ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΕΠΙ ΟΣΗΣ Η/Υ ΓΙΑ ΥΠΟ ΟΜΕΣ ΣΥΣΤΟΙΧΙΩΝ ΤΥΠΟΥ GRID ΜΠΟΓΟΡ ΟΣ ΗΛΙΑΣ 09099061 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ:ΑΛΕΞΟΠΟΥΛΟΣ ΘΕΟ ΩΡΟΣ Αθήνα, Μάρτιος 2005

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ v 1.ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 1 1.1 Μηδενική Γενιά Μηχανικοί Υπολογιστές 1 1.2 Η πρώτη Γενιά Λυχνίες Κενού 3 1.3 Η εύτερη Γενιά Τρανζίστορ 6 1.4 Η Τρίτη Γενιά Ολοκληρωµένα Κυκλώµατα 7 1.5 Η Τέταρτη Γενιά Προσωπικοί Υπολογιστές και VLSI 9 1.6 Η Οικογένεια Intel 9 1.7 Η Οικογένεια Motorola 14 2.ΚΛΙΜΑΚΩΤΕΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 16 2.1 Γενικά 16 2.2 Η Πυραµίδα Υπολογιστών 17 2.3 Σύγκλιση Αρχιτεκτονικών Συστηµάτων 19 2.4 Μορφές Ικανότητας Κλιµάκωσης 20 2.4.1 Resource Scalability 20 2.4.2 Application Scalability 21 2.4.3 Technology Scalability 23 2.5 Χαρακτηριστικά Απόδοσης 24 2.6 Βασικές Ιδέες Συσσωµάτωσης (Clustering) 27 2.6.1 Χαρακτηριστικά Ενός Cluster 27 2.6.2 Συγκρίσεις Αρχιτεκτονικών 29 2.6.3 Πλεονεκτήµατα και υσκολίες των Clusters 31 i

3.ΜΕΤΡΙΚΕΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΚΑΙ BENCHMARKS 34 3.1 Ταξινόµηση των Benchmarks 34 3.2 Micro Benchmarks 36 3.2.1 Linpack 36 3.2.2 Lmbench 38 3.2.3 Stream 40 3.3 Benchmarks Παράλληλης Επεξεργασίας 41 3.3.1 NPB 41 3.3.2 Parkbench 42 3.3.3 TPC 42 3.3.4 SPEC Benchmark Family 44 4. LMBENCH BENCHMARK 46 4.1 Εισαγωγή 46 4.2 Προγενέστερη Εργασία 48 4.3 Παρατηρήσεις για το Benchmarking 49 4.3.1 Ταξινόµηση των Συγκριτικών Μετρήσεων Επιδόσεων 49 4.3.2 Μεταγλωττιστές 50 4.3.3 Ζητήµατα Συγχρονισµού 50 4.4 Benchmarks Εύρους Ζώνης 51 4.5 Μετρήσεις Καθυστέρησης 52 4.5.1 Καθυστέρηση Ανάγνωσης Μνήµης 52 4.6 Context Switching 53 4.7 Interprocess Communication Καθυστερήσεις 55 4.8 Καθυστέρηση File System 56 4.9 Micro Benchmarks 56 5. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 65 ii

6. GRID 84 6.1 Γενικά 84 6.2 Χαρακτηριστικά Πλέγµατος (GRID) 84 6.3 Γενιές Grids 85 6.4 Κατηγορίες Grids 86 6.5 Grids και Clusters 87 6.6 Βασικά Συστατικά µιας Πλεγµατικής Υποδοµής 87 6.7 Testbebs 88 6.8 Grid Resources 90 6.9 Πλεονεκτήµατα Του GRID 91 6.9.1 Εισαγωγή 91 6.9.2 Σηµασία του Grid για την επιστηµονική κοινότητα 91 6.9.3 Σηµασία για τον Ιδιωτικό Τοµέα 92 6.9.4 Σηµασία για την Ζωή των Πολιτών 92 7. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 93 7.1 Σχόλια 93 7.2 Προτάσεις για το µέλλον 97 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 99 iii

ΜΠΟΓΟΡ ΟΣ ΗΛΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ EΙΣΑΓΩΓΗ Η κορύφωση της επανάστασης στην τεχνολογία των υπολογιστών και των τηλεπικοινωνιών δίνει για πρώτη φορά στην ανθρώπινη ιστορία το τεχνολογικό υπόβαθρο για την ανάπτυξη κοινωνιών πληροφορίας και γνώσης. Κατά το πέρασµα των χρόνων οι µονάδες υπολογιστικών συστηµάτων και το υλικό τους (hardware) µειώνουν µε εντυπωσιακούς ρυθµούς τις διαστάσεις τους καθώς ταυτόχρονα αυξάνεται η απόδοση τους. Η συνεχής προσπάθεια για δηµιουργία αποδοτικότερων λειτουργικών συστηµάτων (software) και η ανάπτυξη υπολογιστικών προγραµµάτων υψηλών απαιτήσεων, οδήγησε στην ανάγκη για ένωση υπολογιστών και κατ επέκταση την δηµιουργία συστοιχιών (cluster) υπολογιστών και την υλοποίηση της παράλληλης επεξεργασίας. Σύµφωνα µε τον Gregory F. Phister µάλιστα : Υπάρχουν τρεις τρόποι για να κάνεις κάτι πιο γρήγορα : 1. ούλεψε πιο σκληρά. 2. ούλεψε πιο έξυπνα 3. Ζήτα βοήθεια. Η επιστηµονική δραστηριότητα σε παγκόσµιο επίπεδο έχει ήδη περάσει στην φάση της διεθνοποίησης των προσπαθειών, των µεθόδων, της υποδοµής και της διαχείρισής της, της επεξεργασίας και διεξαγωγής αποτελεσµάτων. Επίσης οι συνεχώς αναπτυσσόµενες εφαρµογές έντασης πληροφορίας και η ζήτηση για πρόσβαση στην πληροφορία σε κάθε γεωγραφικό σηµείο καθιστούν αναγκαία τη διασύνδεση των κατανεµηµένων πόρων και υποδοµών µε ηλεκτρονικά δίκτυα και ειδικευµένο ενδιάµεσο λογισµικό. v

