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@@ -183,7 +183,11 @@ densidad de integración \end_layout \begin_layout Section -Potencia consumida +Problemas +\end_layout + +\begin_layout Subsection +Potencia \end_layout \begin_layout Standard @@ -286,26 +290,36 @@ Apagar selectivamente núcleos del procesador. Estados de bajo consumo en RAM, discos duros, etc. \end_layout -\begin_layout Section -Problemas +\begin_layout Subsection +Paralelismo \end_layout \begin_layout Standard -Disminuir el CPI requiere aumentar el bus de datos. - Se suele hacer con segmentación, pero a partir de 10 etapas aparecen muchos - conflictos, por lo que se replica el cauce usando ejecución superescalar - (varias instrucciones empezando y terminando a la vez) fuera de orden y - especulativa. - Esto requiere mucho +Disminuir el CPI requiere aumentar el bus de datos y usar segmentación, + pero a partir de 10 etapas aparecen muchos conflictos, por lo que se replica + el cauce usando ejecución superescalar (varias instrucciones empezando + y terminando a la vez) fuera de orden y especulativa. + Estas técnicas permiten conseguir +\series bold +ILP +\series default + ( +\emph on +\lang english +Instruction-Level Parallelism +\emph default +\lang spanish +), en que varias instrucciones se ejecutan a la vez consiguiendo superar + la instrucción por ciclo, pero requiere mucho \emph on \lang english hardware \emph default \lang spanish -, por lo que consume mucha energía. + y por tanto consume mucha energía. \end_layout -\begin_layout Section +\begin_layout Subsection Acceso a memoria \end_layout @@ -313,17 +327,18 @@ Acceso a memoria La mejora en los procesadores es más rápida que en la memoria, y el bus entre ambas tiene muy alta latencia. La ejecución fuera de orden solo puede mitigar este problema parcialmente. - \end_layout -\begin_layout Section +\begin_layout Subsection Fiabilidad \end_layout \begin_layout Standard -Al reducir el tamaño de los componentes, estos son más sensibles a partículas - cargadas en el ambiente, por lo que los bits pueden cambiar de valor. - Por ello se crean memorias y cachés con códigos de corrección ( +También hay problemas problemas de fiabilidad, pues conforme los diseños + de procesadores se hacen más grandes es más difícil comprobar su corrección. + Además, al reducir el tamaño de los componentes, estos son más sensibles + a partículas cargadas en el ambiente capaces de cambiar el valor de los + bits, por lo que se crean memorias y cachés con códigos de corrección ( \series bold ECC \series default @@ -334,31 +349,411 @@ Error Correction Codes \emph default \lang spanish ). - También surgen problemas de impedancia y capacitancia que dan lugar a + Surgen problemas de impedancia y capacitancia, y como los transistores + reciben y alteran la señal de reloj, al aumentar su número puede haber + modificaciones perceptibles en dicha señal, lo que llamamos +\series bold +sesgo de reloj +\series default + o \series bold \emph on \lang english -dark silicon +clock skew \series default \emph default \lang spanish -, parte del área del chip que no se puede usar por estos problemas. - Finalmente, al ser los diseños de procesadores más grandes, es más difícil - comprobar su corrección, y como los transistores reciben y alteran la señal - de reloj, al aumentar su número puede haber modificaciones perceptibles - en dicha señal, lo que llamamos +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Podemos medir la fiabilidad en \series bold -sesgo de reloj +tiempo medio hasta un fallo +\series default + ( +\series bold +MTTF +\series default +, +\emph on +\lang english +Mean Time To Failure +\emph default +\lang spanish +), +\series bold +tiempo medio para reparaciones +\series default + ( +\series bold +MTTR +\series default +, +\emph on +\lang english +Mean Time To Recover +\emph default +\lang spanish +), +\series bold +tiempo medio entre fallos +\series default + ( +\series bold +MTBF +\series default +, +\emph on +\lang english +Mean Time Between Failures +\emph default +\lang spanish +, la suma de los dos anteriores) y +\series bold +disponibilidad +\series default + (el MTTF entre el MTBF). +\end_layout + +\begin_layout Section +Paralelismo +\end_layout + +\begin_layout Standard +Michael J. + Flynn clasifica las arquitecturas en: +\end_layout + +\begin_layout Itemize + +\series bold +SISD +\series default + ( +\emph on +\lang english +Single Instruction Single Data +\emph default +\lang spanish +): Procesador secuencial sin paralelismo. +\end_layout + +\begin_layout Itemize + +\series bold +MISD +\series default + ( +\emph on +\lang english +Multiple Instruction Single Data +\emph default +\lang spanish +): Operaciones secuenciales pero redundantes, útil para sistemas de emergencia. +\end_layout + +\begin_layout Itemize + +\series bold +SIMD +\series default + ( +\emph on +\lang english +Single Instruction Multiple Data +\emph default +\lang spanish +): Operaciones +\series bold +vectorizadas +\series default +, en que una sola instrucción ejecuta la misma operación sobre varios datos. + Es la usada en GPUs, aunque las CPUs modernas suelen tener instrucciones + SIMD. +\end_layout + +\begin_layout Itemize + +\series bold +MIMD +\series default + ( +\emph on +\lang english +Multiple Instruction Multiple Data +\emph default +\lang spanish +): Varios procesadores o +\series bold +núcleos +\series default + realizando operaciones distintas en datos distintos. +\end_layout + +\begin_layout Subsection +Multiprocesadores +\end_layout + +\begin_layout Standard +Son procesadores con +\series bold +arquitecturas multinúcleo +\series default + (MISD o MIMD). + Un +\series bold +CMP +\series default + ( +\series bold +\emph on +\lang english +Chip Multiprocessor +\series default +\emph default +\lang spanish +) es un multiprocesador en un solo chip. + +\end_layout + +\begin_layout Standard +Usar varios núcleos pequeños en vez de uno grande hace más fácil verificar + el diseño y permite reducir el voltaje y la frecuencia con el mismo rendimiento +, con lo que la cantidad de transistores útiles es mayor. + Además, se mitigan los problemas eléctricos y, como cada núcleo tiene su + propio reloj, desaparece el sesgo de reloj. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Así, la frecuencia de reloj de los procesadores no sigue aumentando, de + hecho disminuye, pero la ley de Moore se reinterpreta como que el número + de núcleos por chip se puede duplicar cada 2 años. +\end_layout + +\begin_layout Subsection +Acceso a memoria +\end_layout + +\begin_layout Standard +En un procesador MIMD, la memoria puede ser: +\end_layout + +\begin_layout Itemize + +\series bold +Compartida +\series default +: Un único espacio de direcciones al que tienen acceso todos los procesadores, + y que puede usarse para la comunicación entre estos. + El acceso a memoria puede hacerse con un bus compartido o con una red más + directa como una malla. +\end_layout + +\begin_layout Itemize + +\series bold +Distribuida +\series default +: Cada procesador tiene su propia memoria local, y la comunicación se hace + por instrucciones de paso de mensajes. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Los clústeres y centros de datos usan memoria distribuida entre los ordenadores, + aunque cada ordenador suele tener varios núcleos con memoria compartida + y vectorización SIMD. +\end_layout + +\begin_layout Section +Medidas de rendimiento +\end_layout + +\begin_layout Standard +Podemos medir el rendimiento de un procesador por el tiempo de ejecución + de algún programa o su productividad o +\emph on +\lang english +throughput +\emph default +\lang spanish + (operaciones de algún tipo por unidad de tiempo). + Se puede usar el tiempo de ejecución real, que incluye la sobrecarga de + todo el sistema, o el tiempo de CPU usado para el cálculo. + La +\begin_inset Quotes cld +\end_inset + + +\series bold +aceleración +\series default + +\begin_inset Quotes crd +\end_inset + + de un procesador o un programa respecto a otro (funcionalmente equivalente) + es el tiempo de ejecución del segundo entre el del primero. + El +\series bold +ancho de banda +\series default + es el trabajo total realizado en un tiempo determinado, y la +\series bold +latencia \series default o \series bold +tiempo de respuesta +\series default + es el tiempo entre el inicio y el final de una operación. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Los +\series bold \emph on \lang english -clock skew +benchmarks \series default \emph default \lang spanish -. + son programas usados para comparar el rendimiento. + Hay de varios tipos: +\emph on +\lang english +kernels +\emph default +\lang spanish + (como multiplicación de matrices), programas de juguete (como ordenación + de elementos), +\emph on +\lang english +benchmarks +\emph default +\lang spanish + sintéticos (como Dhrystone) o suites de +\emph on +\lang english +benchmarks +\emph default +\lang spanish + como SPEC06fp o TPC-C. +\end_layout + +\begin_layout Standard +La +\series bold +intensidad aritmética +\series default + es el número de operaciones en coma flotante por byte u operando leído + de memoria para un cierto algoritmo. + El +\series bold +modelo de rendimiento +\emph on +Roofline +\series default +\emph default + consiste en medir el rendimiento de coma flotante en +\series bold +FLOPS +\series default + (operaciones de punto flotante por segundo) en función de la intensidad + aritmética, midiendo así tanto el ancho de banda de memoria como el rendimiento + de punto flotante. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Algunos aspectos relevantes son la frecuencia de reloj, el número de transistore +s, el tamaño de la caché de cada nivel, la cantidad de memoria direccionable, + el ancho de banda del bus de memoria, el número de núcleos por chip, el + tamaño de la litografía y el tamaño de los operandos. +\end_layout + +\begin_layout Section +Límites del paralelismo +\end_layout + +\begin_layout Standard +Todos los programas paralelos tienen secciones secuenciales, debido a la + duplicación de trabajo entre varios procesadores o a la espera del resto + de procesadores a que uno acabe. + La +\series bold +ley de Amdahl +\series default + afirma que, si en un proceso una parte que ocupa una porción +\begin_inset Formula $p$ +\end_inset + + del tiempo total se hace +\begin_inset Formula $S$ +\end_inset + + veces más rápido, el proceso en total se hace +\begin_inset Formula +\[ +\frac{1}{(1-p)+\frac{p}{S}} +\] + +\end_inset + +veces más rápido. + En particular, como las partes paralelas se hacen tantas veces más rápido + como el total de procesadores, las partes secuenciales limitan la efectividad + del paralelismo con una cota superior inversa a la fracción de código secuencia +l. +\end_layout + +\begin_layout Standard +En la práctica nunca se llega al rendimiento obtenido por la ley de Amdahl + porque los procesadores tienen que comunicarse. + La +\series bold +ley de Gustafson +\series default + afirma que, si un programa se ejecuta en +\begin_inset Formula $N$ +\end_inset + + procesadores iguales con un tiempo secuencial +\begin_inset Formula $s$ +\end_inset + + y un tiempo paralelo en cada uno +\begin_inset Formula $p$ +\end_inset + +, la aceleración por haberlo paralelizado es +\begin_inset Formula +\[ +\frac{s+Np}{s+p}, +\] + +\end_inset + +con lo que un problema con parte paralela lo suficientemente grande puede + ser paralelizado eficientemente. +\begin_inset Foot +status open + +\begin_layout Plain Layout +Realmente esto es lo mismo que la ley de Amdahl y la misma conclusión se + puede obtener directamente de la ley de Amdahl, pero a los ingenieros les + gusta pensar que es otra cosa así que así sea. +\end_layout + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard +Esto cambia los objetivos hacia la formulación de problemas para poder soluciona +r casos mayores en la misma cantidad de tiempo, de modo que a veces es preferibl +e aumentar la cantidad total de cálculos a cambio de disminuir la parte + secuencial. \end_layout \end_body |