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Instituto Politécnico Nacional
Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas
UPIITA
Arquitectura de computadoras
Procesadores: Xeon E7 y Power 8
Federico Javier Guerrero Tovar
Mayo del 2015, México D.F.
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INTRODUCCIÓN
Antecedentes
Antes de la existencia de los microprocesadores, las computadoras utilizaban
memorias de núcleo magnético de ferrita como principal elemento de almacenamiento.
Estas memorias no son volátiles y en la mayoría de casos son la mejor solución cuando
no pueden tolerarse alteraciones en la memoria inducidas por pérdidas de energía.
Muchos de los grandes sistemas de computación utilizan memorias de núcleo, pues
una vez procesados los datos en tiempo real estos sistemas transfieren los datos y
programas a archivos secundarios de almacenamiento masivo; mismos que utilizan
otras formas de almacenamiento no volátil como los sistemas de cinta magnética o
discos flexibles.
Microprocesadores
Los microprocesadores son circuitos integrados únicos con miles de compuertas
digitales que realizan las funciones lógicas, aritméticas y de control de una
computadora. Además, es el miembro de la familia de los circuitos con integración a
gran escala que reflejan la tendencia a una miniaturización, iniciada por el transistor a
finales de los años cuarenta. El procesador es el cerebro del sistema encargado de
procesar toda la información. Se trata del cerebro de la computadora, pues es el
responsable de ejecutar todas las instrucciones.
Los microprocesadores necesitan circuitos externos de entrada y salida,
además de una memoria externa para operar funcionalmente como computadoras. Las
funciones lógicas, aritméticas y de control del mismo, así como una memoria y los
circuitos de interconexión de entrada-salida, se encuentran integradas en una zona de
menos de 40 mil milésimas de pulgadas cuadradas. (Veiss, 1986:12)
Un microprocesador no sólo funciona como el cerebro de la computadora
(técnicamente la parte que realiza las operaciones se llama ALU, Arithmetic Logic Unit
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o unidad aritmético lógica), sino que está compuesto por registros o memorias
diminutas donde se almacenan datos; buffers, cachés, unidades de proceso y más
elementos. Esto se fabrica con la utilización de componentes electrónicos en miniatura
denominados microarquitectura. (Xacata. Así comenzó todo: El origen de los
procesadores, 2012) A continuación, un ejemplo de la microarquitectura de un
procesador Intel Core 2 Duo:
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Técnicas digitales del microprocesador
Se trata de un producto de la Tecnología de Integración a Gran Escala (LSI), que utiliza
métodos digitales para sus estructuras de entrada, salida e interna.
Utilizan una aritmética de complemento a 2, de tal forma que un microprocesador de
8 bits representa un número negativo transformando el bit a la extrema izquierda, o bit
8, en un 1. (Veiss, 1986:30)
“El procesador se encarga de recibir secuencias de órdenes y ejecutarlas. Estas
órdenes serán mayoritariamente matemáticas (suma estos dos números y guarda el
resultado en esta determinada posición de memoria) pero también de almacenamiento
o interrupciones del sistema. Y precisamente estas órdenes simples y atómicas se
denominan instrucciones, que son las operaciones que un procesador es capaz de
entender y ejecutar. Por ejemplo, suma dos números y almacena el resultado en esta
memoria, o multiplica estos dos números, o algo mucho más simple como almacena
este dato en esta posición de la memoria.
Las instrucciones son operaciones muy simples pero con las que se construye todo,
y un conjunto de estas instrucciones se denomina set de instrucciones o ISA
(Instruction Set Architecture). Por ejemplo, x86 es la ISA de los procesadores Intel o
AMD domésticos actuales, los cuales a su vez utilizan múltiples microarquitecturas, y
ARM es la ISA de los procesadores de Samsung, Qualcomm, Apple, etc”. (Xacata. Así
comenzó todo: El origen de los procesadores, 2012)
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INTEL CORPORATION
Intel fue la primer compañía encargada de la producción de microprocesadores en todo
el mundo. Fue fundada por Gordon E. Moore y Robert Noyce, quienes denominaron su
empresa de esa forma por las siglas de
Integrated Electronic (electrónica
integrada).
En 1971 la compañía sacó al mercado
su primer microprocesador, el Intel 404,
encargado de reunir los elementos
necesarios para crear un ordenador a
excepción de los dispositivos de
entrada y salida imposibles de
miniaturizar.