ΜΠΟΓΟΡ ΟΣ ΗΛΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Βασικός σκοπός αυτής της διπλωµατικής εργασίας είναι η καταγραφή διαφόρων αρχιτεκτονικών υπολογιστών, η παρουσίαση των βασικότερων εννοιών παράλληλων συστηµάτων και συστοιχιών, η ανάλυση των τρόπων µέτρησης απόδοσης αυτών και η εισαγωγή στην αναπτυσσόµενη υποδοµή του GRID. Συγκεκριµένα : ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 : Ιστορική Αναδροµή των αρχιτεκτονικών υπολογιστών µέσα από τα διάφορα στάδια εξέλιξής τους. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 : Παρουσιάζονται οι σηµαντικότερες έννοιες που αφορούν την κλιµάκωση και την απόδοση παράλληλων υπολογιστικών συστηµάτων καθώς επίσης µελετάται η ανάπτυξη συστοιχιών, τα πλεονεκτήµατά τους και τέλος συγκρίνονται µε άλλα παράλληλα συστήµατα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 : Μελέτη των προγραµµάτων µέτρησης απόδοσης (benchmarks), κατηγοριοποίησή τους και καταγραφή των κυριότερων. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 : Ανάλυση της LMBENCH microbenchmark suite, η οποία χρησιµοποιήθηκε για την µέτρηση απόδοσης των υπολογιστικών συστηµάτων του εργαστηρίου. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 : Παρουσίαση και σχολιασµός αποτελεσµάτων, καταγραµµένα σε πίνακες κατηγοριοποίησης. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 : Αναφέρονται σε αυτό το κεφάλαιο οι βασικές έννοιες της υποδοµής Πλέγµατος και καταγράφονται µερικά πλεονεκτήµατα του για τον σύγχρονο άνθρωπο. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 : Συµπεράσµατα και ανάλυση αποτελεσµάτων. Προτάσεις για το µέλλον. vi

1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 1 ο KΕΦΑΛΑΙΟ ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Εκατοντάδες διαφορετικά είδη υπολογιστών έχουν σχεδιαστεί και κατασκευαστεί κατά την διάρκεια της εξέλιξης του σύγχρονου ψηφιακού υπολογιστή. Οι περισσότεροι έχουν ήδη ξεχαστεί, αλλά µερικοί επηρέασαν σηµαντικά τις σύγχρονες ιδέες. Στο κεφάλαιο αυτό, περιγράφονται µε συντοµία µερικά από τα βασικά ιστορικά στάδια ανάπτυξης για να καταλάβουµε το σηµείο που βρισκόµαστε σήµερα. Η ανάλυση που ακολουθεί βασίζεται κυρίως στο [2]. 1.1. ΜΗ ΕΝΙΚΗ ΓΕΝΙΑ ΜΗΧΑΝΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ (1642-1945) Ο πρώτος που κατασκεύασε µια υπολογιστική µηχανή ήταν ο Γάλλος επιστήµονας Blaise Pascal, προς τιµή του οποίου ονοµάστηκε η γλώσσα προγραµµατισµού. Αυτή η µηχανή, την οποία κατασκεύασε ο Pascal σε ηλικία 19 ετών, ήταν εξ ολοκλήρου µηχανική, χρησιµοποιούσε γρανάζια και ενεργοποιούνταν από µια χειροκίνητη µανιβέλα. Η µηχανή αυτή µπορούσε να κάνει µόνο αφαίρεση και πρόσθεση, αλλά τριάντα χρόνια αργότερα ο µεγάλος Γερµανός µαθηµατικός Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646-1716) κατασκεύασε µια άλλη µηχανή που εκτελούσε επίσης πολλαπλασιασµό και διαίρεση. Τίποτα το σηµαντικό δεν συνέβη τα επόµενα 150 χρόνια µέχρι που ο καθηγητής µαθηµατικών Charles Babbage (1792-1871), εφευρέτης του ταχυµέτρου, 1

1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ σχεδίασε και κατασκεύασε την µηχανή διαφορών (difference engine). Αυτή η µηχανική συσκευή, που όπως η µηχανή του Pascal εκτελούσε µόνο πρόσθεση και αφαίρεση, είχε σχεδιαστεί για τον υπολογισµό πινάκων αριθµών χρήσιµων στη ναυσιπλοΐα. Ολόκληρη η κατασκευή της µηχανής είχε σχεδιαστεί για να εκτελεί ένα µόνο αλγόριθµο, τη µέθοδο των πεπερασµένων διαφορών µε χρήση πολυωνύµων. Τα αποτελέσµατα της µηχανής αποτυπώνονταν σε µια χάλκινη πλάκα µε χαλύβδινο καλούπι. Αν και ήταν µια µηχανή διαφορών που λειτουργούσε αρκετά καλά, ο Babbage την βαρέθηκε γρήγορα γιατί µπορούσε να εκτελέσει µόνο έναν αλγόριθµο. Έτσι λοιπόν σχεδίασε και κατασκεύασε την αναλυτική µηχανή (analytical engine). Η αναλυτική µηχανή είχε τέσσερα µέρη : την περιοχή αποθήκευσης (µνήµη), το µύλο (µονάδα υπολογισµών), το τµήµα εισόδου (αναγνώστης διάτρητων καρτών) και το τµήµα εξόδου (διάτρητη και τυπωµένη έξοδος). Η περιοχή αποθήκευσης αποτελούνταν από 1000 λέξεις των 50 δεκαδικών ψηφίων και χρησίµευε για την αποθήκευση µεταβλητών και αποτελεσµάτων. Ο µύλος µπορούσε να δεχθεί τελεστές από την περιοχή αποθήκευσης, να τους προσθέτει, να τους αφαιρεί, να τους πολλαπλασιάζει ή να τους διαιρεί και να επιστρέφει ένα αποτέλεσµα στη περιοχή αποθήκευσης. υστυχώς όπως πολλοί σύγχρονοι σχεδιαστές, ο Babbage ποτέ δεν αποσφαλµάτωσε τελείως το υλικό. Το πρόβληµα ήταν ότι έπρεπε να κατασκευαστούν χιλιάδες οδοντώσεις, τροχοί και γρανάζια σε βαθµό ακριβείας που η τεχνολογία του δέκατου ενάτου αιώνα δεν µπορούσε να παρέχει. Στις Η.Π.Α αργότερα κατασκευάστηκε µια αριθµοµηχανή του John Atanasoff, η οποία χρησιµοποιούσε αριθµητική δυαδική και πυκνωτές για µνήµη, που ανανεώνονταν περιοδικά για να αποφεύγεται η διαρροή φορτίου. Τα σύγχρονα chip δυναµικής RAM λειτουργούν έτσι. υστυχώς η µηχανή δεν λειτούργησε ποτέ και ο Atanasoff έπεσε θύµα και αυτός της ανεπαρκούς τεχνολογίας υλικού. Ο Howard Aiken ενώ εκτελούσε την διδακτορική διατριβή του στο πανεπιστήµιο του Harvard ανακάλυψε την εργασία του Babbage και αποφάσισε να κατασκευάσει µε ηλεκτρονόµους τον υπολογιστή γενικής χρήσης που δεν µπόρεσε να κατασκευάσει ο Babbage µε οδοντωτούς τροχούς. Η πρώτη µηχανή του Aiken, Mark I, ολοκληρώθηκε στο Harvard το 1944. ιέθετε 72 λέξεις των 23 δεκαδικών ψηφίων κάθε µια και χρόνο κύκλου ίσο µε 6 δευτερόλεπτα. Για είσοδο και έξοδο χρησιµοποιούσε χάρτινη διάτρητη ταινία. Όταν ο Aiken ολοκλήρωσε τον Mark II, οι 2

