FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita PV109: Historie a vývojové trendy ve VT Vývojové trendy Luděk Matýska podzim 2023 Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 1/53 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Vývojové trendy ve výpočetní technice ■ Procesory ■ Operační paměti ■ Internet ■ Superpočítače Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Procesory ■ Pojem procesor je používán v počítačovém průmyslu již od 60. Let 20. století ■ „Mozek počítače" ■ Zpracování sLedu instrukcí programů ■ Provádí aritmetické a Logické operace spoLu s operacemi vstupu a výstupu Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Terminologie ■ Instrukce - posloupnost bitů reprezentujících příkaz pro provedení jedné atomické operace ■ Program - posloupnost instrukcí ■ Takt procesoru - frekvence krystalového oscilátoru ■ Délka slova - vyjadřuje počet bitů, který je procesor schopen zpracovat v jednom kroku ■ Počet tranzistorů - udává, kolik tranzistorů je na procesoru; míra složitosti procesoru ■ Výrobní technologie - značí zpravidla velikost nejmenší součástky, kterou je možné vyrobit; jednotky /^m, nm Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 4/53 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Mooreův zákon ■ Autorem je Gordon Moore, spoluzakladatel a bývalý ředitel Intel Corp. ■ „Počet tranzistorů, které mohou být umístěny na integrovaný okruh se při zachování stejné ceny zhruba každých 18 měsíců zdvojnásobí". ■ Jedná se spíše o empirické pravidlo, vyslovené roku 1965. ■ Předpokládá se, že tento trend bude pokračovat minimálně do roku 2015, možná i déle. ■ Další parametry korespondující s Mooreovým zákonem: výkon procesoru, kapacita pamětí, počet a velikost pixelů v digitálních fotoaparátech,... Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 5/53 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Mooreův zákon pro procesory a paměti Moore's Law - The number of transistors on integrated circuit chips (1971-2018) Moore's law describes the empirical regularity that the number of transistors on integrated circuits doubles approximately every two years. This advancement is important as other aspects of technological progress - such as processing speed or the price of electronic products - are linked to Moore's law. OurWorld in Data 50,000,000,000 10,000,000,000 5,000,000,000 1,000,000,000 500,000,000 100,000,000 s 50,000,000 10,000,000 5,000,000 1,000,000 500,000 100,000 50,000 10,000 5,000 1,000 72-core Xeon Phi Centriq 2400 AGC2 IPU SPARC V*37core AMD Epyc IBM z13 Storage Control ler^X^ ^ ^Apple A12X Bionic 18-core Xeon Haswell-E5v Xbox One main SoC^ 61 -core Xeon Phi /ERjM^ % 4> # 8-core Xeon Nehalem-EXv_ aV ft $ O V fit 0 Tegra Xavier SoC Qualcomm Snapdragon 8cx/SCX818 oix-core Xeon 7400» Dual-core Itanium 2A V Pentium D Presler. Itanium 2 with 9 MB cached \ Itanium 2 Madison 6M$> Pentium D Smithfieldv Itanium 2 McKinley^ j. • ■ ■ = l.^ae. fJ r Oil Lil Point ■ Muhiply h i By acl C ■vr ",',ŕ 5 1 Byt te rm.Acfrť H i -i BI (d ť ... 1.2 fíiys TranSlVŕ FiufTrrs. m H ,._J _ ---— «11 1 *\ jlj —i L er _ =: t — ^1 AT-3 April 19, 2003 www.chip-architect.com (13) Databus multiplexing (14) Cache Line Read/ Write TraiwterbutYers- unU 25fi hit wide bus lo and from L2 cache (Lit RUB Reorder Jinder 4x64 curia l6kBjtoLe\wl I Dmoacfaa four way set associative. 1 R/l W Buffer Allocation & Register Rename Instruction Queue i tor less emit.u fields uflhe uOps J General Inslrucliwt Addre« Qui Memory Instruction Address CliIIix.,!., HiiuH} rable Load ; Store uH.]f> gchwhllfli 18x8 dcpcnderKy rralrix.) FP, MMX, SSE1..3 Floating Poini. MMX. SM Renamed Register ľ'ile 256 entries df 12ft bil. Integer Execution Core (1) uOp [liNpuieh umi & Replay kiuiki Oispatchcs up lo 6 uOps I cycle (2) liUcg,cr Renamed Re^i3.1er i , 25b entries of 32 bit (■ b status tlayO 12 read pons and six write ports (3) Itambus switch &. BjpMaot I ftnrn die hitejier Register File, 'll I !.li- -Ali.. I- . 