Der Chip‐Herstellungsprozess

Grundbegriffe

Integrierte Schaltungen

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 23

Beispiel eines Mikroprozessors

AMD Barcelona

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

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 25 Bildquellen: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012;

de.wikipedia.org/wiki/Relais; de.wikipedia.org/wiki/Elektronenröhre; de.wikipedia.org/wiki/Transistor; 

de.wikipedia.org/wiki/Integrierte_Schaltung; upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/94/VLSI_Chip.jp

Technologien zum Bau von Prozessor und Speicher

Der Chip‐Herstellungsprozess

Beispiel: 300mm AMD Opteron Wafer

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 27

Der Chip‐Herstellungsprozess

Performance

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 29

Definition von Performance

Response‐Time (oder Execution‐Time) – Gesamtzeit zur Abarbeitung einer Aufgabe  Throughput(oder Bandwidth) – Anzahl Aufgaben pro Zeiteinheit

Performance p eines Computers mit Execution‐Time x:

Performance‐Ratio n zwischen zwei Computern mit Performance p₁ und p₂ bzw. Execution‐

Times x₁ und x₂:

Beispiel: Computer A braucht 10 Sekunden und Computer B braucht 15 Sekunden. Die  Performance‐Ratio n_AB zwischen A und B ist:

Messen von Zeit und Frequenz

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 31

CPU‐Execution‐Time (oder CPU‐Time) – Zeit die die CPU für die Aufgabe beansprucht wird

System‐Performance – Performance auf der Basis von Execution‐Time CPU‐Performance – Performance auf der Basis von CPU‐Time

Bezeichnung Anzeil einer Sekunde Millisekunde (ms) 10^‐3 Sekunden

Mikrosekunde (µs) 10^‐6 Sekunden Nanosekunde (ns) 10^‐9 Sekunden Pikosekunden 10^‐12 Sekunden

Zeit Frequenz

Bezeichnung 1/Sekunde

Hz 1

KHz 10^3

MHz 10^6 

GHz 10^9

Maschinentakt zur Zeitmessung

Clock‐Cycle Zeit

Clock‐Rate [Hz] bei Clock‐Periode [s]: Beispiel Clock‐Rate bei bei 250 ps Clock‐

Periode?

Zusammenhang zwischen CPU‐Time, Clock‐Cycles für ein Programm und Clock‐Periode  bzw. Clock‐Rate:

Instruktionsperformance

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 33

Instruktion 1 Instruktion 2 Inst 3 Instruktion 4

…

Instruction‐Count – Anzahl benötigter Instruktionen für ein gegebenes Programm oder  Programmfragment.

Zusammenhang zwischen CPU‐Time, CPI, Instruction‐Count und Clock‐Periode bzw. Clock‐

Rate:

Zeitmessung zusammengefasst

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

Hardware‐ oder Software‐Komponente Beeinflusst bzw. kann beeinflussen

Algorithmus Instruction‐Count, CPI

Programmiersprache Instruction‐Count, CPI

Compiler Instruction‐Count, CPI

Instruction‐Set‐Architektur Instruction‐Count, Clock‐Rate, CPI Grundlegende Messgrößen

Einflussfaktoren

Performance‐Messung mittels MIPS?

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 35

MIPS – Millionen Instruktionen pro Sekunde

Also für ein Programm mit gegebener Execution‐Time und Instruction‐Count:

MIPS ist abhängig vom CPI‐Wert:

SPEC CPU Benchmark

Was ist das Geometrische Mittel g von x₁, …, x_n?

Beispiel: SPEC CINT 2006 Benchmarks für einen AMD Opteron X4 Model 2356 (Barcelona)

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

F

F'

ohne Verbesserung mit Verbesserung

T_exe

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 T_exe, also f = F/T_exe. Was ist der Speedup S?

Beispiel: Parallel ausführbare Programmkomponente

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 39

Bildquelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Amdahl‘s_law

g

Meilensteine der Rechnerarchitektur

Generation 0: Mechanische Computer (1642‐1945)

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 41

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 Analytical Engine

Charles Babbage,  University of Cambridge

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)

Jahr Name Gebaut von Kommentar 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. Presper

Eckert, 

University of Pennsylvania

Seit 1943 vom amerikanischen Militär gefördertes 

Projekt für den Bau eines elektronischen Computer zur  Berechnung von Reichweitentabellen von schwerer Artillerie. (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.

Generation 1: Elektronenröhre (1945‐1955)

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 43

Jahr Name Gebaut von Kommentar

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

Generation 1: Elektronenröhre (1945‐1955)

Jahr Name Gebaut von Kommentar 1952 IAS John von 

Neumann und Herman  Goldstine Princeton‘s Institute of Advanced Studies

Als ehemaliger Beteiligter des ENIAC‐Projektes baut John  von Neumann am Princeton‘s Institute of Advanced

Studies 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

Control Unit

Arithmetic Logic Unit Accumulator

Input Output Die original von  Neumann Maschine

Generation 1: Elektronenröhre (1945‐1955)

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 45

Jahr Name Gebaut von Kommentar

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)

Jahr Name Gebaut von Kommentar 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. Anwendung

wissenschaftliches 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)

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 47

Jahr Name Gebaut von Kommentar

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 ^Console

Terminal

Paper 

Tape I/O Other I/O Der PDP‐8 Omnibus

Generation 3: Integrierte Schaltungen (1965‐1970)

Jahr Name Gebaut von Kommentar

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)

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 49

Jahr Name Gebaut von Kommentar

1971 Intel 4004 Intel Erster in Serie produzierter Ein‐Chip‐

Mikroprozessor.(4‐Bit‐Mikroprozessor)  1971 TMS 1000 Gary Boone und 

Michael Cochran, Texas Instruments

Erster Mikrocontroller  (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.

Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970)

Jahr Name Gebaut von Kommentar

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.

Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970)

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 51

Jahr Name Gebaut von Kommentar 1981 IBM PC IBM, Philip

Estridge

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‐Dollar schlecht. Produktion wurde 1984 wieder eingestellt. 

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

Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970)

Jahr Name Gebaut von Kommentar

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 Erstesuperskalare Maschine.

1992 Alpha DEC Erster 64‐Bit Personal Computer.

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 53 Jahr Name Gebaut von Kommentar

1993 PIC Microchip

Technology

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 GS88 geprägt.

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  Spezifikation durch

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 Renesas

Technologies

Z8 Zilog

PIC Microchip

Technology 68HC08 Freescale

(ehemals  Motorola)

AVR Atmel

MSP430 Texas 

Instruments

Embedded

Trends

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 55

Moore‘s Law

Bildquelle: en.wikipedia.org/wiki/Moores_law

Single‐Prozessor‐Performance

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 57

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

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 59

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% davon für Mobiltelefone

Anzahl verkaufter Prozessoren (≥ 32 bit)

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

Zusammenfassung und Literatur

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 61

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, 2012

1.1 Introduction

1.2 Below Your Program 1.3 Under the Covers 1.4 Performance

1.5 The Power Wall

1.7 Real Stuff: Manufacturing and Benchmarking the AMD Opteron X4 1.8 Fallacies and Pitfalls

1.9 Concluding Remarks

[HennessyPatterson2012] John L. Hennessy und David A. Patterson, 

„Computer Architecture“, Fifth Edition, 2012

1.1 Introduction

1.2 Classes of Computers

[Tanenbaum2006] Andrew S Tanenbaum, „Structured Computer  Organization“, Fifth Edition, 2006

1.1.2 Contemporary Multilevel Machines 1.2 Milestones in Computer Architecture

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 63