Arquitectura de computadores

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Arquitectura de Computadores - Código 22966

Carlos Jaime Barrios Hernández - ( c b a r r i o s  @   u i s . e d u . c o )

Auxiliatura Técnica-Académica : Equipo de Ingenieria de Supercomputación y Cálculo Científico

PRESENTACION

El diseño, desarrollo e innovación son palabras que corresponden a la actividad de un ingeniero, cualquiera que sea su área de trabajo. Desde un punto de vista ingenieril la tecnología, es el fruto de la concepción y desarrollo del conocimiento, utilizando herramientas y proyectando una utilidad, incluyendo el diseño de nuevas herramientas. Como ingenieros de sistemas esas herramientas son las máquinas computacionales, las cuales evolucionan con la actualización del conocimiento, que involucra la explotación de nuevos materiales, nuestra capacidad de abstracción y las perspectivas de desarrollo (mas que las necesidades).

Si bien el componente técnico/tecnológico de la asignatura arquitecturas de computadores es importante, el solo hecho de utilizar la palabra “arquitectura” involucra una percepción hacia la concepción, el diseño y la organización de los elementos que integran un sistema de cómputo (no solo una máquina computadora), como es la interacción con otros sistemas y con los humanos, observando tendencias, factibilidad, requerimientos de rendimiento, limitaciones tecnológicas y físicas, impacto ambiental entre otros. Aunque la frontera con el conocimiento que involucra otras áreas como la ingeniería electrónica, la física de materiales o la matemática aplicada es frágil, el curso esta dirigido a estudiantes de ingeniería de sistemas y ciencias de la computación, buscando ofrecer fundamentos de arquitectura de sistemas computacionales desde una ubicación histórica. De ahí que se complementen con lecturas acerca del estado del arte en cada una de las secciones propuestas para este curso.

El propósito fundamental de esta asignatura durante el presente semestre es establecer un estado de conocimientos fundamentales en arquitectura de computadores, que permita manejar el lenguaje técnico asociado, ubicar temporalmente el desarrollo tecnológico, conociendo el estado del arte en esta área y fundamentar conocimientos que permitan el auto-aprendizaje y profundización en el área, además de la interacción en equipos interdisciplinarios que requieran competencias en arquitectura de sistemas computacionales.

Contenido

1. Introducción y Fundamentos de Arquitectura de Sistemas de Cómputo
   1. Arquitectura, Organización y Diseño de Sistemas de Cómputo
   2. Desarrollo histórico – Ubicación histórica actual
   3. Clases de Computadoras
   4. Abstracción y Tecnología de Computación – Tendencias
   5. Desempeño
   6. Casos de Estudio
2. Instrucciones y Aritmética para Computador
   1. Fundamentos de Instrucciones para Computador
      1. Operaciones y Operandos de Hardware de Computadoras
      2. Representación de Instrucciones
      3. Operaciones Lógicas
      4. Instrucciones para la toma de decisiones
      5. Soporte de Procedimientos a nivel de Hardware
      6. Comunicaciones
      7. Arquitectura MIPS
      8. Introducción Paralelismo I – Paralelismo de Instrucciones y el problema de la sincronización
      9. Algunos Aspectos Avanzados
         1. Aspectos Arquitecturales de Compilación
         2. Fundamentos de Diseño Lógico
         3. Mapeo de Hardware
      10. Casos de Estudio
   2. Introducción y Fundamentos de Aritmética para Computador
      1. Adición y substracción
      2. Multiplicación y División
      3. Introducción al Paralelismo II – Aritmética de computadores y el problema de la asociatividad.
      4. Casos de Estudio
3. Organización y Diseño Arquitectural de Sistemas de Cómputo
   1. Fundamentos de Organización y Diseño
   2. Aspectos Básicos de Procesadores
      1. Aspectos Lógicos de Diseño
      2. Pipeline y Control
      3. Paralelismo y Escalabilidad
      4. Casos de Estudio
   3. Fundamentos de Memoria
      1. Fundamentos de Organización y Diseño
      2. Jerarquía de Memoria
      3. Casos de Estudio
   4. Aspectos Básicos de Almacenamiento
   5. Aspectos Básicos de Comunicaciones y Conectividad
      1. Conectividad Interna
      2. Interconectividad y Redes (Introducción)
   6. Fundamentos de I/O, Gráficas e Interfaces
   7. Casos de Estudio
4. Tendencias y Direcciones Futuras
   1. Arquitecturas Híbridas
   2. Arquitecturas Reconfigurables
   3. Aspectos Energéticos, Ecológicos y Ambientales
   4. Arquitecturas Escalables, de Gran Escala y Ecosistemas
   5. ARMS (Advanced RISC Architectures) y Computadores Embebidos.
   6. EXASCALE y otras direcciones

ASPECTOS METODOLOGICOS

• Seminarios Teóricos
• Seminarios Magistrales
• Seminarios con Invitados
• Sesiones Teórico Prácticas / Análisis de Casos
• Lecturas Sugeridas (En español y en Inglés)
• Webminars y Videoconferencias

MATERIAL DEL CURSO

El material presentado, fundamentalmente son las diapositivas presentadas durante las sesiones tanto teóricas como los talleres. Es importante resaltar que la mayoría del material se encuentra en inglés. Esto con el fin de acostumbrar la consulta en inglés, debido a que las especificaciones y la bibliografía y fuentes de información "de punta" en tecnología están estandarizadas en inglés. Es posible que existan algunos errores de escritura.  Estas diapositivas son principalmente de las sesiones Teóricas (Desde el I Semestre de 2016) y los artículos presentados por los estudiantes a partir del primer semestre de 2016.