Un año después este aparato fue
mejorado: con él se pudo acceder a
más memoria y procesar 8 bits.
Contaba con 48 instrucciones, podía ejecutar 300 mil operaciones por segundo y
direccionaba 16 kbytes de memoria. (Intel, Cuarenta años del microprocesador, )
Nomenclatura de procesadores Intel
Todo procesador Quad Core (que posee 4 núcleos) comienza con la letra Q.
Todo procesador Dual Core (de dos núcleos) comienza con la Y.
Los procesadores Core iX se dividen en los siguientes:
Core i7: Alto desempeño y costo.
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Core i5: Desempeño intermedio.
Core i3. Desempeño básico.
Si se trata de un procesador Atom significa que ha sido hecho para netbooks y si es
un Xeon, para servidores.
Todo procesador que termina con X2, X3 y X4 posee 2,3 y 4 núcleos, respectivamente.
Por ejemplo: Athlon 64 X2 4400.
Siempre se encontrará al lado del nombre de un procesador AMD una numeración.
Esa numeración no significa la frecuencia (o velocidad) del procesador, sólo indica el
modelo. (Informática Hoy, El procesador de la computadora, 2009)
XEÓN E7
En abril del 2011 Intel anunció el lanzamiento de la serie de 18 procesadores Intel Xeon
E7, para servidores de dos, cuatro y hasta ocho zócalos expandibles a servidores de
hasta 256 zócalos. Estos procesadores son producto de una tecnología de fabricación
de 32 nanómetros (nm) y
permiten a las empresas y
corporaciones gestionar
volúmenes muy grandes de
datos.
Además son más
eficientes y tienen nuevas
funciones de seguridad,
fiabilidad y rendimiento.
Tienen una
capacidad de trabajo más
eficaz que los anteriores, pues poseen hasta diez núcleos. Incluye aplicaciones de
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inteligencia comercial, virtualización y análisis de datos en tiempo real; además de la
tecnología Hyper-Threading que proporciona hasta un 40 por ciento más rendimiento
que los anteriores. (Hardzone, Intel Xeon E7: Nueva familia de procesadores para
servidores, 2011)
Algunas de sus principales ventajas son las siguientes:
Eficiencia energética. Su función de ahorro energético reduce el consumo de
los sectores del hip que no se utilizan en un determinado momento. Presenta una
mejora de hasta el 40 por ciento de entornos informáticos intensos que puede potenciar
la precisión y velocidad de aplicaciones complejas. Ahorra hasta un 25 por ciento el
rendimiento de aplicaciones de virtualización de máquinas respecto a otros y cuenta
con la tecnología Intel Intelligent Power, que reduce el consumo de los sectores
inactivos del chip en función de la carga de trabajo.
Ofrece 10 versiones avanzadas de su chip de 10 núcleos, encabezadas por los E7-
8870, E7-4870 y E7-2870. Todos ellos alcanzan una frecuencia máxima de 2,4 GHz
con un TDP (Thermal Design Point o máximo térmico del diseño) de 130 vatios.
Seguridad y fiabilidad. Las nuevas Intel Advanced Encryption Standard New
Instruction (AES-NI) permiten a los sistemas cifrar y descifrar rápidamente los datos en
una amplia variedad de aplicaciones y transacciones, mientras Intel Trusted Execution
Technology (Intel TXT) crea una plataforma segura durante el arranque al proteger a
las aplicaciones de amenazas malintencionadas.
Amplia compatibilidad. los productos de numerosos proveedores de software
corporativo son compatibles con las plataformas basadas en los procesadores de la
familia Xeon E7, incluyendo IBM, Microsoft, Oracle, Red Hat, SAP AG y VMware.
(Hardzone, Intel Xeon E7: Nueva familia de procesadores para servidores, 2011)
Características distinguidas de la familia Xeon E7
Según la propia empresa, con este procesador se pueden realizar las siguientes
actividades:
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Ampliar la memoria para optimizar sus recursos y sus cargas de trabajo con el
espacio de memoria más grande de cualquier procesador.
Cada zócalo puede alojar hasta 1,5 terabytes (TB) de memoria.
Armar configuraciones de CPU nativas de 2, 4 y 8 zócalos y amplíelas a
sistemas de 32 zócalos por medio de controladores de nodos de fabricantes
externos. Las configuraciones de CPU de 8 zócalos admiten hasta 12 TB de
memoria.
• Aumento del desempeño de hasta 1,7 veces generación tras generación para
análisis.
