1949 EDSAC Maurice Wilkes, University of Cambridge

Zum ersten mal Programm gespeichert.

1951 EDVAC John Mauchley und J. Presper Eckert, Eckert‐Mauchley Corporation

Nachfolgeprojekt des ENIAC

1951 Whirlwind I MIT Erstmals Verwendung von kurzen Wortlängen a 16 Bit.

1951 UNIVAC John Mauchley und J. Presper Eckert, Eckert‐Mauchley Corporation

Der erste in den USA hergestellte kommerzielle Computer.

1952 ILLIAC University of Illinois Weitere Beispiele von Röhrenrechnern seinerzeit. Viele andere wurden auch gebaut

1952 MANIAC Weitzmann Institue Israel

1953 JOHNIAC Rand Coropration




1952 IAS John von Neumannund Herman GoldstinePrinceton‘sInstitute ofAdvancedStudies

Als ehemaliger Beteiligter des ENIAC‐Projektes baut John von Neumann am Princeton‘s Institute of AdvancedStudies seine Eigene Version des ENIAC. Der Computer verwendet binäre Arithmetik und speichert das Programm zusammen mit den Daten in einem Speicher. Dieses Konzept, bezeichnet als von Neumann Maschine, wurde von John von Neumann erstmals beschrieben. Es fand auch schon im EDSAC Verwendung. Es ist Basis heutiger Computer.

Speicher

ControlUnit

ArithmeticLogic Unit

Accumulator

Input

Output

Die original von Neumann Maschine




1953 701 IBM IBM im Computer‐Sektor bisher mit Herstellung von Lochkarten und mechanischen Kartensortiermaschinen tätig. Erster Computer in einer Serie von wissenschaftlichen IBM‐Rechnern, welche die Industrie innerhalb eines Jahrzehnts dominierten.

1956 704 IBM Nachfolge des 701 mit mehr Speicher (4096 36‐Bit‐Wörter anstatt 2048) und erstmals mit Fließkomma‐Hardware.

1958 709 IBM Verbesserter 704 und auch letzter von IBM produzierte Reihe von Röhren‐Computern.

Generation 2: Transistoren (1955‐1965)



1955 TX‐0 MIT Lincoln Laboratory

Erster Transistor‐basierter Computer (16‐Bit‐Maschine). Nachfolger des Whirlwind I.

1958 TX‐2 MIT Lincoln Laboratory

Nachfolger des TX‐0 (64K 36‐bit Speicher). Rechner auf dem Ivan Sutherland sein revolutionäres Programm SketchPad realisierte.

1959 7090 IBM Transistor‐Version des IBM 709. Anwendungwissenschaftliches Rechnen. Preis mehrere Millionen.

1959 1401 IBM Kleine geschäftsorientierte Computer. Deutlich günstiger als der 7090.

1961 PDP‐1 DEC Ehemaliger TX‐0/TX‐2 Mitarbeiter Kenneth Olsen gründetet DEC, die mit dem PDP‐1 den ersten kommerziellen Minicomputer ähnlich dem TX‐0 mit einem innovativen 512x512 Display herstellte. (50 Stück verkauft; 4096 18‐Bit Worte; 200.000 Instruktionen/Sek, d.h. halb so schnell wie der seinerzeit schnellste Computer IBM 7090; Kosten $120.000; Kosten eines IBM 7090 betrug Millionen). Studenten des MIT implementierten mit Spacewar das erste Video‐Spiel auf einem PDP‐1.

Generation 2: Transistoren (1955‐1965)



1962 7094 IBM Nachfolger des IBM 7090. Cycle‐Time von 2 Mikrosekunden. 32.536 Wörter mit 36‐Bit‐Länge.

1963 B5000 Burroughs Erste Maschine, mit der auch die Unterstützung von High‐Level‐Sprachen (Algol‐60, Vorgänger von C und Java) berücksichtigt wurde.

1964 6600 CDC Erster wissenschaftlicher Supercomputer. Fast 10 mal Schneller als der IBM 7094. Designer des 6600 war Seymour Cray. Geschwindigkeit wurde durch hoch parallel arbeitende CPU und parallele Abarbeitung von I/O etc. erreicht. Viele Ideen des 6600 finden sich in modernen Computern wieder.

1965 PDP‐8 DEC 12‐Bit Maschine. Nachfolger des PDP‐1 aber wesentlich billiger (Kosten $16.000). Erster Massenmarkt‐Computer. Innovation: Single‐Bus.

