Tema 5. Coprocesadores para gráficos: PPU, RTPU...

                    Los coprocesadores gráficos son microprocesadores que se encargan básicamente de realizar tareas de suplemento del GPU para facilitar el procesado y que éste logre llegar a la realización de las tareas en tiempo real.

                   Actualmente todos los ordenadores tienen algún tipo de GPU que permite liberar a la CPU de los cálculos necesarios para generar gráficos 3D, hoy en día se ha añadido más hardware de propósito específico, especialmente para juegos. La propuesta más importante ha sido la de un coprocesador físico normalmente conocido como PPU (Pysics Processing Unit).

              Una unidad de procesamiento físico (PPU) es un microprocesador dedicado diseñado para procesar los cálculos de la física, especialmente en los motores de física en los videojuegos. Ejemplos de cálculos que engloba una PPU pueden incluir dinámica de cuerpos rígidos, dinámica de cuerpos blandos, detección de colisiones, dinámica de fluidos, simulación de pelo y ropa, análisis de elementos finitos, y rotura de objetos. La idea es que procesadores especializados reduzcan el tiempo de las tareas de la CPU de un ordenador.

Tema 5. Benchmarks y comparativa entre GPUs

                    Para evaluar el rendimiento de un sistema gráfico se utilizan benchmarks, software real o "de juguete" diseñado para probar la eficiencia del sistema a la hora de generar los gráficos. Un ejemplo de benchmark es el SPECviewperf11, que ya comentamos en el blog. Hoy en día, los benchmarks sintéticos no interesan por su baja fiabilidad, de modo que se usa software real para analizar el rendimiento del sistema. Cuando hablamos de "software real" estamos diciendo que los mejores benchmarks son juegos actuales que requieren sacar lo mejor de las tarjetas gráficas, por ejemplo, se usa el Crysis, el Half Life 2, Mass Effect o el Call of Duty como benchmarks, por ejemplo analizando los frames por segundo en diferentes configuraciones, resolución de pantalla, filtrados, profundidad de color...

              Es importante aclarar que siempre se evalúa parte de un sistema, es decir, el resto de componentes, tanto hardware como software, también afectarán a los resultados obtenidos. No sólo se está evaluando la tarjeta gráfica, sino también el resto de componentes del sistema, y sobre todo, la relación entre todos ellos.

                     Hace poco Nvidia ponía en circulación la GeForce GTX 580, la mejor tarjeta gráfica simple del mercado, con un rendimiento altísimo y con la ventaja añadida de su silenciosa tarjeta. Ahora Nvidia ha vuelto a sorprendernos con su GTX 570, que proporciona las últimas prestaciones a un precio demencial: unos 350 $. Está claro que Radeon va a tener que emplearse a fondo para contrarrestar a Nvidia.

TEMA 5. Evaluación de rendimiento en arquitecturas para gráficos y multimedia

a. (B) Escoger una evaluación de rendimiento o una comparativa reciente y analizarla/criticarla.

b. (B) Coprocesadores para gráficos: PPU, RTPU, etc.

c. (E) Estudio de una arquitectura de altas prestaciones utilizada para aplicaciones gráficas: cluster, Grid, FPGA, ASIC, etc.

d. (E) Evaluación de rendimiento de la tarjeta gráfica como coprocesador de la CPU (benchmarks para CUDA).

e. (E) Detección de cuellos de botella.

Tema 4. Modelos de programación para el Cell

               El procesador Cell tiene unas excelentes prestaciones y será un gran procesador, siempre y cuando se le pueda sacar todo el rendimiento que de él se espera, pero la pregunta está en si eso será fácil para los desarrolladores.