1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ υπολογιστές µε ηλεκτρονόµους ήταν απαρχαιωµένοι και έτσι λοιπόν είχε αρχίσει η ηλεκτρονική εποχή. 1.2. Η ΠΡΩΤΗ ΓΕΝΙΑ ΛΥΧΝΙΕΣ ΚΕΝΟΥ (1642 1945) Το ερέθισµα για τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές ήταν ο Β Παγκόσµιος πόλεµος. Οι διαταγές στέλνονταν από τον Γερµανό ναύαρχο στα υποβρύχια στο Βερολίνο µέσω ραδιοφωνικών σηµάτων που µπορούσαν να τα εντοπίσουν οι Βρετανοί. Το πρόβληµα ήταν ότι τα µηνύµατα αυτά ήταν κρυπτογραφηµένα µέσω µιας συσκευής που λεγόταν ENIGMA, σχεδιασµένη από τον Thomas Jefferson. Οι Βρετανοί για να αποκρυπτογραφήσουν τα µηνύµατα δηµιούργησαν ένα ηλεκτρονικό υπολογιστή τον COLOSSUS, ο οποίος σχεδιάστηκε αλλά δεν εξελίχθηκε ποτέ, λόγω στρατιωτικών απορρήτων. Ο John Mauchley κατέθεσε µια πρόταση ζητώντας από τον στρατό να χρηµατοδοτήσει την κατασκευή ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή. Η πρόταση του έγινε δεκτή το 1943 και έτσι λοιπόν ο Mauchley µε τον µεταπτυχιακό φοιτητή του Eckert προχώρησαν στην κατασκευή ενός υπολογιστή τον οποίο ονόµασαν ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer Ηλεκτρονικός Αριθµητικός Ολοκληρωτής και Υπολογιστής). Αποτελούνταν από 19000 λυχνίες κενού και 1500 µετρονόµους. Ο ENIAC ζύγιζε 30 τόνους και κατανάλωνε 140 kw ισχύος. Από αρχιτεκτονικής πλευράς, η µηχανή διέθετε είκοσι καταχωρητές, που ο καθένας µπορούσε να αποθηκεύει ένα δεκαδικό αριθµό 10 ψηφίων. Ο προγραµµατισµός του γίνονταν µε την ρύθµιση 6000 διακoπτών πολλών θέσεων και την σύνδεση ενός µεγάλου πλήθους υποδοχών µε ένα πραγµατικό δάσος από καλώδια βραχυκυκλωτών. Τα βασικά κοµµάτια της οθόνης ήταν : το Cycling Unit, Master Programmer Unit, Function Table, Accumulator και τέλος οι Digit Trays. Οι υπολογισµοί που γίνονταν µε το χέρι σε χρονικό διάστηµα 12 ωρών, µε τον ENIAC µπορούσαν πλέον να γίνουν µέσα σε 30 λεπτά. Αυτό σήµαινε ότι η µηχανή αυτή ήταν γρηγορότερη κατά έναν παράγοντα 1,44, ο οποίος στην ουσία ήταν µηδαµινός καθώς µε το πέρασµα των χρόνων, υπήρξε ραγδαία αύξηση υπολογιστικής ισχύος την µείωση του κόστους των µηχανών [3]. 3

1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Εικόνα 1.1 : Ο υπολογιστής ENIAC [3] Η µηχανή ολοκληρώθηκε το 1946 και έπειτα ακολούθησαν πολλές θερινές διαλέξεις που αποτέλεσαν το έναυσµα για άλλους ερευνητές να ξεκινήσουν και αυτοί την κατασκευή του δικού τους ηλεκτρονικού υπολογιστή. Ο πρώτος που τέθηκε σε λειτουργία ήταν ο EDSAC και ακολούθησαν οι JOHNIAC, ILLIAC, MANIAC και ο WEIZAC. Στο µεταξύ ο John von Newmann, κατασκεύαζε στο Princeton την δικιά του µηχανή, την IAS. Ένα προφανές για αυτόν γεγονός ήταν ότι ο προγραµµατισµός υπολογιστών µε τεράστιο αριθµό διακοπτών ήταν αργός, κοπιαστικός και δύσκολος. ιαπίστωσε ότι το πρόγραµµα µπορούσε να παρασταθεί σε ψηφιακή µορφή στη µνήµη του ηλεκτρονικού υπολογιστή, µαζί µε τα δεδοµένα. Είδε επίσης ότι η άκοµψη σειριακή δεκαδική αριθµητική του ENIAC όπου για την παράσταση κάθε ψηφίου χρειάζονταν 10 λυχνίες κενού, µπορούσε να αντικατασταθεί χρησιµοποιώντας παράλληλη δυαδική αριθµητική. 4