CPU Speicher ConsoleTerminalPaper

Tape I/O Other I/ODer PDP‐8Omnibus

Generation 3: Integrierte Schaltungen (1965‐1970)



1964 360 IBM Erste Computer‐Produktlinie (z.B. Model 30, 40, 50, 65) von IBM die beides wissenschaftliches (bisher 7094) und kommerzielles (bisher 1401) Rechnen vereinte. Produktlinie basiert auf ICs. Innovationen: eine Assembler‐Sprache für alle Geräte der Produktlinie, Multiprogramming, Emulation von 1401 und 7094.

1970 PDP‐11 DEC DECs IC‐basierter 16‐Bit‐Nachfolger des PDP‐8. Dominierender Minicomputer in den 1970ern.

Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970)



1971 Intel 4004 Intel Erster in Serie produzierter Ein‐Chip‐Mikroprozessor. (4‐Bit‐Mikroprozessor)

1971 TMS 1000 Gary Boone und Michael Cochran,Texas Instruments

ErsterMikrocontroller (bestehend aus ROM, RAM, Prozessor, Clock). Einsatzgebiet: Eingebettete Systeme.

1974 8080 Intel Erste Personal‐Computer werden als Bastel‐Kits bestehend aus loser Platine, Kabeln, Netzteil, ggf. Floppy und ICs verkauft. Ein Standard‐IC ist der Intel 8080. Software gab es keine. Später wurde das CP/M Betriebssystem von Gary Kindall auf 8080ern populär.




1974 CRAY‐1 Cray Erster Vektor‐Supercomputer. Die Architektur wurde vom Team um Seymour Cray entwickelt. Die erste Cray‐1 wurde 1976 am Los Alamos National Laboratory in Betrieb genommen und kostete 8,8 Millionen US‐Dollar.

1976 Apple I Steve Jobs und Steve Wozniak, Apple

Einer der ersten Personal‐Computer. Wurde als fertig bestückte Platine verkauft.

1977 Apple II Steve Jobs und Steve Wozniak, Apple

Einer der ersten höchst erfolgreichen massengefertigte Mikrocomputer.

1978 VAX DEC Erster 32‐Bit Super‐Minicomputer

1977 8084 Intel Als Antwort auf den Texas Instruments TMS 1000 Mikrocontroller entwickelt Intel ebenfalls ein Computer‐System auf einem Chip. Einsatzgebiet beispielsweise in Milliarden von Keyboards.




1981 IBM PC IBM, PhilipEstridge

Erster IBM Personal Computer, gefertigt aus kommerziellen Komponenten. Intel 8088 als CPU. Der Computer wurde ein Best‐Seller. Beginn der modernen Personal‐Computer‐Ära. Ausgestattet mit MS‐DOS von Microsoft.

1981 Osborne‐1 Osborne Erster tragbarer Personal‐Computer mit etwa 11 kg Gewicht.

1982 C64 Commodore Personal‐Computer auf Basis des 6510er 8‐Bit Mikroprozessors. Mit 12.5 bis 17 Millionen verkauften Einheiten einer der erfolgreichsten Personal‐Computer‐Modelle aller Zeiten.

1983 Lisa Apple Erster Personal Computer mit Maus und Betriebssystem mit grafischer Benutzeroberfläche (GUI). Verkaufte sich wegen des hohen Preises von rund 10.000 US‐Dollarschlecht. Produktion wurde 1984 wieder eingestellt.

1984 Macintosh Apple Deutlich preisgünstiger, aber dem Apple Lisa technisch ähnlich. Der Mac wurde zum großen Erfolg.




1985 386 Intel Mit dem 8088‐Erfolg produzierte Intel größere und bessere Versionen. Der 32‐Bit Prozessor 386 ist der Vorgänger des Pentium.

1985 MIPS MIPS Erste Kommerzielle RISC‐Maschine

1985 Atari ST Atari Personal‐Computer auf Basis des Motorola 68000er. Einer der ersten Computer mit einer Color GUI. (Version des Digital Research's GEM)

1987 SPARC Sun Erste SPARC‐Prozessor‐basierte Workstation von Sun

1987 Amiga500 Amiga Personal‐Computer auf Basis des Motorola 68000er. Einer der besten Multimedia Home‐Computer seiner Zeit.

1990 RS6000 IBM Erste superskalare Maschine.

1992 Alpha DEC Erster 64‐Bit Personal Computer.



1993 PIC MicrochipTechnology

Erster Mikrocontroller auf Basis von EEPROMs. Diese erlauben das „Flashen“ ohne zusätzliche Hardware. Bemerkung: Mikrocontroller gibt es schon seit 1971. Mikrocontroller finden sich mittlerweile in sehr vielen Alltagsgegenständen.