Presentación del Curso:

• 1-2018

Del Tema 1 del Contenido:

• Abstracción
• Fundamentos de Diseño Lógico Digital
• Evolución Histórica
• Evaluación de Desempeño

Del Tema 2 del Contenido:

• Aritmética Computacional
• Instrucciones Computacionales
• Multinúcleos y Paralelísmo: Una introducción
• Introducción al Ensamblador

Del Tema 3 del Contenido:

• Redes y Conectividad
• Systems on Chip
• Almacenamiento e I/O s
• RISC, CISC y Variaciones
• Arquitecturas Reconfigurables y Embebidas

EVALUACIONES (1 Semestre de 2018)

Los exámenes escritos se realizarán en las horas de clase e inician a las 6:00 a.m.

Los exámenes son de 90 minutos estrictos.

1. Evaluación Escrita No. 1 (20%) TEMA 1 (Con material de apoyo, Individual).  Fecha propuesta:  Martes 10 de Abril de 2018

• Se recomienda tener hoja de examen y responder con lapicero, no con lápiz.
• No se permite ningún tipo de comunicación entre estudiantes.
• Pueden usar computador portátil, notas de clases y libros, pero ningún tipo de comunicación entre estudiantes.

2. Evaluación Escrita  No. 2 (20%) TEMA 2  (Sin material de apoyo, individual).  Fecha propuesta: Martes 8 de Mayo de 2018

• Principalmente el tema 2, pero puede incluirse conocimientos del tema del contenido 1.
• Tenga en cuenta las recomendaciones dadas para el anterior mensaje..

3. Evaluación Escrita No.3  (20%) TEMA 3  (Sin material de apoyo, Por Parejas).  Fecha propuesta: Martes 3 de Julio de 2018

• Principalmente el tema 3, pero se pueden incluir conocimientos vistos en los temas 2 y 3.
• Incluye una pregunta de los artículos entregados y expuestos por los grupos (Normalmente es una pregunta evidente realizada durante la exposición).

Fechas de Presentación: Martes 12 y Miércoles 13 de Junio de 2018

El artículo responderá a un proyecto de aplicación que se distribuirá en grupos dados por el profesor y se debe tener en cuenta la estructura del mismo (introducción, estado del arte, contenido en el cual se desarrollará en sí el trabajo, resultados (experimentación si la hay), gráficas, figuras y tablas (si son necesarias), conclusiones, biografía y fuentes de información. Pueden guiarse viendo el siguiente ejemplo aquí

• 12 (doce) Páginas en Español  (mínimo 8 páginas), Título y Resumen (abstract) en español y en  inglés (máximo 10 lineas). NO OLVIDE DARLE UN TITULO QUE DEBE SER DIFERENTE AL TITULO DE LA ASIGNACION PERO QUE GENERE UN INTERES A LA LECTURA
• Formato IEEE en una columna para series de conferencias http://www.ieee.org/conferences_events/conferences/publishing/templates.html
• La asignación es de 2 (dos) o 3 (tres) autores por artículo, de acuerdo a la asignación (igualmente distribuidos por el profesor). NO SON MODIFICABLES
• Temáticas Distribuidas por el Profesor

El artículo debe entregarse en un único archivo .pdf enviándolo al correo del profesor, indicando en el asunto: ENTREGA ARTICULO FINAL ARQUITECTURA. Recuerde que la fecha de entrega esta indicada en el calendario de evaluaciones. Para la presentación debe tener en cuenta lo siguiente:

• 5 (Cinco) Minutos estrictos de presentación. Mas allá de este tiempo será penalizado en la nota.
• Puede estructurarse en formato libre, pero deben usarse diapositivas. Estas diapositivas deben enviarse al profesor el mismo dia de la presentación
• El orden de presentación de los grupos es el mismo orden de los grupos.

5. Sesiones de Entregas Prácticas (20%) Todos los Miércoles desde 31 de Enero de 2018

• Se pueden realizar y entregar por parejas. Las sesiones prácticas se realizan los jueves e inician desde las 6:15 a.m. Después de las 6:30am no se recomienda ingresar al salón de clase.
• Toda las sesiones prácticas generan un informe que se enviará vía correo electrónico al correo del profesor, diez minutos antes del cierre del sistema (7:50am). No se calificaran informes enviados fuera del momento de la sesión del curso (después de las 7:55 a.m.).
• Los informes de laboratorio/práctica, se entregan estrictamente en un documento y con las condiciones dadas más adelante en la sección algunas prácticas: Arquitectura de computadores#ALGUNAS PRACTICAS
• Recuerden las sesiones prácticas no se recuperan, la no entrega de informes e inasistencia injustificada da como nota cero (0.0) en esa práctica.