1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Το βασικό του σχέδιο γνωστό ως µηχανή von Newmann, χρησιµοποιήθηκε στον EDSAC, τον πρώτο υπολογιστή αποθηκευµένου προγράµµατος, που αποτελεί την βάση για όλους τους σύγχρονους ψηφιακούς υπολογιστές. Ένα σχεδιάγραµµα της αρχιτεκτονικής φαίνεται στην παρακάτω Εικόνα 1.2 : Μνήµη Είσοδος Μονάδα Ελέγχου Αριθµητική Λογική Μονάδα Έξοδος Συσσωρευτής Εικόνα 1.2 : Η αρχική µηχανή του von Newmann [2] Η µηχανή του von Newmann είχε πέντε βασικά τµήµατα : την µνήµη, την αριθµητική λογική µονάδα (ALU), την µονάδα ελέγχου του προγράµµατος και τον εξοπλισµό εισόδου και εξόδου. Η µνήµη αποτελούνταν από 4096 λέξεις, µήκους 40 bit (0 ή 1) η κάθε µία. Στο εσωτερικό της αριθµητικής λογικής µονάδας, πρόδροµος της CPU, βρίσκονταν ο εσωτερικός καταχωρητής των 40 bit που λέγονταν συσσωρευτής. Μια τυπική εντολή πρόσθετε µια λέξη της µνήµης στο συσσωρευτή ή αποθήκευε το συσσωρευτή στη µνήµη. Ένας τέτοιος υπολογιστής λειτουργεί εκτελώντας την εξής σειρά βηµάτων : Φέρε την επόµενη εντολή από την µνήµη στην διεύθυνση στην αριθµητική λογική µονάδα, Άθροισε το µήκος της εντολής στον συσσωρευτή, Αποκωδικοποίησε την χρησιµοποιώντας την Μονάδα Ελέγχου. Η Μονάδα Ελέγχου διατάζει τον υπολογιστή να εκτελέσει κάποιες διεργασίες, 5

1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Πήγαινε πίσω στο πρώτο Βήµα [4]. 1.3. Η ΕΥΤΕΡΗ ΓΕΝΙΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ (1955 1965) Το τρανζίστορ ανακαλύφθηκε στα εργαστήρια Bell to 1948, το οποίο µέσα σε δέκα χρόνια έφερε επανάσταση στους υπολογιστές και µέχρι το τέλος του 1950 οι υπολογιστές λυχνιών κενού είχαν καταργηθεί. Ο πρώτος υπολογιστής µε τρανζίστορ κατασκευάστηκε στο M.I.T. και ήταν µια µηχανή 16 bit. Ονοµάζονταν ΤΧ-0 (Transistorized experimental computer 0-Πειραµατικός Υπολογιστής Τρανζίστορ) και χρησιµοποιήθηκε ως συσκευή ελέγχου του υπολογιστή ΤΧ-2, ο οποίος δεν κατέληξε πουθενά. Πέρασαν 4 χρόνια µέχρι να κατασκευαστεί ένας εµπορικός υπολογιστής ο PDP-1. Αυτό συνέβη το 1961 και ο PDP-1 είχε 4K λέξεις των 18 bit και χρόνο κύκλου ίσο µε 5 δευτερόλεπτα. Αυτή η απόδοση ήταν η µισή της απόδοσης του IBM 7090, του γρηγορότερου για εκείνη την εποχή υπολογιστή. Μερικά χρόνια αργότερα η ίδια εταιρεία εισήγαγε τον PDP-8, που ήταν ένας υπολογιστής των 12 bit και πολύ φθηνότερος από τον PDP-1. Ο PDP-8 εισήγαγε ένα σηµαντικό νεωτερισµό : ένα µόνο δίαυλο (omnibus), όπως φαίνεται στην επόµενη Εικόνα 1.3. Ένας δίαυλος (bus) είναι µια συλλογή παράλληλων καλωδίων που χρησιµοποιούνται για τη σύνδεση των εξαρτηµάτων ενός υπολογιστή. Αυτή η αρχιτεκτονική διέφερε από την µηχανή IAS που ήταν δοµηµένη γύρω από τη µνήµη και υιοθετήθηκε από όλους τους υπολογιστές από τότε. Εικόνα 1.3 : Ο δίαυλος PDP-8 6

1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Το 1964 µια νέα εταιρεία, η CDC, εισήγαγε τον υπολογιστή 6600, έναν υπολογιστή που ήταν µια κλάση γρηγορότερος από τον ισχυρό 7094 της IBM. Ο 6600 περιλάµβανε έναν αριθµό από µικρούς βοηθητικούς υπολογιστές στο εσωτερικό του. Αυτό σήµαινε ότι η CPU µπορούσε να αφιερώσει όλο το χρόνο σε αριθµητικούς υπολογισµούς, αφήνοντας την διαχείριση διεργασιών εισόδου/εξόδου στους µικρότερους υπολογιστές. Εικόνα 1.4 : Ο πρώτος εµπορικός υπολογιστής PDP-8 ( εξιά) 1.4. Η ΤΡΙΤΗ ΓΕΝΙΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ (1965-1980) Η εφεύρεση του ολοκληρωµένου κυκλώµατος επέτρεψε την τοποθέτηση δεκάδων τρανζίστορ σε ένα µόνο chip. Έτσι έγινε δυνατή η κατασκευή µικρότερων, γρηγορότερων και φθηνότερων υπολογιστών από τους υπολογιστές της προηγούµενης γενιάς. Το 1964 η IBM ήταν η πρωτοπόρος εταιρεία υπολογιστών αλλά είχε ένα πρόβληµα µε τα δύο πιο επιτυχηµένα µοντέλα της, τον 7094 και 1401 : ήταν τελείως ασύµβατα µεταξύ τους. Ο πρώτος ήταν ένας ταχύτατος αριθµητικός υπολογιστής ενώ ο άλλος ήταν ένας επεξεργαστής εισόδου/εξόδου. Πολλές εταιρείες είχαν και τους δύο υπολογιστές και δεν αρέσκονταν στην ιδέα να διατηρούν δύο ξεχωριστά τµήµατα προγραµµατισµού χωρίς καµία σχέση µεταξύ τους. Όταν ήρθε ο καιρός να αντικατασταθούν αυτές οι δύο σειρές, η IBM παρουσίασε µία µόνο γραµµή παραγωγής αυτή της σειράς System/360, βασιζόµενη στα ολοκληρωµένα κυκλώµατα που είχαν σχεδιαστεί για εµπορικούς και επιστηµονικούς υπολογισµούς. Η σειρά αυτή περιλάµβανε πολλούς νεωτερισµούς µε πιο σηµαντικό ότι αποτελούσε µια οικογένεια µηχανών µε την ίδια συµβολική γλώσσα και 7