             Como ya hemos comentado el chip Cell tiene 8 núcleos de procesamiento (Synergistic Processor Element o SPE). Cada uno de los SPE tiene una memoria única de 256KB, 128 registros con una anchura de 128 bits y elementos de ejecución de 128bits, se puede decir que cada SPE es una máquina de 128bits. Con esta capacidad de procesamiento tenemos que cada SPE puede ejecutar 2 Double-Float, 4 Floats o Long integers, ocho integers... etc, cada uno en un solo ciclo de reloj. Además cada SPE contiene siete elementos de ejecución de los que solamente dos podrán estar activos a la vez.

             Pero esta arquitectura tiene un inconveniente, y es que cada SPE solamente puede acceder a sus 256 KB de memoria y no verá nada más allá. Para pedir una palabra fuera de esos 256 KB se debe acceder a un DMA conectado a un BUS llamado Element Interconnect Bus (EIB). Esto presenta un problema a la hora de procesar grandes cantidades de información, pues hay que optimizar el "troceado" para que no haya pérdida de rendimiento.

Tema 4. Comparativa entre videoconsolas

                 La Guerra de consolas sigue causando estragos en el mundo de los videojuegos. Andamos ya por la séptima generación de videoconsolas, camino de la octava, y desde que las consolas existen, siempre ha habido una competición por ver quién de todas se lleva el gato al agua.

               Desde que la PlayStation 3 llegó en el mercado para destronar a la Xbox 360 en 2006, los jugadores debaten acerca de qué máquina es superior. Antiguamente cada consola tenía sus títulos propios, pero hoy en día vemos la portabilidad a todas las consolas por parte de una grandísima mayoría de las distribuidoras de juegos. A pesar de ello, y de que los títulos de consola exclusivos se han vuelto menos comunes, los jugadores están convencidos de que su sistema de elección es el mejor.

                Además de PS3 y Xbox 360, contamos con la Wii como tercera en discordia, si bien, la hemos apartado de este estudio técnico, puesto que sus capacidades hardware no son comparables con las otras dos. Según una entrevista con el diseñador de juegos de Nintendo, Shigeru Miyamoto, el concepto de la Wii se desarrolló teniendo como objetivo lograr una nueva forma de interacción con el jugador: "El concepto general era que el poder no lo es todo para una consola. Demasiadas consolas poderosas no pueden coexistir. Es como tener sólo dinosaurios feroces. Podrían luchar entre ellos y adelantar su propia extinción". La consola de Nintendo basa su fuerza en la diversión de los juegos, sus innovadores mandos y un precio muy competitivo, que se puede permitir por tener un hardware más sencillo que sus otras dos grandes rivales. 

Tema 4. Comparativa entre el Cell y el Xenon

                  La idea de una videoconsola es jugar a videojuegos. Los desarrolladores se tienen que preocupar de qué sistema es más rápido, que hardware es mejor y lo que eso significa para los juegos que ellos desarrollan. Pero, para el usuario final, que la Xbox 360 tenga una GPU más rápida o que el procesador de la PlayStation 3 sea el mejor invento desde el pan de molde, realmente no importa. Al final del día, son los juegos y la sensación global lo que vende las consolas. Puedes tener el mejor hardware del mundo, pero si los juegos y la experiencia no están ahí, no sirve de nada.

            Las consolas de última generación han traído dos novedosos procesadores que han introducido importantes modificaciones respecto a lo que se veía hasta ahora. La Xbox 360 estrena el flamante procesador Xenon, del que hablamos en este blog. Por su parte, la PlayStation 3 lleva el procesador Cell desarrollado por Sony, IBM y Toshiba.

Tema 4. El procesador Xenon

                       Xenon es un microprocesador multinúcleo diseñado por IBM para la consola Xbox 360 de Microsoft. La XBOX 360 trae de serie las siguientes especificiaciones técnicas: 

- CPU Procesador Xenon con 3 núcleos de procesamiento paralelos basados en PowerPC con 2 hilos de instrucción por núcleo (6 hilos en total). Cada núcleo corre a 3,2 GHz 

- Características del CPU: Tres núcleos de procesamiento simétricos, 1 MB caché Nivel 2 

- GPU: ATI "Xenos", diseño custom desarrollado por ATI y Microsoft Basado en el núcleo ATI Radeon R500. Primera GPU en utilizar la nueva arquitectura de Shaders Unificados. 500 MHz. 