TEMÁTICAS DE PROYECTOS

No olvide ver los temas asignados en la lista posterior denominada Temas para Trabajos 2018-1. Se recomienda observa tanto los artículos como las diapositivas de los semestres anteriores realizados por sus compañeros y disponibles en este sitio.

Asignación de Grupos 2018-1

Grupo	Participantes	Tema para Trabajos 2018-1
A	2142635 - ALVAREZ AMADO ADEL FARID 2142618 - CARRIZALES DUARTE ALVARO 2130138 - CHACON LOPEZ JUAN FELIPE	T1
B	2150174 - CHIA LERZUNDY JOSE ANDRES 2152479 - ESPITIA MUÑOZ FABIAN ALBERTO 2151476 - FERNANDEZ DIAZ CRISTIAN MAURICIO	T2
C	2130284 - HERNANDEZ ARIAS ANDRES CAMILO 2152903 - LUCENA LUNA LISETH VERONICA 2142641 - MANTILLA DIAZ LAURA JULIANA	T3
D	2143696 - MANTILLA LOPEZ JUAN DAVID 2150011 - MEDINA BLANCO DIEGO FERNANDO 2152501 - MONTENEGRO MARTINEZ EDGAR ANDRES	T4
E	2151841 - MORENO TARAZONA ALEJANDRA 2150782 - PALOMINO FLOREZ WILLIAM GIOVANY 2151215 - PAREJA FONSECA LAYONETH ENRIQUE	T5
F	2142657 - PARRA BASTOS LIZETH PAOLA 2130478 - PEREA PEREZ JORGE LUIS 2150606 - PEÑA CONTRERAS HENRY IVAN	T6
G	2150436 - RAMIREZ BRUJES DOUGLAS ANDRES 2152779 - RAMIREZ MUÑOZ ALEJANDRO 2151287 - RIVERA CEPEDA BRAYAN ORLANDO	T7
H	2122079 - ROJAS CHACON DAMAR NICOLAS 2150286 - ROJAS ROBLES MARIANNE SOLANGEL 2152488 - RUIZ GARCIA LINA MARCELA	T8
I	2130539 - TRIANA MOJICA JORGE ANDRES 2150877 - VALDIVIESO SUAREZ LUIS HERNANDO	T9
J	2151843 - VALENZUELA RINCON BRAYAN CAMILO 2142626 - VEGA BORRERO BERNARDO ANDRES	T10

Temáticas de Proyectos

Para este semestre se realizó una asignación por grupos de dos (2) y tres (3) estudiantes, de acuerdo a la tabla anterior. Cada uno de los grupos deberá realizar el trabajo asignado y seguir lo que se muestra en el numeral 4 de la sección de evaluaciones. Cada uno de los grupos partirá de al menos un articulo o enlace informativo de base dado, pero deben buscar otras fuentes para responder a las preguntas asociadas al mismo (no necesariamente en el orden dado, el orden ustedes lo dan para darle un cuerpo y un argumento a su artículo y trabajo). Recuerden que a partir del artículo de base, deben buscar nuevas fuentes de información (otros artículos, otros enlaces, etc).

Tenga en cuenta que la asignación es definitiva, todo el equipo debe trabajar y en la clase práctica del 21 de febrero de 2018, se deberá hacer un informe previo sobre como resolverán la tarea asignada. La tabla de asignación involucra igualmente el orden de presentación.