1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ αυξανόµενο µέγεθος και ισχύ. Στην πράξη το λογισµικό που γράφονταν για ένα µικρότερο µοντέλο εκτελούνταν σε ένα µεγαλύτερο χωρίς πρόβληµα. Η ιδέα της οικογένειας υπολογιστών έπιασε αµέσως και µέσα σε µερικά χρόνια οι περισσότεροι κατασκευαστές διέθεταν µια οικογένεια µηχανών, που κάλυπταν ένα µεγάλο εύρος τιµών και απόδοσης. Μερικά χαρακτηριστικά της αρχικής οικογένειας παρουσιάζονται στον παρακάτω Πίνακα 1.1 : Πίνακας 1.1 : Χαρακτηριστικά Αρχικής Οικογένειας Υπολογιστών IBM 360series [2] Ι ΙΟΤΗΤΑ / ΜΟΝΤΕΛΟ 30 40 50 65 Σχετική απόδοση 1 3,5 10 21 Χρόνος κύκλου(nsec) 1000 625 500 250 Μέγιστη µνήµη(k) 64 256 256 512 Bytes που προσκοµίζονται /κύκλο 1 2 4 16 Μέγιστος αριθµός καναλιών δεδοµένων 3 3 4 6 Ένας άλλος σηµαντικός νεωτερισµός της σειράς 360 ήταν ο πολυπρογ ρα µµατισµ ός (multiprogramming) δηλαδή η φόρτωση πολλών προγραµµάτων στη µνήµ η ταυτόχρονα ώστε ότα ν κάποιο περιµ ένει για είσοδο/έξοδο κάποιο άλλο να µπορεί να εκτελείται. Μια άλλη βασική δυνατότητα της 360 ήταν το τεράστιο διάστηµα διευθύνσεων 24 2 bytes (16 Mbytes). Στα µέσα της δεκαετίας του 1980 το όριο των 16 Mbytes αποτέλεσε πραγµατικό πρόβληµα και η IBM πέρασε σε διευθύνσεις των 32 bit. Ο κόσµος των µίνι υπολογιστών προόδευε επίσης σηµαντικά µε την παρουσίαση από την DEC του PDP-11, ενός υπολογιστή των 16 bit που διαδέχθηκε τον PDP-8. Ο υπολογιστής αυτός είχε καταχωρητές λέξεων, µνήµη διαιρούµενη σε bytes και κάλυπτε µια σηµαντική περιοχή λόγου : απόδοση / κόστος. Ο PDP 7 αποτέλεσε την αρχικό υπολογιστή για την δηµιουργία του UNIX. Αξιολογώντας την σπουδαιότητα της δηµιουργίας ενός νέου λειτουργικού, οι McIlroy και McMahon, χρηµατοδότησαν για την αγορά ενός PDP 11, συµβάλλοντας έτσι στην ολοκλήρωση της δηµιουργίας του UNIX. 8

1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 1.5. Η ΤΕΤΑΡΤΗ ΓΕΝΙΑ ΠΡΟΣΩΠΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΚΑΙ VLSI (1980-20xx) Στη δεκαετία του 1980, η ολοκλήρωση VLSI (Very Large Scale Integration - Ολοκλήρωση Πολύ Μεγάλης Κλίµακας) επέτρεπε την τοποθέτηση, πρώτα δεκάδων χιλιάδων, στη συνέχεια εκατοντάδων χιλιάδων και τέλος εκατοµµυρίων, τρανζίστορ σε ένα µόνο chip. Αυτή η εξέλιξη οδήγησε σε µικρότερους και γρηγορότερους υπολογιστές. Πριν από τον PDP-1 οι υπολογιστές ήταν τόσο µεγάλοι και ακριβοί που οι εταιρείες και τα πανεπιστήµια έπρεπε να διατηρούν ειδικά τµήµατα για την λειτουργία τους, τα υπολογιστικά κέντρα (computer centers). Σήµερα οι υπολογιστές διαιρούνται κατά προσέγγιση σε πέντε επικαλυπτόµενες κατηγορίες. Η διάκριση γίνεται µε βάση το φυσικό µέγεθος, την απόδοση και τις περιοχές εφαρµογών. Στο κατώτερο επίπεδο έχουµε τους προσωπικούς υπολογιστές που χρησιµοποιούν µόνο ένα chip επεξεργαστή. Οι µίνι υπολογιστές χρησιµοποιούνται ευρέως σε εφαρµογές πραγµατικού χρόνου και αποτελούνται από ένα µικροεπεξεργαστή 16 ή 32 bit, µνήµη, µερικά chip εισόδου/εξόδου όλα σε µια µόνο κάρτα κυκλώµατος. Οι υπέρ-µίνι είναι στην ουσία µεγάλοι µίνι υπολογιστές που βασίζονται σε επεξεργαστή 32 bit και έχουν δεκάδες megabytes µνήµης. Τα παραδοσιακά µεγάλα συστήµατα υπολογιστών είναι οι απόγονοι των µηχανών τύπου IBM 360 και CDC 6600. Η διαφορά τους βρίσκεται στην χωρητικότητα εισόδου/εξόδου και στις εφαρµογές για τις οποίες χρησιµοποιούνται. Στο ανώτερο επίπεδο του φάσµατος βρίσκονται οι υπερυπολογιστές. Αυτές οι µηχανές έχουν σχεδιαστεί για την µεγιστοποίηση του αριθµού των FLOPS (Floating point Operations Per Second Πράξεις Κινητής Υποδιαστολής το ευτερόλεπτο). Οι υπερυπολογιστές διαθέτουν µοναδικές παράλληλες αρχιτεκτονικές µε σκοπό να πετύχουν µεγάλες ταχύτητες. 1.6. Η ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΑ INTEL Το 1968 ιδρύθηκε η εταιρία Intel Corporation µε στόχο την κατασκευή chip µνήµης. Πολύ σύντοµα της ζητήθηκε να κατασκευάσει µια CPU ενός µόνο chip για αριθµοµηχανές και έναν ελεγκτή ενός µόνο chip για τερµατικά. Έτσι λοιπόν κατασκευάστηκαν οι πρώτες CPU ενός chip στον κόσµο οι οποίες ονοµάστηκαν 4004 9