1$) Double Pumped ALU -ib) Double Pumped ALU 1 (7) Load Address Generator Unit (X) Store Address (ieneraior Lrui (9) Load HufFcr ( 9o crimes . 1101 Store lintler l -l> u-nri^ i Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojově Jie/ji^y^sYJ^ ffifáWtf 2023 30/53 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita 64bitové procesory rodiny AMD Jádro AMD K8 ■ Athlon 64X2 (2005) -první dvoujádrový 64bitový, plně x86 kompatibilní procesor firmy AMD určený pro osobní počítače ■ Další větve - Opteron (serverové), Athlon 64 FX Jádro AMD K10 ■ Jádro bylo představeno v roce 2007 Vychází z AMD K8 ■ Hlavní zástupci - AMD Opteron, AMD Phenom fi MU 1.3 plus ť> x 512 klí 1.2 — 12« bil DDR2/3 bus Die si/c 2l)4 mm 2 North Bridge & Hyper Transport Switch CPU k|1L2 CPU Core 1 SS9 Core 3 I CPU Core 5 Hyper Transport 1 I Hyper Transport 3 ZI I íl m AMD Opteron (jádro Istanbul) Zdroj: http : //www. generation- gpu. f r Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 31/53 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Procesory Intel Core ■ Dvě produktové řady ■ Core 2 - Core 2 Duo, Core 2 Quad, Core 2 Extreme ■ Core i - Core i3, Core i5, core i7, Core i7 Extreme ■ Čistě 64bitová architektura ■ SSSE3 SIMD instrukce (4. generace) ■ 2 a více jader v jednom pouzdře procesoru ■ DaLší zvětšování L2 paměti - 2-12 MB ■ LGA pouzdro (Land Grid Array) - piny jsou v patici na základní desce Luděk Matýska . PV109: Historie ap^c^y^QX^^y^^^^g^.com 32/53 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Intel Core i7 „Nehalem" FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Používané technologie Hyper-Threading ■ Vylepšení paraLeLizace pomoci virtuaLizace ■ Každé fyzické jádro je reprezentováno v OS jako dvě virtuální ■ Jedno jádro tak může zpracovávat dvě vlákna zároveň Turbo-Boost ■ Dynamické zvýšení výkonu na žádost (tzv. dynamické přeta kto vání) ■ Při běžné práci procesor běží na nižší výkon (úspora energie) ■ Implementováno v procesorech NehaLem, Sandy-Bridge a Ivy-Bridge Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 34/53 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Současné trendy ve vývoji procesoru ■ Takt procesoru stagnuje kolem 4 GHz ■ Výrobní technologie 32 nm umožňuje uspořit prostor i výkon ■ Zavádění L3 cache; až 12 MB ■ Až 16 jader na jednom čipu (AMD Opteron 6200) ■ Řadič pamětí integrován na čipu ■ Budoucnost - manycore architektury (x 100-1000 jader), např. InteL MIC 1 ^nteL Many Integrated Core Architecture Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 35/53 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Výpočty na grafických akcelerátorech ■ od 80. Let - vývoj grafických akcelerátorů, motivováno herním průmyslem ■ 90. Léta - DirectX, minimální možnosti programování; 3dfx VooDoo, Nvidia GeForce 256 ■ 2000-2006 - OpenGL, programování vertex/pixeL shader jednotek (jazyk Cg: operace v plovoucí čárce, smyčky), položeny základy pro GPGPU; ATI Radeon 9700, Nvidia GeForce 3 ■ od 2007 - CUDA, OpenCL, období GP-GPU 2 - SIMT model, desítky multiprocesorů (=xl000 jader); řada GeForce 8 = první GP-GPU karty. ■ Další vývoj - kombinace CPU a GPU = hybridní procesory, výzva = efektivní algoritmy 2GeneraL Purpose Computing on GPU Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 36 / 53 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Vývoj operačních pamětí From Computer Desktop Encyclopedia Ii 2007 The Computer Language