Temas para Trabajos 2018-1

• T1: Tendencias en IA para el 2018 Cray Inc. en su grupo de discusión de expertos ha trabajado sobre la idea de como la IA transforma la tecnología. Para el 2018, ellos han predicho ciertas tendencias interesantes, que pueden verse en: https://www.cray.com/blog/artificial-intelligence-five-trends-2018/ Exponiendo cada una de estas tendencias, responda las siguientes preguntas:
  • ¿Cual, según su criterio representa la más clara para nosotros en Colombia? Justifique su respuesta
  • ¿Desde el punto de vista de arquitectura de computadores, cuales son los retos tecnológicos que representan?
  • ¿Estamos preparados como ingenieros de sistemas y como país a asumir esas tendencias? Justifique su respuesta.
• T2: Predicciones en HPC para el 2018: HPC Wire es un sitio especializado en Computación de Alto Rendimiento que diariamente publica información acerca de cómputo avanzado y sistemas de datos, tanto a nivel académico como industrial. En la publicación: https://www.hpcwire.com/2017/12/21/five-surefire-maybe-hpc-predictions-2018/ , HPC Wire realizó unas predicciones para el 2018 en la industria y tecnología para este año. Exponiendo cada una de estas predicciones, responda las siguientes preguntas:
  • ¿ Cual de estas predicciones es la que a su criterio genera mas impacto en Colombia? Justifique su respuesta.
  • ¿Por qué se hace tanto énfasis en la crisis de identidad del HPC?
  • No ha pasado sino meses de estas predicciones. Al realizar su articulo, ¿Cual es el estado de estas predicciones?
• T3: Electrónica Orgánica: Tras las limitaciones físicas y los requerimientos cada vez mayores en consumo de energía, rapidez, capacidad y permanencia, los científicos han venido buscando nuevas maneras de proponer cómputo. Recientemente, un nuevo paso se ha dado para generar electrónica orgánica (https://liu.se/en/news-item/jattekliv-inom-den-organiska-elektroniken) con revolucionarios resultados (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704916/full) De acuerdo a este tipo de contribuciones expuestas, responda las siguientes preguntas:
  • ¿Por qué se buscan componentes orgánicos para dispositivos electrónicos?.
  • ¿La abstracción lógica cambia? Justifique su respuesta.
  • ¿Que retos trae a los ingenieros y científicos de computadoras este tipo de cómputo orgánico?
• T4: Nuevo descubrimiento aumentaría las capacidades de memoria y procesamiento: Recientemente el Colegio de Ciencia e Ingeniería de la Universidad de Minnesota anunció un descubrimiento que afectaría las capacidades de memoria y procesamiento en sistemas computacionales (https://cse.umn.edu/news-release/new-discovery-improve-brain-like-memory-computing/) El descubrimiento, publicado en nature (https://www.nature.com/articles/s41467-017-02491-3) sin duda es revolucionario y podría genera en el corto plazo nuevamente una potencialización de las capacidades tecnológicas. De acuerdo a esto y exponiendo de que se trata este logro, responda las siguientes preguntas:
  • ¿Que hace tan importante y relevante este descubrimiento? Explique el detalle.
  • ¿Por qué se hace referencia a que las capacidades de memoria y procesamiento se acercan a las capacidades del cerebro, como principal preocupación de los investigadores en el área?. Justifique su respuesta.
  • ¿Que consecuencias tecnológicas, sociales y económicas en el corto plazo ha visto cada vez que las capacidades de cómputo y almacenamiento se incrementan?. De ejemplos.
• T5: La Siguiente Fase en la Revolución Digital: Sin duda alguna, en los últimos cinco (5) años se ha presentado una revolución que ha replanteado no sólo el valor de la información sino también la manera como se garantiza su uso, desde las plataformas hasta los modelos de programación, más aún en lo que denominamos nube computacional (https://cacm.acm.org/magazines/2018/2/224635-the-next-phase-in-the-digital-revolution/fulltext) Observando aquellas características expuestas por expertos, acerca de la siguiente fase en esa revolución, responda las siguientes pregunta:
  • ¿A qué se debe el debate dato acerca de la productividad y como la sociedad se transforma dramáticamente? Justifique desde el punto de vista tecnológico e ingenieril su respuesta.
  • ¿Por qué lo que se considera plataforma es importante en toda esta revolución?
  • ¿Cómo es la perspectiva regional colombiana para ser actores en esa nueva fase de revolución digital? Justifique su respuesta de manera crítica.
• T6: Perspectiva de los Sistemas Operativos Ubiquos: Los sistemas que denominamos tradicionales de cómputo van desde sistemas en la nube, dispositivos que interactuan entre ellos, entre lo que denominados Internet de las Cosas (IoT) y nuevas tecnologías emergentes que se preocupan de nuevas capacidades pero tambien de limitaciones como el consumo energético. En ese sentido, se lleva una continua y completa discusión como puede verse en: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=8268011 y el papel de los sistemas operativos. Teniendo en cuenta los aspectos tratados y expuestos relacionados en el artículo de base, responda las siguientes preguntas:
  • ¿Por qué la perpsectiva definida en software (software-defined) es importante?
  • ¿Cuales son los retos técnicos?
  • Con el rápido desarrollo y despliegue de sistemas ubicuos en el mundo, ¿que retos debemos afrontar como futuros ingenieros de sistemas? De un ejemplo de una posible aplicación en algún sector productivo en Colombia (agro-industria, energía, salud)
• T7: HPC for Energy: Exascale plantea retos tecnológicos que tradicionalmente se ven desde las arquitecturas hardware y software, pues no solo se trata de tener una electrónica mejor para poder procesar exa-datos a un costo energético eficiente, sino también que las aplicaciones se ejecuten. En ese sentido sus compañeros del semestre 2017-2 del G2, realizaron un trabajo en torno a la modernización de las aplicaciones. Precisamente, en dias pasados, un consorcio europeo en torno al interés en exascale para problemas asociados a la energía se reunió (https://www.hpcwire.com/2018/01/25/eu-brazil-energy-interests-position-exascale/) en el cual obtuvieron interesantes conclusiones en torno a los avances del proyecto (https://hpc4e.eu/). Ese consorcio esta conformado por la Unión Europea y Brazil. Observando de que se trata tanto el exascale como el proyecto HPC4E responda las siguientes preguntas:
  • ¿Cuales han sido los logros más relevantes del proyecto?
  • ¿Por qué es importante el exascale y los problemas energéticos tratados desde la computación?
  • Santander es una región de industrias energéticas, a su criterio ¿es relevante que se participe y genere proyectos similares en los cuales la computación juegue un papel interesante? Justifique su respuesta.
• T8: AI para suplir miembros amputados: Recientemente, se ha anunciado un logro que desde el 2012 no se realizaba y era la posibilidad de realizar tareas avanzadas en miembros robotizados en personas amputadas (https://goo.gl/abMz1U) El anunció de los resultados hechos por un grupo de investigación de Georgia Tech (http://www.news.gatech.edu/2017/12/11/force-strong-amputee-controls-individual-prosthetic-fingers) abre nuevas posibilidades para que la tecnología aporte al bienestar de los seres humanos. Teniendo en cuenta lo expuesto anteriormente, responda las siguientes preguntas:
  • ¿Qué arquitectura computacional ha permitido desarrollar este tipo de logros?
  • ¿Cuales han sido los principales retos y preguntas abiertas que aún quedan, desde el punto de vista computacional?
  • ¿Como podríamos como ingenieros en Colombia, aportar a estos desarrollos, por ejemplo, para personas que han perdido sus miembros en la guerra reciente en Colombia o en accidentes de trabajo? Justifique su respuesta.
• T9: Europa lanza proyecto de 1 billón de Euros para construir supercomputador en el 2023: La supercomputación es uno de los pilares modernos para la competitividad científica de las naciones y conglomerados económicos. En se sentido, la unión europea lanzó su proyecto de supercomputación para el 2023(https://sciencebusiness.net/news/eu-launches-eu1b-project-build-fastest-supercomputer-world-2023), en el cual le apuesta no sólo ha construir un supercomputador sino el más poderoso del mundo y cambiar el panorama observado hoy en el Top500 (https://www.top500.org/) De acuerdo a la información que recopila al respecto, responda críticamente las siguientes preguntas:
  • ¿Cuales son las principales motivaciones para Europa?
  • ¿Cómo ve a América Latina como bloque respecto a Europa, Asía, Estados Unidos de América y Canada? Justifiqué su respuesta.
  • ¿Y Colombia, es altamente competitiva o no? Justifique su respuesta.
• T10: La investigación en Hardware en su sistema de video juegos: Recientemente, la prestigiosa revista nature publicó una interesante contribución en torno a la investigación y la ruptura que se ha generado en los sistemas de video juegos (https://www.nature.com/articles/d41586-017-08968-x) De acuerdo a las ideas expuestas allí, responda las siguientes preguntas:
  • ¿Por qué los sensores han sido fundamentales? Justifique su respuesta.
  • ¿Cuál ha sido el papel de los video juegos en torno al desarrollo de la arquitectura de hardware?
  • No como jugadores, sino como desarrolladores tanto de video juegos como de sistemas completos, ¿como ve al país? (Recuerde, debe documentarse muy bien y buscar información al respecto).