- VRAM: Integrada al GPU y basada en la tecnología EDRAM (más memoria compartida asignable por software). 10 Mb EDRAM 

- RAM: 512 MB GDDR3 a 700 MHz 

TEMA 4. Arquitectura de videoconsolas

a. (B) Explicación en detalle del Xenon relacionando su arquitectura con todas las técnicas generales estudiadas en los dos temas anteriores.

b. (B) Comparativa entre el Cell y el Xenon.

c. (E) Comparativa entre videoconsolas.

d. (B) Modelos de programación para el Cell.

e. (E) Compiladores para el Cell o el Xenon.

f. (E) Sistemas operativos para videoconsolas.

g. (E) BlueRay.

Tema 3. Comparación de PCI‐Express con PCI y AGP

Peripheral Component Interconnect (PCI)

                     El bus PCI (Peripheral Component Interconnect o "Interconexión de Componentes Periféricos") básicamente es un bus de ordenador estándar para conectar dispositivos periféricos directamente a su placa base. Estos dispositivos pueden aparecer como circuitos integrados ajustados en la placa base o tarjetas de expansión que se ajustan en conectores. Es común en PCs, donde ha desplazado al ISA como bus estándar, pero también se emplea en otro tipo de ordenadores.

                     A diferencia de los buses ISA, el bus PCI permite configuración dinámica de un dispositivo periférico. En el tiempo de arranque del sistema, las tarjetas PCI y el BIOS interactúan y negocian los recursos solicitados por la tarjeta PCI. Esto permite asignación de IRQs y direcciones del puerto por medio de un proceso dinámico diferente del bus ISA, donde las IRQs tienen que ser configuradas manualmente usando jumpers externos. Las últimas revisiones de ISA y el bus MCA de IBM ya incorporaron tecnologías que automatizaban todo el proceso de configuración de las tarjetas, pero el bus PCI demostró una mayor eficacia en tecnología "plug and play". Aparte de esto, el bus PCI proporciona una descripción detallada de todos los dispositivos PCI conectados a través del espacio de configuración PCI.

Tema 3. Interrupciones MSI

                      Las interrupciones (también conocidas como interrupción hardware o petición de interrupción o IRQ) es una señal recibida por el procesador de un ordenador, indicando que debe "interrumpir" el curso de ejecución actual y pasar a ejecutar código específico para tratar esta situación. Una interrupción supone la ejecución temporaria de un programa, para pasar a ejecutar una "subrutina de servicio de interrupción", que pertenece al BIOS (Basic Input Output System). Las interrupciones surgen de las necesidades que tienen los dispositivos periféricos de enviar información al procesador principal de un sistema de computación.

                      De este modo, un dispositivo utiliza una interrupción cuando necesita detener el proceso que está realizando la CPU para informale de que él, por su parte esta haciendo algo. Si dos dispositivos utilizan la misma interrupción, se produce un conflicto, el ordenador no sabe qué elemento intenta avisarle y suelen aparecer problemas de funcionamiento.

Tema 3. Técnicas de gestión de E/S

                   Los dispositivos de entrada y salida (E/S) son aquellos que permiten la comunicación entre la computadora y el usuario. El papel que juegan los dispositivos periféricos del ordenador es esencial; sin tales dispositivos éste no sería totalmente útil. A través de los dispositivos periféricos podemos introducir a la computadora datos que nos sea útiles para la resolución de algún problema y por consiguiente obtener el resultado de dichas operaciones, es decir; poder comunicarnos con el ordenador.

                  La computadora necesita de entradas para poder generar salidas y éstas se dan a través de dos tipos de dispositivos periféricos existentes:

- Dispositivos periféricos de entrada.