1993 Newton Apple Erster Palmtop‐Computer. Vorgänger der PDAs.

1993 Simon IBM Erstes Smart‐Phone welches neben Telefonieren mit einfachen Programmen aufwartet. (Kalender, Email etc.)

1996 Nokia 9000 Nokia Kombination aus PDA von HP und Nokias zu der Zeit best‐verkauften Mobiltelefon. (unter anderem Email und textbasiertes Browsen)

1997 GS88 Ericson Der Begriff Smartphone wird erstmals von Ericson mit Einführung des GS88geprägt.

2001 Kyocera 6035 Palm Erstes in den USA weitverbreitetes Smartphone. Limitierte Unterstützung von Web‐Browsing.

2002 Palm OS Treo Handspring Web‐Browsing, Email, etc. und Mobile Drittanbieter‐Applikationen.

2002 BlackBerry RIM Etwa 32 Millionen Kunden December 2009.

2007 iPhone Apple Erstes Smartphone mit einem Multi‐Touch Interface.

2008 HTC Dream HTC Erstes Smartphone auf Basis des Android OS.

2010 Nexus One Google Google bringt das Nexus One Smartphone für Android OS heraus.

2010 Wave S8500 Samsung Bada‐OS‐basiertes Smartphone mit einer Million verkaufter Exemplare in den ersten vier Wochen auf dem Markt.

Generation 5: „Invisible‐Computers“ (ab 1993)

Beispiel heutiger Mikrocontoller und Mikroprozessoren


Mikroprozessoren Mikrocontroller

Architektur Typ Ursprüngliche Spezifikationdurch

Beispiel weiterer Hersteller

x86 (beinhaltet Pentium und co.)

CISC Intel AMD

PowerPC RISC Motorola, IBM, Apple

Sun SPARC RISC Sun Fujitsu, Texas Instruments

MIPS RISC MIPS Technologies

Hitachi SuperH RISC Hitachi

ARM RISC ARM Limited

68k CISC Motorola

TMS320 Texas Instruments

Architektur Herteller

MCS‐51 Intel

H8 RenesasTechnologies

Z8 Zilog

PIC MicrochipTechnology

68HC08 Freescale(ehemals Motorola)

AVR Atmel

MSP430 Texas Instruments

Embedded

Trends


Moore‘s Law

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Einführung 56Bildquelle: en.wikipedia.org/wiki/Moores_law

Single‐Prozessor‐Performance


Move to multi-processor

Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy. “Computer Architecture”. 5th Edition, 2012

Die Power‐Wall


Leistungsverlust P in Abhängigkeit von Spannung U und Taktfrequenz f:

Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012

Alte Verkaufszahlen: Prozessoren


Anzahl verkaufter Prozessoren (embedded, ≥ 32 bit) bzw. Systeme (desktop, server)

Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy. “Computer Organization And Design”. 3rd Edition

Alte Verkaufszahlen: ISAs


ca. 80% davonfür Mobiltelefone

Anzahl verkaufter Prozessoren (≥ 32 bit)

Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy. “Computer Organization And Design”. 3rd Edition

Zusammenfassung und Literatur


Zusammenfassung• Computer‐Architektur beinhaltet

– Instruction‐Set‐Architektur– Rechnerorganisation/Mikroarchitektur– Hardware

• ISA als Schnittstelle zwischen Hard‐ und Software• Performance ist abhängig vom Produkt der Einzelfaktoren:

– Instruction‐Count– CPI– Clock‐Cycles

• Leistungsverbrauch ist heute ein wesentlicher limitierender Faktor

• Ausblick: wesentliche Performanceverbesserungen durch– Parallelität– Caching


Literatur[PattersonHennessy2012] David A. Patterson und John L. Hennessy,

„Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 20121.1 Introduction1.2 Below Your Program1.3 Under the Covers1.4 Performance1.5 The Power Wall1.7 Real Stuff: Manufacturing and Benchmarking the AMD Opteron X41.8 Fallacies and Pitfalls1.9 Concluding Remarks

[HennessyPatterson2012] John L. Hennessy und David A. Patterson, „Computer Architecture“, Fifth Edition, 20121.1 Introduction1.2 Classes of Computers

[Tanenbaum2006] Andrew S Tanenbaum, „Structured Computer Organization“, Fifth Edition, 20061.1.2 Contemporary Multilevel Machines1.2 Milestones in Computer Architecture


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