Co. Inc. Hlavními parametry operačních pamětí jsou ■ propustnost (maximalizace) ■ pracovní frekvence (maximalizace) ■ kapacita (zvyšování) ■ přístupová doba (snižování) ■ napájecí napětí Synchronní vs. asynchronní paměti ECC vs. non-ECC paměti (Error-correcting co de) JEDEC SSTA - organizace schvalující technologické standardy, mj. právě v oblasti operačních pamětí 240-pin DIMM (DDR2 ailfl DDR3 SDRAM) 184-pin DIMM ^DDR SDRAM) 1 &4-|>in RDRAM \ RamlHisr Chips are covei etl with metni heat sinh. [ ■ DIMM (FPM, EDO, SDRAM) 3 ml ■■■■■■■■■■ ■ ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ ■ iiiiiiiiiiiiiiiiiNiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii * 144-pin SODIMM iFPM. EDO. SDRAM) 72-pin SODIMM iFPM, EDO! Q SODIMM IDDP, SDRAMI Ö 30 pili SIMM ODRAMI ;;;! 72-pin SIMM I FPM I Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 Zdroj: http: //encyclo|ľeriii2. FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Přehled technologií operačních pamětí I. ■ FPM - Fast Page Mode DRAM (1987) ■ asynchronní paměf ■ přístupová doba 60-80 ns ■ EDO - Enhanced Data output DRAM (1995) ■ též označována jako Hyper Page Mode DRAM ■ asi o 5% rychlejší než FPM, přístupová doba cca 60 ns ■ kapacita modulu až 32 MB ■ SDRAM - Synchronized Dynamic Random Access Memory (1996) ■ synchronní paměf (pracuje synchronně podle externího taktu) ■ kapacita 64-512 MB,frekvence sběrnice 66-133 MHz ■ RDRAM - Direct Rambus DRAM (1999) ■ vysoká propustnost (až 10 GB/s) za cenu vyšších latencí ■ postupně vytlačeny DDR pamětmi Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 38/53 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Přehled technologií operačních pamětí II. ■ DDR - DoubLe Data Rate SDRAM (2000) ■ efektivní pracovní frekvence až 400 M Hz ■ propustnost až 3,2 GB/s ■ kapacita modulu 64 MB až 2 GB ■ 2bit prefetch ■ DDR2 SDRAM ■ efektivní pracovní frekvence až 800 MHz ■ propustnost 3,2-6,4 GB/s ■ 4bit prefetch ■ kapacita modulu 128 MB až 8 GB ■ DDR3 SDRAM ■ zvýšení rychlosti pamětí (až 2133 MHz) ■ nižší spotřeba energie ■ GDDR3/4/5 - paměti pro grafické akcelerátory Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 39/53 fakulta informatiky Masarykova univerzita Srovnání pamětí dle šířky pásma Figure 8. Peak bandwidth comparison of SDRAM and advanced SDRAM technologies 12000 10000 - 8000- 6000- 4000- 2000- 10Ó00 6400 640 5328 2656 42, 3200 2128, 1600 1600b 400 333 mhe MHz u rwrnnl 133 266 100 S «Ht SDRAM RDRAM DDR-1 DDR-2 DDR 3 Zdroj: Memory technology evolution: an overview of system memory technologies, Technology brief, 9th edition, Hewlett-Packard Development Company, 2010. Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 40/ FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Vývoj Internetu INTERNET TIMELINE Birth atUCLA 10j29ß9 '70 email TCP OPEN TO PUBLIC DN5 TCP/IP adopted as to Internet Std X .com Biggest growth PCs v^TCP/IP IP (TCP/I Pv3) .edu 83) gov Unit -mil wrTCRrlP .org (ESO) .net '90 WWW Browser ISPs (Mosaic) (Win95) '00 IPv6 (Internet 2) n MIWIET ARPANET □ EU] C&rei íir wide-area pachet routed (early constituents of the Internet) UUnet * 40111 Anniversary at UCLA i^, Internet '10 uď* 2009 .