- Dispositivos periféricos de salida.

Tema 3. Análisis de la jerarquía de memoria de Intel Pentium Pro

                 La arquitectura Intel Pentium Pro es la sexta generación de arquitectura x86 de los microprocesadores de Intel, cuya meta era remplazar al Intel Pentium en toda la gama de aplicaciones, pero luego se centró como chip en el mundo de los servidores y equipos de sobremesa de gama alta. Posteriormente Intel lo dejó de lado a favor de su gama de procesadores de altas prestaciones llamada Xeon. 

                 Pentium Pro fue puesto a la venta en noviembre de 1995, dos años después de la salida de Pentium. En 1997 fue reemplazado cuando Intel estrenó Pentium II. 

                 Pentium Pro tiene una dirección virtual de 32 bits, hoy en día se queda un poco corto, pues las nuevas arquitecturas tienen una dirección virtual mayor. Las direcciones físicas son de 32 bits. Esta máquina permite páginas grandes (4KB, 4MB), lo que se puede usar para cuestiones como el sistema operativo o para tener un buffer de bloques. Las páginas grandes evitan que se asignen muchas entradas a un simple objeto que estará siempre presente.

Tema 3. Tecnologías de memoria DRAM utilizadas en tarjetas gráficas y videoconsolas

                Toda arquitectura (tanto gráfica como de propósito general) tiene una memoria principal. Al aparecer arquitecturas dedicadas a gráficos se provocó un avance, y una especialización de memorias dedicadas a gráficos. En este post daré un repaso leve a distintas memorias DRAM para tarjetas gŕaficas y comentaré los tipos de memoria de la actual generación de consolas.

Tema 3. Técnicas de optimización para la memoria caché

                   Para optimizar el tiempo de acceso de la memoria caché, se pueden hacer varias cosas: reducir la penalización por fallo, reducir la tasa de fallos, aprovechar el paralelismo y reducir el tiempo de acierto (latencia).

Reducir la penalización por fallo

                   Para lograr este objetivo se trabaja con cachés multinivel, cachés de víctimas, cachés no bloqueantes, se hace uso del Write Merging y la técnica Palabra crítica primero / rearranque rápido.

Tema 3. ¿Cómo afectan las decisiones de organización de la caché a su rendimiento?

                La memoria caché es una memoria pequeña y muy rápida que se utiliza para mejorar el rendimiento de los programas. En lugar de acceder a la memoria principal con lentas lecturas y escrituras, se usan algoritmos que predicen las zonas de la memoria principal con mayor probabilidad de ser direccionadas en el futuro próximo, y se llevan a la caché. El acierto a la hora de elegir estas políticas determinará una mayor o menor efectividad.

       Las decisiones de organización de la memoria caché son varias. Tenemos diferentes políticas de emplazamiento: totalmente asociativa, de correspondencia directa, asociativa de dos vías, asociativa de cuatro vías, etc…

Tema 3. ¿Cómo se traduce de dirección virtual a dirección física?

Memoria Virtual

                   La Memoria Virtual es un concepto que permite al software usar más memoria principal que la que realmente posee el ordenador. La mayoría de los ordenadores tienen cuatro tipos de memoria: registros en la CPU, la memoria caché (tanto dentro como fuera del CPU), la memoria física (generalmente en forma de RAM, donde la CPU puede escribir y leer directa y razonablemente rápido) y el disco duro, que es mucho más lento, pero también más grande y barato.

Las dos razones por las que se utiliza memoria virtual son:

- compartir la memoria eficientemente y sin peligros entre múltiples programas.

- eliminar el inconveniente de tener un espacio de memoria principal pequeño y limitado, ya que puede ocurrir que los programas necesiten más memoria que la disponible en memoria principal.