Trabajos 2017-2

• G1: El Problema de la Memoria en Arquitecturas computacionales en la Era PostMoore (Artículo , Diapositivas): Actualmente nos encontramos ante una disrupción tecnológica en computación, en la cual, por las limitaciones físicas, económicas y energéticas, la ley de Moore no se aplica más en computación y los fabricantes e investigadores están desarrollando lo que es las arquitecturas computacionales en la era post-moore. Existen muchos retos que se plantean, entre ellos el uso de arquitecturas heterogeneas para acelerar procesamiento a un bajo consumo energético relativo, pero cada reto que se busca tratar genera otros tantos, como los problemas relacionados con la memoria. En el artículo Heterogeneous Computing Meets Near-Memory Acceleration and High-Level Synthesis in the Post-Moore Era muestra como se trata el reto para acelerar la memoria mas cercana al procesamiento en arquitecturas heterogéneas.
  • ¿Dé que se trata efectivamente la Era Post-Moore en arquitectura computacional?
  • Describa de que se trata el reto que estan solucionado los autores del mismo, y cuales son sus principales logros.
  • ¿Otras personas o grupos de investigación han tratado el problema o no? Si es asi, cual es el aporte que dan los autores.
  • ¿Cuales nuevas preguntas y retos surgen de la propuesta de los autores del articulo dado?
  • Como ingenieros de sistemas, ¿como los afecta este tipo de problemáticas?. Sea concreto y puede dar ejemplos.
• G2: Modernización de las Aplicaciones en la Era Exascale (Artículo , Diapositivas):'Exascale plantea retos tecnológicos que tradicionalmente se ven desde las arquitecturas hardware y software, pues no solo se trata de tener una electrónica mejor para poder procesar exa-datos a un costo energético eficiente, sino también que las aplicaciones se ejecuten. En ese sentido, se han desarrollado grupos y centros especializados para tratar problemáticas asociadas, como los Centros de Excelencia (o COE de sus siglas en inglés). En el artículo http://ieeexplore.ieee.org/document/8024142/ Application Modernization for the Exascale Era introduce otros tres siguientes, en los cuales se trata precisamente de como un COE generado trata ese problema de la modernización de las aplicaciones, teniendo en cuenta aspectos importantes del co-diseño hasta aplicaciones. Uno de los tres articulos siguientes denominado: Application Modernization at LLNL and the Sierra Center of Excellence trata mas en detalle la acción de un COE.
  • ¿Por qué y como el exascale afecta las aplicaciones?
  • ¿Por qué es importante tratar la modernización de las aplicaciones? ¿Cuales son los principales retos que se encuentran?. Recuerden desde el Exascale.
  • ¿Por qué es importante los COE?
  • Una de las aplicaciones visibles y de alto impacto desarrollado por el COE en mención puede verse en Toward Exascale Earthquake Ground Motion Simulations for Near-Fault Engineering Analysis de que se trata y como desde la ingenierí de sistemas e informática y la computación se trata este tipo de problemas? Recuerde, desde el punto de vista de arquitectura de computadores (hardware/software)
  • ¿Como se atacarían desde la EISI problemas como el anteriormente expuesto? ¿Es importante hacerlo para Santander y el país?
• G3: Computación Cuántica (Artículo, Diapositivas):'Desde la ciencia ficción hasta en conversaciones de cafetería se habla de la computación cuántica, el cual, a pesar de ser muy experimental aun, es un hecho que algunos grupos de investigación y empresas le apuestan a un desarrollo a futuro, generan igualmente nuevos retos y resolviendo otros. En el articulo The Quantum Future of Computation los autores tratan de que se trata ese "futuro cuántico de la computación" (Igualmente puede ver en youtube en la charla de Matthias Troyer con el mismo nombre).
  • ¿Dé qué se trata la computación cuántica? Recuerde, desde el punto de vista de arquitectura (hardware/software).
  • ¿De que se trata la física cuántica?¿Porqué entonces de computadores cuánticos?
  • ¿Qué pasa con las aplicaciones y la arquitectura de ellas (arquitectura software)? ¿Como se compilan, ejecutan y trazan (ver su desempeño)?
  • Si la computación cuántica se desplegara inmediatamente, ¿Cuales serian las implicaciones sociales, económicas e industriales?
  • ¿Como futuro ingeniero, se cree listo para asumir en rol en un mundo con computación cuántica? Justifique su respuesta.
• G4: Computación Molecular (Artículo , Diapositivas): Los científicos en computación, andan trabajando desde hace años en resolver los diferentes retos (bajo consumo de energía, aumentar capacidades, programabilidad, etc.) proponiendo nuevos paradigmas y arquitecturas computacionales, cada vez menos convencionales. Precisamente, como se observa en Embodied Molecular Computation: Potential and Challenges se plantea un nuevo reto, para nada convencional, desde las posibilidades moleculares de la materia para hacer computación.
  • ¿De qué se trata la computación molecular? ¿Por qué aparece el término embodied (incorporada)?
  • ¿Esta de acuerdo que los procesos biológicos pueden entenderse como programas? Justifiqué su respuesta.