1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ και 8008 και ήταν 4 και 8 bit αντίστοιχα. Υπήρξε τεράστιο ενδιαφέρον οπότε η Intel ξεκίνησε την κατασκευή ενός τσιπ CPU που παράκαµπτε το όριο µνήµης των 16 bit και κατασκεύασε τον 8080 ο οποίος συντάραξε την αγορά. ύο χρόνια αργότερα, το 1976, παρουσίασε το τσιπ 8085, ένα ανασκευασµένο 8080 µε επιπλέον δυνατότητες εισόδου/εξόδου. Έπειτα ακολούθησαν τα chip 8086 και 8088 το οποίο αποτέλεσε το βιοµηχανικό πρότυπο για τους προσωπικούς υπολογιστές. Την ίδια χρονιά η εταιρεία Zilog έβγαλε το chip z80, έναν µικροεπεξεργαστή των 8-bit, µε address bus 16bit, το οποίο ήταν εξαιρετικά αποδοτικό και χρησιµοποιήθηκε κατά κόρον από εταιρείες σε παχνιδοµηχανές όπως, ο Amstrad, το Nintendo και πολλούς άλλους υπολογιστές. Ούτε ο 8088 ούτε ο 8086 µπορούσαν να προσπελάσουν περισσότερο από 1 Mbyte µνήµης και το πρόβληµα αυτό ξεπεράστηκε µε τον 80286 ο οποίος είχε το ίδιο σύνολο εντολών αλλά διαφορετική οργάνωση µνήµης. Το επόµενο λογικό βήµα ήταν µια πραγµατική CPU των 32 bit, το 80386. Τo τσιπ 80486 είναι συµβατό προς τα άνω µε το 80386. Η κυριότερη διαφορά ανάµεσα τους είναι η παρουσία συνεπεξεργαστή κινητής υποδιαστολής, ελεγκτή µνήµης και κρυφής µνήµης 8K στο τσιπ. Επιπλέον το 80486 είναι 4 φορές πιο γρήγορο από το 80386. Η οικογένεια των αρχικών τσιπ της Intel παρουσιάζεται στον παρακάτω Πίνακα 1.2 : Πίνακας 1.2 : Η οικογένεια CPU της Intel Όνοµα Έτος Πλάτος Καταχωρητών Πλάτος διαύλου δεδ/νων Χώρος διευθ/ων Σχόλια 4004 1971 4 4 1K Πρώτος µικροεπεξεργαστής σε τσιπ 8008 1972 8 8 16K Πρώτος µικροεπεξεργαστής των 8 bit 8080 1974 8 8 64K Πρώτη CPU γενικής χρήσης σε τσιπ 8085 1974 8 8 64K Επανασυσκευασµένο τσιπ 8080 8086 1978 16 16 1M Πρώτη CPU των 16 bit σε τσιπ 8088 1980 16 8 1M CPU που χρησιµοποιήθηκε στον ΙΒΜ 80186 1982 16 16 1M 8086+υποστήριξη Ι/Ο 80188 1982 16 16 1M 8088+υποστήριξη I/O 80286 1982 16 16 16M Αύξηση του διαστήµατος διεθ/ων 16Mb 80386 1985 32 32 4G Πραγµατική CPU των 32 bit σε τσιπ 80386SX 1988 32 16 4G 80386 µε δίαυλο του 80286 80486 1989 32 32 4G Γρηγορότερη έκδοση του 80386 10

1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Στη συνέχεια η Intel παρουσίασε τις µεταγενέστερες αρχιτεκτονικές επεξεργαστών που παρουσιάζονται µε τα χαρακτηριστικά τους στους παρακάτω Πίνακες : Πίνακας 1.3 : Intel Pentium II Processor [5] Processor Clock Speed(s) Intro Date(s) Mfg. Process/ Transistors Cache Bus Speed Typical Use Intel Pentium II Processor 450 MHz Aug. 24, 1998 0.25-micron 7.5 million 512 KB L2 cache 100 MHz Business and consumer PCs; 1- and 2-way servers and workstations. Intel Pentium II Processor 400 MHz 350 MHz Apr. 15, 1998 0.25-micron 7.5 million 512 KB L2 cache 100 MHz Business and consumer PCs; 1- and 2-way servers and workstations. Intel Pentium II Processor 333 MHz Jan. 26, 1998 0.25-micron 7.5 million 512 KB L2 cache 66 MHz Business and consumer PCs; 1- and 2-way servers and workstations. Intel Pentium II Processor 300 MHz 266 MHz 233 MHz May 7, 1997 0.35-micron 7.5 million 512 KB L2 cache High-end business desktops, workstations and servers. Πίνακας 1.4 : Intel Pentium III Processor [5] Processor Clock Speed(s) Intro Date(s) Mfg. Process/ Transistors Cache Bus Speed Typical Use Intel Pentium III Processor 1 GHz 933 MHz 866 MHz 850 MHz Mar. 8, 2000 1 GHz Mar. 20, 2000 866 MHz 850 MHz 0.18-micron 28 million 256 KB Advanced Transfer cache 100 MHz 133 MHz Business, consumer PCs; 1- and 2-way servers and workstations May 24, 2000 933 MHz Intel Pentium III Processor 733 MHz 700 MHz 667 MHz 650 MHz 600 MHz 550 MHz 533 MHz 500 MHz Oct. 25, 1999 0.18-micron 28 million 256 KB Advanced Transfer cache 100 MHz 133 MHz Business, consumer PCs; 1- and 2-way servers and workstations Intel Pentium III Processor 600 MHz 550 MHz 500 MHz 450 MHz Aug. 2, 1999 600 MHz May 17, 1999 550 MHz 0.25-micron 9.5 million 512 KB 100 MHz Business, consumer PCs; 1- and 2-way servers and workstations Feb. 26, 1999 500 MHz 450 Mhz 11