£3 56K JLQ0_ 2Qfl 1K 10K 100K 1M 1SM BOOM 1B Number of Computers Connected (Users) 1.SM 45M 622M 2.SG 100M vieb site 10G j-1 7-3 OC-12 OC-4S Backbone Telecommunications Bandwidth/Speed (bps) OC-1S2 (Internet 2) (3B?) ©2008 Jeffrey H. Drobman Zdroj: http: //www. drjeff software . com/history .html Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 41/53 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Dostupný počet IPv4 adres RIPE NCC IPv4 Pool — Last 12 Months 60 i-1— [ M Bans oi IPv4 Adieaaea Received [HI Hftna cA IPv4 Adieaaea AuaJiftto This graph shows the number of available and reserved IPv4 addresses managed by the RIPE NCC over the past 12 months. Zdroj:https://www.ripe.net/internet-coordination/ipv4-exhaustion/ipv4-available-pool- graph Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 42/53 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Vývoj počtu stanic připojených k Internetu 1,000,000,000 100,000,000 10,000,000 1,000,000 100,000 10,000 1,000 100 10 Hobbes" Internet Timeline Copyright ©2012 Robert H Zakon htt p://www.z a ko n. o rg/ro be rt/intern et/t imeline/ 3 V> ■ New Surve y + Old Surve y T t-r T" t T-r T" t T-r t ~i-r t-r t-r t-r oiT-niflNaii-niflKffiT-niflKo)T-niflNíJ)T-íd r--- r--- r--- r--- r--- co co co co co aj oj a> aj aj o o o o o -r- tBffltDtDfflffitDtDtDtDtDiliriltllffiaiüüOOOO Zdroj:http://www.zakon.org/robert/internet/timeline/ Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 43/53 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Růst počtu webových stránek 1:000rOOOrOOO 100.000.000 mooorooo 1rO00rO00 Total Sites Across All Domains (logarl H ETC FT Nov 2012 ■ Host names: 625,329,303 ■ Active sites: 156,917,622 U 100.000 10.000 vpj£ ^ ^ ^ ^ ^ ^ Zdroj:http://www.zakon.org/robert/internet/timeline/ Host names Active sites Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 44/53 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Internetová populace mezi 2007 a 2012 Internet population 2007 vs 2012, a 2x increase in 5 years Data source: Internet World Stats www.pingdom.oom Zdroj: http: //royal. pingdom. com Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 45 / 53 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Internetoví uživatelé ve vybraných zemích Internet users People with access to the Internet. More info » 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 Data source: World Bank. World Development Indicators - Last updated December 13, 2010 Zdroj: http: //royal. pingdom. com Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 46/53 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Internetové uzly Internet Hosts Count 10 G i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i OlCJiCJiCJlCJlCJiOOOO Zdroj:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Internet_Hosts_Count_log.svg Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 47/ 53 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Superpočítače ■ Data z TOP500 ■ http://top500.org/statistics/overtime ■ 2x do roka aktualizované údaje ■ Vybrané statistiky: ■ Architektury superpočítačů ■ Používané operační systémy ■ Výrobci ■ Zastoupení zemí v TOP500 ■ Vývoj v oblasti od roku 1993 Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 48/53 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita TOP500 - Architektury superpočítačů Architecture - P"erŕormance Share Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 49/53 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita TOP500 - Operační systémy Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 50/53 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita TOP500 - Výrobci Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 51/53 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita TOP500 - Zastoupení zemí Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 52/53 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Shrnutí ■ StáLe roste složitost, aLe i význam IT systémů ■ V mnoha ohledech exponenciální růst se v poslední době „zastavuje" ■ Budeme potřebovat nové přístupy ■ Stále rostoucí závislost na software ■ Skutečně masivně paralelní systémy (106 až 109 jader/vláken) Luděk Matýska • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 53/53