• Mejora de hasta doce veces del desempeño (comparado con servidores
basados en procesadores Intel® Xeon® 7400 de cuatro zocalos con 5 años de
antigüedad)
• Consultas hasta 6 veces más rápidas con las nuevas Extensiones de
sincronización transaccional Intel® (Intel® TSX)
• Aumento del desempeño de hasta un 68 por ciento generación tras generación
con las Extensiones vectoriales avanzadas Intel® 2 (Intel® AVX2) (Fuente:
Análisis de referencia LINPACK).
• Más de 40 características de confiabilidad, disponibilidad y capacidad de servicio
(RAS) para que sus cargas de trabajo más importantes sigan ofreciendo datos y
servicios.
• La tecnología Intel Run Sure, disponible solamente en las plataformas equipadas
con los procesadores Intel Xeon E7, aumenta el tiempo de actividad con
capacidades especializadas que diagnostican y permiten recuperaciones luego
de errores o fallas del sistema o la administración de la memoria.
• Tiempo de actividad equiparable a un servidor IBM Power* con un precio más
favorable para un costo total de propiedad óptimo.
(Intel, Familia de procesadores Intel Xeon E7 v3, )
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IBM CORPORATION
La empresa International Business machines por (IBM), se introdujo en el estado de
Nueva York el 16 de junio de 1880 con el nombre de Computing. Tabulating- Recording
Company (CTR) sus orígenes se remontan a la evolución del los finales del siglo 19,
uno de los bloques escenciales para la construcción de IBM fueron los grabadores de
línea inventados por el Dr. Alexander Drey. (IBM, history of IBM 1888, )
Durante el apogeo de la revolución industrial Estados unidoa necesitaba una nueva
herramienta que hiciera un censo de la población creciente debido a los altos índices
de migración que presentaba de tal forma que el doctor Herman Hollerit invento un
nuevo sistema de electricidad para leer tarjetas perforadas y almacenar estos registros
de memoria, así formó la empresa Tabulating Machine Company. (TMC)
En febrero 14 de 1924, con la fusión de las dos empresas y mas de 1000 empleados
en el corporativo CTR cambio oficialmente su nombre por el de International Business
Machine Coorporation; desde entonces IBM ha sido pieza clave para herramientas de
tecnología como el Automatic Squences Controlled Calculator, utilizado en la segunda
Guerrea mundial, como una herramienta de uso militar.
A mediados de los 50’s IBM presentaba los primeros avances de circuitos transistores
que podían ejecutar la rededor de casi 300,000 cálculos por segundo; conTomas J
Watson al mando la empresa anunciaba los primeros avances en usando Solid Logic
Technology, y creado computadores 100 veces más poderosos que los primeros.
Los equipos de cómputo IBM en un principio utilizaban procesadores Intel y sistemas
operatiovos DOS (Disk Operating System) creado por la empresa Microsoft; (IBM,
History of IBM 1990);
IBM es una empra que desde sus inicios ha ido evolucionando de forma continua
adaptándose a los requerimientos del futuro, y de igual forma elaborardo
microprocesadores ahora del mismo nivel que los procesadores Intel.
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Procesadores PowerPC (Performance Optimization with Enhaced Riscj)
Esta familia de procesadores ha sido desarrollada en
por un grupo formado por IBM, Apple Computer y
Motorola Coorporation, está diseñado para cumplir con
los estándares de forma permite la homogeneidad entre
cualquiera que desarrolle este tipo de procesadores.
(Guevara, informática Básica, 71).
A mediados de los noventa, los procesadores PowerPC
presentaban mejor rendimiento incluso que los
procesadores de Intel x86.
La familia de procesadores está diseñada para computadores de escritorio con
frecuencias desde 66MGHz en el caso del procesador PowerPc 601 y 200 MHz para
los procesadores Power PC 604
El procesador PowerPC 620 por ejemplo se basa en una arquitectura de 3,6 millonesde
transistores bajo una arquitectura de 0,5 CMOS y alimentada por una tensión de 3,3v;
conservando la compatibilidad CMOS/TTL.
Las frecuencias a que corresponden a las diferentes versiones son de 100, 120 y
133MHz y presentan en una empaquetado de 304 pines.
A continuación se muestra en la tabla la Familia de procesadores PowerPC y los
equipos que la han utilizado.