  • ¿Que retos, cambios de paradigma (a nivel de arquitectura, representación, programación, etc) y cambios trae consigo la computación molecular y en este caso molecular incorporada (o embebida)?
  • Si la computación molecular see desplegara inmediatamente, ¿Cuales serian las implicaciones sociales, económicas e industriales?
  • Como futuro ingeniero, ¿cree que con los conocimientos actuales que tiene como estudiante, esta listo para afrontar un mundo con computación molecular (y molecular embebida?. Justifique su respuesta.
• G5: Nuevos Paradigmas de Interacción Hombre -Máquina (Artículo , Diapositivas): El desarrollo de arquitecturas computacionales que permitan la interacción hombre-máquina desde sinergias corticales para permitir un control cerebral de dichas arquitecturas es un reto que genera cada vez mas preguntas, ante nuevos avances logrados. En el artículo Cortically Coupled Computing: A New Paradigm for Synergistic Human-Machine Interaction se presenta un nuevo paradigma pensando en el acoplamiento precisamente en el acoplamiento cortical.
  • ¿De qué se trata la interacción cerebro-computador y porque involucra cada vez mas nuevos retos?
  • Arquitecturalmente (computacionalmente), ¿como podría explicarse un sistema cerebro-computador?
  • ¿Cual es el rol que juega la inteligencia artificial en todo esto?
  • En términos de aplicaciones, ¿cuales son los retos tanto en el desarrollo como en la concepción de aplicaciones del "mundo real"?
  • Dé que se trata IEEE Brain Initiative y ¿Como se podría participar desde la UIS?
• G6: Computación en Tiempo Real sobre Procesadores Multi-núcleos (Artículo , Diapositivas): El uso de múltiples núcleos en procesadores han permitido sobre diferentes arquitecturas computacionales, garantizar alto rendimiento y nuevos usos, pero también generan nuevos retos como la misma gestión de la memoria. En el artículo Real-Time Computing on Multicore Processors presenta una propuesta para el uso de procesadores multi-núcleos para computación en tiempo real, usada en aviónica.
  • ¿Cuales son los principales retos y problemas a los que se enfrenta el uso de procesadores de multiples núcleos para sistemas de computación de tiempo real?
  • ¿Por qué se hace tanto énfasis en la interferencia entre núcleos?
  • A nivel de aplicaciones, ¿Cuales son los retos?
  • ¿Por qué es importante estimar los peores casos en el rendimiento de estos sistemas (y de cualquier sistema)?
  • ¿Que campos de aplicación sociales, industriales y académicos podría tener el uso de sistemas de procesamiento multinúcleo para tiempo real en el entorno cercano? (Universidad, Bucaramanga, Santander, Colombia). De ejemplos.
• G7: ¿La Ley de Moore ha muerto? (Artículo , Diapositivas): La Ley de Moore, propuesta en 1965 se ha cumplido de una manera extraordinaria hasta hace un par de décadas cuando las limitaciones físicas y el advenimiento de nuevas tecnologías generaron una disrupción tecnológica que hace que se comience a visualizar una era post-Moore. Sin embargo, algunos investigadores dicen que el anuncio de la muerte de la Ley de Moore es exagerado. En el artículo Exponential Laws of Computing Growth y en el video trata precisamente acerca de ese crecimiento computacional exponencial y las implicaciones que tiene no solo en como entendemos y usamos la tecnología sino también como la vemos a futuro.
  • ¿Como podría entender la ley de Moore no solo a nivel de los transistores (chips) sino también a nivel de procesos, hilos y aplicaciones?.
  • ¿De que se trata la ley de Rock y por qué es importante?
  • ¿Qué rol tiene el paralelismo en todo esto?
  • ¿Qué ha pasado con el desarrollo de aplicaciones en la era Moore?
  • El crecimiento exponencial computacional plantea retos complejos. ¿Cuales son esos retos como ingeniero de sistemas y como se ubica la Escuela de Ingenieria de Sistemas e Informática de la Universidad Industrial de Santander, para atacar esos retos?
• G8: Computación Heterogénea (Artículo , Diapositivas): Para garantizar máximo desempeño aprovechando las características y propiedades de tecnologías especificas, se han propuesto arquitecturas computacionales completamente híbridas y heterogéneas, creando configuraciones cada vez mas novedosas, complejas y con un costo económico menor, pero que plantean nuevos retos. En el video y en el artículo Heterogeneous computing: here to stay se presenta lo que es hoy la computación heterogénea y como debe entenderse, desde un punto de vista computacional, haciendo enfásis en los retos que plantea.
  • ¿Qué es la computación heterogénea?
  • ¿Cuales son los retos en hardware y en software? De ejemplos.
  • La UIS, desde Supercomputación y Cálculo Científico (SC3UIS) comenzó a innovar hace cinco (5) años con computación heterogénea, inicialmente con el codiseño y cointegración de GUANE-1 (GpUAdvanced eNvironmEnt - 1) que es un computador heterogéneo. ¿Qué lo hace tan especial y heterogéneo/híbrido?
  • ¿Qué es lo bueno y lo malo de esa computación heterogénea?
  • Como la UIS desde la Escuela de Ingenieria de Sistemas e Informática ha respondido a la computación heterogénea? (cursos, proyectos, grupos de investigación, interés de los profesores, estudiantes... etc.)