TEMA 3. Jerarquía de memoria y sistema de E/S

a. (B) ¿Cómo se traduce de dirección virtual a dirección física?

b. (B) ¿Cómo afectan las decisiones de organización de la caché a su rendimiento?

c. (E) Explicar en detalle 2 técnicas de optimización para la memoria caché de cada tipo.

d. (E) Tecnologías de memoria DRAM utilizadas en tarjetas gráficas y videoconsolas (memorias de vídeo).

e. (B) Análisis de la jerarquía de memoria de una arquitectura comercial (incluido esquema de ubicación de cada nivel de la memoria y cálculos de anchos de banda).

f. (B) Explicación en detalle de las técnicas de gestión de E/S: espera de respuesta, interrupciones, DMA y procesadores de E/S.

g. (E) Interrupciones MSI.

h. (B) Comparación de PCI‐Express con PCI y AGP.

i. (E) Nuevos buses de altas prestaciones.

Tema 2. Arquitectura de GPU Fermi: NVIDIA GeForce GTX 580 (GF110)

               Recientemente NVIDIA ha anunciado el lanzamiento de la familia de GPU "Serie 500", con la salida al mercado de la GeForce GTX 580. Basada en la renovada arquitectura Fermi, está pensada para competir con la serie de ATI, AMD Radeon HD 6000. Se trata de la CPU DX11 "más rápida del planeta", que dispondrá de un nuevo diseño de refrigeración "vapor chamber" que permitie un funcionamiento más silencioso y una temperatura inferior a la alcanzada por la serie GeForce 400.

                El chip Fermi incluye 512 procesadores de stream, agrupados en 16 clústers de multiprocesadores de stream (cada uno con 32 núcleos CUDA), y está manufacurado por TSMC en 40 nm. La tarjeta gráfica Nvidia GeForce GTX 580 será la primera de la Serie Nvidia GeForce 500 en usar un chip completamente basado en la renovada arquitectura Fermi, con todos los 16 clústers de multiprocesadores de stream y los seis controladores de memoria de 64 bits activos. La nueva GPU GF110 ha sido mejorada con filtros FP16 a toda velocidad (la anterior generación GF100 GPU sólo podía alcanzar media velocidad FP16) y unidades mejoradas de z-culling.

Tema 2. Arquitectura de procesador Intel Core i7

                 Intel Core i7 es una familia de procesadores de cuatro núcleos de la arquitectura Intel x86-64. Los Core i7 son los primeros procesadores que usan la microarquitectura Nehalem de Intel y es el sucesor de la familia Intel Core 2. El identificador Core i7 se aplica a la familia inicial de procesadores con el nombre clave Bloomfield. Esta nueva generación de procesadores refleja los recientes e importantes avances en tecnología de Intel.

                Los procesadores Core i7 están basados en la micro-arquitectura Intel Nehalem. Cado uno de estos chips ofrece cuatro núcleos y velocidades que van de los 2,66GHz a los 3,20GHz. Algunos de estos procesadores forman la serie Extreme Edition, como el Core i7 965 Extreme Edition tiene una velocidad de 3,20GHz y tecnología QPI (QuickPath Interface) de 6,4GT/s que es su principal diferenciador.

Tema 2. Utilización del multithreading en las arquitecturas para gráficos y multimedia

                   El multhreading es la capacidad del Sistema Operativo de ejecutar las diferentes partes de un programa (threads o hilos) simultáneamente. En sistemas operativos, un thread es similar a un proceso en que ambos hilos representan una secuencia simple de instrucciones ejecutada en paralelo con otras secuencias. Los hilos nos permiten dividir un programa en dos o más tareas que corren simultáneamente, por medio de la multiprogramación.

                    Un ejemplo de la utilización de hilos es tener un hilo atento a la interfaz gráfica (iconos, botones, ventanas), mientras otro hilo hace una larga operación internamente. De esta manera el programa responde de manera más ágil a la interacción con el usuario. También pueden ser utilizados por una aplicación servidora para dar servicio a múltiples clientes.