1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Πίνακας 1.5 : Νέες Γενιές Επεξεργαστών της Οικογένειας Intel [5] Processor Clock Speed(s) Intro Date(s) Mfg. Process/ Transistors Cache Bus Speed Intel Pentium 4 Processor Extreme Edition supporting HT Technology 3.40 GHz 3.20 GHz June 21, 2004 3.40 GHz (Intel LGA775 package technology) Feb. 2, 2004 3.40 GHz Nov. 3, 2003 3.20 GHz 0.13-micron 178 million 2 MB L3 cache; 512 KB L2 cache 800 MHz Intel Pentium 4 Processor supporting HT Technology 560 550 540 530 520 3.60 GHz 3.40 GHz 3.20 GHz 3 GHz 2.80 GHz June 21, 2004 90nm 125 million 1 MB L2 cache 800 MHz Intel Pentium 4 Processor supporting HT Technology 3.40 GHz 3.20E GHz 3E GHz 2.80E GHz Feb. 2, 2004 90nm 125 million 1 MB L2 cache 800 MHz Intel Pentium 4 Processor supporting HT Technology Intel Pentium 4 Processor supporting HT Technology Intel Pentium 4 Processor supporting HT Technology Intel Pentium 4 Processor 3.40 GHz 3.20 GHz 2.80C GHz 2.60C GHz 2.40C GHz Feb. 2, 2004 3.40 GHz June 23, 2003 3.20 GHz May 21, 2003 2.80 GHz 2.60 GHz 2.40 GHz 0.13-micron 55 million 3 GHz Apr. 14, 2003 0.13-micron 55 million 3.06 GHz Nov. 14, 2002 0.13-micron 2.80 GHz 2.66 GHz 2.53 GHz 2.40 GHz 2.26 GHz Aug. 26, 2002 2.80 GHz 2.66 GHz May 6, 2002 2.53 GHz 2.40 GHz 2.26 GHz 55 million 0.13-micron 55 million 512 KB Advanced Transfer L2 cache 512 KB Advanced Transfer L2 cache 512 KB Advanced Transfer L2 cache 512 KB Advanced Transfer L2 cache 800 MHz 800 MHz 533 MHz 533 MHz 12

1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Εικόνα 1.5 : Το chip 8080, (αριστερά) Εικόνα 1.6 : Το chip z80 της Zilog ( δεξιά) Εικόνα 1.7 : To z80, που χρησιµοποιήθηκε στο Gameboy 13

1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 1.7. Η ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΑ MOTOROLA Λίγο µετά την παρουσίαση του chip 8080 από την Intel, η Motorola, ένας ανταγωνιστικός πωλητής τρανζίστορ κυκλοφόρησε το τσιπ 6800. Το 6800 ήταν µια µηχανή των 8 bit συγκρίσιµη µε το 8080. Το 1979 η Motorola παρουσίασε το 68000 µε σκοπό να υπερκεράσει τον ανταγωνισµό µε το 8086. Το τσιπ αυτό είχε δίαυλο δεδοµένων µε πλάτος 16 bit αλλά όλοι οι καταχωρητές που προσπέλαζε ο επεξεργαστής είχαν πλάτος 32 bit και η µηχανή µπορούσε να προσθέτει και να αφαιρεί αριθµούς των 32 bit µε µια µόνο εντολή. Έτσι το τσιπ αποτελεί ένα υβρίδιο µεταξύ των 16 bit και 32 bit. Για ένα µηχανικό υλικού το 68000 πρόκειται για µηχανή των 16 bit, λόγω του διαύλου δεδοµένων των 16 bit, ενώ για έναν προγραµµατιστή πρόκειται για µηχανή των 32 bit επειδή όλοι οι καταχωρητές έχουν πλάτος 32 bit. Εικόνα 1.8 : Το chip 68000 Το τσιπ 68000 επελέγη από τους σχεδιαστές των Macintosh, Atari, Amiga και άλλων δηµοφιλών υπολογιστών. Πολύ σύντοµα επιχειρήθηκε η υλοποίηση εξελιγµένων λειτουργικών συστηµάτων όπως το UNIX στο chip 68000. Πολλά από αυτά τα συστήµατα διαθέτουν εικονική µνήµη, µια τεχνική που επιτρέπει στα προγράµµατα να προσπελάζουν περισσότερη µνήµη από αυτή που έχει στην πραγµατικότητα ο υπολογιστής. Αυτό ήταν ένα πρόβληµα για το 68000 γιατί δεν την 14