Artículos de los Grupos del Curso del Semestre 1-2016

• Artículo del Grupo 1, Arquitecturas Heterogéneas
• Artículo del Grupo 1 - Versión B, Arquitecturas Heterogéneas
• Artículo del Grupo 2, Programación de Arquitecturas Híbridas
• Artículo del Grupo 3, Arquitecturas Reconfigurables
• Artículo del Grupo 4, Codiseño
• Artículo del Grupo 5, Eficiencia Energética
• Artículo del Grupo 6, Tecnologías Verdes
• Artículo del Grupo 7, Arquitecturas Escalables
• Artículo del Grupo 8, Sistemas de Gran Escala
• Artículo del Grupo 9, ARM
• Artículo del Grupo 10, Supercomputación basada en ARM
• Artículo del Grupo 11, Computación Exascale
• Artículo del Grupo 12, Supercomputación Exascale
• Artículo del Grupo 13, Hardware Libre
• Artículo del Grupo 14, Supercomputación en el bolsillo
• Artículo del Grupo 15, Interfaz Cerebro Computador
• Artículo del Grupo 16, Codiseño de Sistemas Embebidos

Nota importante: Para efectos de la evaluación, al grupo que le correspondió el artículo del Grupo 1, como estos trabajaron finalmente separadamente, escojan alguna de las dos versiones, indicando en la evaluación, que versión escogieron.

Artículos de los Grupos del Curso del Semestre 2-2016

• Artículo del Grupo 1, Connecting Processing...
• Artículo del Grupo 2, Sistema Confiable de Almacenamiento
• Artículo del Grupo 3, Modelos de Programación y Cargas de Trabajo en Computadoras Escalables
• Artículo del Grupo 4, WSC
• Artículo del Grupo 5, Exascale
• Artículo del Grupo 6, Top500.org
• Artículo del Grupo 7,Hardware Libre y Sistemas Embebidos
• Artículo del Grupo 8, Sistemas de Gran Escala
• Artículo del Grupo 9, Arquítecturas Híbridas
• Artículo del Grupo 10, HiPEAC
• Artículo del Grupo 11, ARM
• Artículo del Grupo 12, NVIDIA Jetson TK1 y TX1
• Artículo del Grupo 13, GUANE-1

BIBLIOGRAFÍA Y FUENTES DE INFORMACION

1.Patterson and Hennesy, Computer Organization and Design (The Hardware, Software Interface)]

• Libro Completo

• Historial Perspective and Further Reading
• Glossary of Terms in Architecture
• A Survey of RISC Architectures for Desktop, Server and Embedded Computers

2. Patterson and Hennesy, Computer Architecture; A Quantitative Approach

• Libro Completo

3. TED Talks

• The Birth of Computers by George Dyson
• Shimon Schocken: The self-organizing computer course
• [http://www.ted.com/talks/john_graham_cumming_the_greatest_machine_that_never_was.html John Graham-Cumming: The greatest machine that never was
• Kwabena Boahen: A computer that works like the brain