Procesador PowerPC 601 Usado por Motorola, Apple y PowerPC
7500 (1994)
Procesador Power PC 604 Utilizado en Power Macintoch series
8500 a 9500
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Procesador Power PC 740/750xxG3 Utilizado en Power Macintosh G3, Power
book G3 imac ibook series 1997
Procesador Power PC 74xx G4 Utilizado por Power Macintoch G4,
Power Book G4 (1999)
Estos procesadores tienen compatibilidad con:
AmigaOS/MorphOS
BeOS
FreeBSD
GNU/Linux
Mac OS
MacOSX
QNX
VxWorks
Windows NT 3.51
El procesador PowerPc 750CL, es un dispositivo evolucionado que va desde los 400
MHz hasta 1GHz con un bus de sistema de hasta 240MHz, este procesador se ha
fabricado con una base de 90 nm tiene 20 millones de transistores, y la matriz es de
16nm^2, trabaja a 2.7 w a 600MHz, y a 9.8 W a 1 GHz.
Procesador Power8
El procesador Power8 es el último de la familia Power de IBM, está disponible con
hasta 12 cores, más a comparación del power7,este procesador está basado en la
tecnología SMT8 (single mode thread), soportando 8 hilos de hardware por nucle de
forma simultánea, de igual forma comparado con el Power7 que solamente soporta 4
hilos por core.
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Quiere decir que si un sistema operativo cuenta con un procesador power8, este podrá
ejecutar hasta ocho hilos en el hardware de forma simultánea.
Este procesador está desarrollado a una escala de 22nm, Silicon- On- Insulator (SOI)
cada chip es de 567 mm^2 y contiene 1.2 billones de transistores, como se muestra en
la figura, contiene 12 cores, cada uno de ellos con su respectivo 512 KB L2 y 8 MB L3
que conforman la memoria DRAM, tiene dos controladores de memoria y controladores
PCIe Gen3 I/O y un sistema de interconección que conecta todos los componenetes
con el chip.
Este sistema utiliza los chips del buffer de memoria para la interfás entre el procesador
y la memoria DDR3 y DDR4 cada buffer incluye un cahcé L4 para reducir el tiempo de
acceso a la memoria (Hall,Performance optimization and tunin technique for IBM,
Processors, 21).
Este procesador ocupa una interfaz del procesador coherentemente asignado o CAPI
para la memoria corta coherente con direccionamiento a CPUS, tiene ocho unidades de
envio (dippatch) por núcleo, es destacable también que cada núcleo posee su propio
regulador de voltaje, tiene también interconexión SMP integrada puede llegar hasta 128
mb de memoria cache nivel 4.
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Cada chip es de 64 bits, y es desarrollado bajo la norma ISA.
Cala núcleo es capaz de ejecutar ocho hilos de forma simultanea.
34 KB para instrucciones -Caché
64 KB para datos –Caché
Memoria expansible.
La memoria pude alcanzar los 230 GB/s manteniendo el ancho de banda
sucursal predictor agresivo que permite agilizar los procesos.
Dos Fix-point simétricos para ejecuciones unitarias.
Movimiento de datos y movilidad VM
Alcanza una frecuencia de hasta 4 GHz
A continuación se presenta la geometría del caché del power 8
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AL escala en el power 8 es muy representativa a diferencia la los modelos anteriores
que estaban entre los 90 nm como se muestra en la siguiente tabla.
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BIBLIOGRAFÍA,
WEISS, Melvyn et. Al. (1986) Introducción a los microprocesadores. Equipo y sistemas.
México: Limusa
POWER8
Performance optimization and tunin technique for IBM, Processors.
Bryan Hall
REFERENCIAS
Hardzone (2011): http://hardzone.es/2011/04/07/intel-xeon-e7-nueva-familia-de-
procesadores-para-servidores/
Informática hoy (2009): http://www.informatica-hoy.com.ar/aprender-informatica/El-
Procesador-de-la-computadora.php
Intel:
http://www.intel.la/content/dam/www/public/lar/xl/es/documents/40_aniversario_del_pro
cesador.pdf
Intel, Familia de procesadores Intel Xeon E7 v3:
http://www.intel.la/content/www/xl/es/processors/xeon/xeon-e7-details.html
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Xacata. Así comenzó todo: El origen de los procesadores (2012):
http://www.xataka.com/componentes-de-pc/asi-comenzo-todo-el-origen-de-los-
procesadores
IBM, anouncement (2015)
http://www-03.ibm.com/systems/power/announcement.html
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