1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΡΟΣΗΜΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ υποστήριζε πλήρως. Έτσι λοιπόν η Motorola παρουσίασε τα τσιπ 68010 και 68012 ως λύση τα οποία αργότερα αχρηστεύτηκαν µε την εµφάνιση του 68020, το οποίο ήταν ένα πραγµατικό τσιπ των 32 bit, µε δίαυλο των 32 bit και εντολές πολλαπλασιασµού και διαίρεσης των 32 bit. Το 68020 αποτέλεσε µεγάλη επιτυχία και ήταν η καρδιά των περισσότερων επιστηµονικών και τεχνικών σταθµών εργασίας, όπως αυτών που κατασκευάζονταν από τις εταιρίες Sun Microsystems και Hewlett Packard. Ο διάδοχος του 68020 ήταν ο 68030 που περιείχε όχι µόνο ένα τσιπ 68020 αλλά και την µονάδα διαχείρισης της µνήµης στο ίδιο τσιπ. Το τσιπ 68040, όπως και το 80486, περιείχε µια CPU, συνεπεξεργαστή κινητής υποδιαστολής, µονάδα διαχείρισης της µνήµης και κρυφή µνήµη στο τσιπ. Μια και είναι το ίδιο πολύπλοκα δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι τα 68040 και 80486 περιέχουν σχεδόν το ίδιο πλήθος τρανζίστορ στο τσιπ, 1.2 εκατοµµύρια το 68040 και 1.16 εκατοµµύρια το 80486. Το τσιπ 68040 είναι συγκρίσιµο µε το 80486 από πολλές απόψεις όπως το 68030 είναι συγκρίσιµο µε το 80386. Η οικογένεια των τσιπ της Motorola παρουσιάζεται στον παρακάτω Πίνακα 1.4 : Πίνακας 1.6 : Η οικογένεια των CPU της Motorola [2] Όνοµα Έτος Πλάτος καταχωρητών Πλάτος διαύλου δεδοµένων Χώρος διευθ/ων Σχόλια 68000 1979 32 16 16Μ Πρώτο µέλος οικογένειας 68008 1982 32 8 4Μ Τσιπ µε δίαυλο 8 bit 68010 1983 32 16 16Μ Υποστηρίζει εικονική µνήµη 68012 1983 32 16 2G Έκδοση του 68010 µε µεγάλο διάστηµα διευθύνσεων 68020 1984 32 32 4G Πραγµατική CPU 32 bit 68030 1987 32 32 4G Μονάδα διαχείρισης µνήµης στο τσιπ της CPU 68040 1989 32 32 4G Γρηγορότερη έκδοση του 68030 15

2 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΚΛΙΜΑΚΩΤΕΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 2 ο KΕΦΑΛΑΙΟ ΚΛΙΜΑΚΩΤΕΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 2.1. ΓΕΝΙΚΑ Ένα κοινό χαρακτηριστικό των µοντέρνων υπολογιστών είναι η ικανότητα παραλληλίας (parallelism). Ακόµα και µε έναν απλό επεξεργαστή, η παραλληλότητα έχει προωθηθεί µε πολλούς τρόπους. Πιο πρόσφατα, η έννοια της κλιµάκωσης (scalability), έχει επαναπροσδιορισθεί συµπεριλαµβάνοντας τώρα και την έννοια της παραλληλότητας πλέον. Ένας ορισµός που µπορεί να αποδοθεί σε βαθµωτά συστήµατα είναι ο εξής, σύµφωνα µε το [6] : Ένα σύστηµα υπολογιστή, συµπεριλαµβανοµένου όλων των υλικών και λογισµικών πόρων, καλείται βαθµωτό αν µπορεί να αυξηθεί κατά κλίµακα, scale up, (για παράδειγµα να βελτιώσει τους πόρους του) µε σκοπό να διευθετήσει την αυξανόµενη απόδοση και την απαίτηση λειτουργικότητας ή να µπορεί να σµικρύνει κατά κλίµακα, scale down, µε σκοπό να µειώσει το κόστος. Παρόλο που οι περισσότεροι επικεντρώνονται στην άποψη του scaling-up, τις περισσότερες φορές η κλιµάκωση δεν είναι ισοδύναµη µε το να αυξάνεται κάτι. Η 16

2 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΚΛΙΜΑΚΩΤΕΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ scalability των συστηµάτων εµπλέκει την ικανότητα κυρίως του scale down. Πιο συγκεκριµένα, λέγοντας ότι ένα σύστηµα είναι βαθµωτό συνεπάγεται τα ακόλουθα : Λειτουργικότητα και Απόδοση : Ένα σύστηµα αυξηµένο κατά κλίµακα πρέπει να εξασφαλίζει περισσότερη λειτουργικότητα ή καλύτερη απόδοση. Η συνολική υπολογιστική ισχύς του συστήµατος θα πρέπει να αυξάνει αναλογικά µε την αύξηση των πόρων. Το ιδανικό για τους χρήστες θα ήταν να έβλεπαν την υπολογιστική ισχύ να αυξάνεται κοντά στις n φορές όταν οι πόροι του συστήµατος αυξάνονταν κατά n φορές επίσης. ιαβάθµιση του κόστους : Το κόστος για την αύξηση του συστήµατος θα πρέπει να είναι λογικό. Ένας κανόνας είναι ότι το scaling up κατά n φορές θα πρέπει να επιφέρει ένα κόστος όχι περισσότερο από n ή n*logn. Συµβατότητα : Τα ίδια συστατικά, συµπεριλαµβανοµένου του hardware, του λογισµικού του συστήµατος και των εφαρµογών θα πρέπει να είναι χρησιµοποιήσιµα ακόµα και µετά από µικρές αλλαγές. Είναι αδικαιολόγητο να περιµένει κανείς από τους χρήστες να πληρώσουν για ένα εντελώς καινούριο λειτουργικό και να ανασχηµατίσουν τους δικούς τους κώδικες εφαρµογών. Συχνά η κλιµάκωση εµπεριέχει µόνο ένα κοµµάτι του συστήµατος, για παράδειγµα η άθροιση πολλών επεξεργαστών ή η αναβάθµιση ενός επεξεργαστή σε έναν επόµενης γενιάς. Η βελτίωση θα πρέπει να είναι συµβατή µε το υπόλοιπο σύστηµα. 2.2. Η ΠΥΡΑΜΙ Α ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Το κύριο κίνητρο για ένα βαθµωτό σύστηµα είναι να προβάλλει ένα ευέλικτο, µε µικρό κόστος επεξεργαστικό εργαλείο. Όπως φαίνεται και στην ακόλουθη Εικόνα 2.1 οι κλάσεις υπολογιστών σχηµατίζουν µια πυραµίδα µε σεβασµό στον όγκο των πωλήσεων, την απόδοση και το κόστος. Στον πάτο της πυραµίδας βρίσκονται οι προσωπικοί υπολογιστές (PCs), οι οποίοι έχουν πολύ οικονοµική τιµή και ένα τεράστιο όγκο πωλήσεων. Η απόδοση τους είναι εξίσου και η ελάχιστη. 17