ALGUNAS PRACTICAS

Todas las prácticas se desarrollan en el tiempo de clase y el informe para las mismas deberá enviarse 10 minutos antes de la finalización de la misma. En el momento de la sesión, se dirá si esas prácticas son en parejas o individuales. Las condiciones generales de entrega son las siguientes:

• Los informes deben enviarse por correo electrónico al correo del profesor. En el asunto del mismo deberá colocarse "PractArqComp No. XX" Por ejemplo, si la práctica es la práctica 37, el asunto del correo deberá ser: PractArqComp-37.
• El informe de las mismas, se enviará adjunto en el correo ÚNICAMENTE en un solo archivo .pdf de máximo (3) tres páginas tamaño carta, tipo de letra 12 puntos, espaciado sencillo, que incluya las gráficas necesarias, cuyo archivo debe nombrase con los apellidos (o apellido si es individual), las iniciales de los nombres (o inicial del nombre si es individual) y el numero de práctica respectivo. Por ejemplo, si los integrantes del trabajo son Pedro Pérez y Maria Márquez, que realizan la práctica 37, el archivo de informe .pdf deberá nombrarse como : MarquezPerezMP37.pdf El archivo debe incluir en la cabecera el número y fecha de la práctica, asi como los nombres completos de los participantes junto con el código respectivo.
• En algunas prácticas es necesario que se incluyan algunos archivos de código fuente. En ese caso, dentro del informe mismo, deberán indicarse cuales son esos archivos adjuntos y deben enviarse junto con el archivo de informe (con nombres libres) pero dando las indicaciones de compilación y ejecución.
• En el cuerpo del mensaje, deberán colocarse los nombres completos y códigos de los autores del informe ( o autor si es el caso de un laboratorio individual),

Primera Práctica: Familiarizándose con las secciones prácticas e introducción al curso

Esta primera práctica tiene como objetivo, introducir la asignatura de arquitectura de computadores y se realizará de manera individual. Antes de entrar a desarrollar las secciones de las prácticas, visite completamente esta página del curso y familiarícese con el contenido de la misma.

Observe la charla de TED dada por George Dyson, The Birth of Computers y responda las siguientes preguntas, de manera concreta, si es necesario complementando con otras fuentes de información que busque al momento de hacer el informe:

1. ¿Qué es lo más trascendental para usted en esta charla?
2. ¿Qué situaciones "cotidianas" encuentra hoy en día en las máquinas de cómputo que prevalecen desde los primeros días de esas primeras máquinas de computación?
3. Compare las principales características de su teléfono celular o del PC que tiene junto a usted al momento de hacer este informe (capacidad de memoria, almacenamiento, consumo energético, capacidad de procesamiento e incluso complejidad), con las de esas máquinas pioneras. ¿Cuales han sido los cambios más dramáticos?.
4. Observe las dos caricaturas que se han colocado en el wiki:

y

¿Cuales son sus impresiones al respecto?Tenga en cuenta el contexto del curso de Arquitectura de Computadores.

Cuarta Práctica: Informe Inicial del trabajo final

El objetivo de esta práctica es realizar un primer acercamiento al trabajo final asignado. Recuerde que TODOS los participantes de los grupos deben trabajar y que estos ya han sido asignados y NO SON MODIFICABLES.

Siguiendo las indicaciones de entrega de reportes o informes de práctica, por cada grupo creado para el trabajo final se deberá realizar un informe y enviarlo, en el cual se traten los siguientes aspectos:

1. En un máximo de diez líneas, resuma de que se trata el trabajo asignado. Recuerde ser concreto y usar sus palabras y describalas en términos de requerimientos.
2. ¿Qué deben hacer para resolver las preguntas y realizar el trabajo asignado?
3. ¿Qué otra bibliografia u otras fuentes de información le aportarán al desarrollo del mismo? (mínimo 5)
4. ¿Como se relaciona el trabajo asignado con la asignatura? Justifique su respuesta claramente.

Quinta Práctica: Arquitectura General

El objetivo de esta práctica es comprobar las capacidades para identificar planos de arquitectura de algunos sistemas y entenderlos.

1. La siguiente imagen, corresponde a una organización del sistema propuesta para un sistema Nehalem-EP 8-way cc-NUMA SMP, basado en CPUs (http://sc.tamu.edu/systems/eos/). Como profesional en ingenieria de sistemas le preguntan lo siguiente, de acuerdo a la gráfica (10 puntos):
   • ¿Cuantos procesadores tengo?
   • ¿Cuántos tipo de procesadores tengo y de que tipo? Explique cada uno
   • ¿Cuántos nucléos de procesamiento (cores) tengo?
   • ¿Cuántos niveles de caché tengo? Explique a que me refiero con el caché.
   • ¿Qué dice la información acerca de la latencia al compararla de procesador a procesador y de procesador a memoria?

CONSULTA CON EL PROFESOR Y SESIONES ESPECIALES

Normalmente, si requieren alguna consulta pueden enviarme un email al correo cbarrios(-@-)uis.edu.co o en el desarrollo del curso para planificarla . Sin embargo, los martes en la mañana en el horario de 8:30 am. hasta las 11:30 a.m. puede buscarse en la oficina LP 226. Les recomiendo sin embargo que saquemos una cita previa.

Algunas sesiones especiales serán programadas en el transcurso del semestre.

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