Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung) (RA)7.5 ECTS
(englische Bezeichnung: Computer Architecture (Lecture with Exercise and practical course))

Lehrveranstaltungen:

• • Rechnerarchitektur
    (Vorlesung, 2 SWS, Dietmar Fey, Di, 08:15 - 09:45, 00.151-113)
  • Übungen zu Rechnerarchitektur
    (Übung, 2 SWS, Sebastian Rachuj et al.)
  • Rechnerübungen zu Rechnerarchitektur
    (Übung, 2 SWS, Anwesenheitspflicht, Christian Widerspick)

Inhalt:

Die Vorlesung baut auf die in den Grundlagen der Rechnerarchitektur und -organisation vermittelten Inhalte auf und setzt diese mit weiterführenden Themen fort. Es werden zunächst grundlegende fortgeschrittene Techniken bei Pipelineverarbeitung und Cachezugriffen in modernen Prozessoren und Parallelrechnern behandelt. Ferner wird die Architektur von Spezialprozessoren, z.B. DSPs und Embedded Prozessoren behandelt. Es wird aufgezeigt, wie diese Techniken in konkreten Architekturen (Intel Nehalem, GPGPU, Cell BE, TMS320 DSP, Embedded Prozessor ZPU) verwendet werden. Zur Vorlesung werden eine Tafel- und eine Rechnerübung angeboten. Die Rechnerübung erfodert 11 erfolgreich abgeschlossene Übungsaufgaben, diese gehen mit 10% in die Modulgesamtnote ein. Die verbleibenden 90% werden durch die mündliche Prüfung bestimmt. Insgesamt werden 7,5 ECTS erworben. In den Tafelübungen werden die in der Vorlesung vermittelten Techniken durch zu lösende Aufgaben vertieft. In der Rechnerübung soll u.a. ein einfacher Vielkern-Prozessor auf Basis des ZPU-Prozessors mit Simulationswerkzeugen aufgebaut werden. Im Einzelnen werden folgende Themen behandelt:

• Organisationsaspekte von CISC und RISC-Prozessoren

• Behandlung von Hazards in Pipelines

• Fortgeschrittene Techniken der dynamischen Sprungvorhersage

• Fortgeschritten Cachetechniken, Cache-Kohärenz

• Ausnutzen von Cacheeffekten

• Architekturen von Digitalen Signalprozessoren

• Architekturen homogener und heterogener Multikern-Prozessoren (Intel Corei7, Nvidia GPUs, RISC-V)

• Architektur von Parallelrechnern (Clusterrechner, Superrechner)

• Effiziente Hardware-nahe Programmierung von Mulitkern-Prozessoren (OpenMP, SSE, CUDA)

• Leistungsmodellierung und -analyse von Multikern-Prozessoren (Roofline-Modell)
  

Lernziele und Kompetenzen:

Fachkompetenz

Wissen

Lernende können Wissen abrufen und wiedergeben. Sie können konkrete Einzelheiten wie Begriffe, Definitionen, Fakten, und Abläufe in einem Prozessor darlegen.

Verstehen

Lernende können Beispiele für Rechnerarchitekturen anführen, sie sind in der Lage, Schaubilder von Prozessoren zu interpretieren und die Abläufe in eigenen Worten zu beschreiben.

Anwenden

Lernende können beim Erstellen eigener Programme durch Transfer des Wissens über Interna von Prozesorarchitekturen Optimierungen hinsichtlich des Laufzeitverhaltens vornehmen.

Analysieren

Lernende können zwischen verschiedenen Varianten von Lösungen einer Prozessorarchitektur klassifizieren, die Gründe für durchgeführte Entwurfsentscheidungen erschließen, Unterscheide gegenüberstellen und gegeneinander bewerten.

Lern- bzw. Methodenkompetenz

Lernende erwerben die Fähigkeit selbstständig Testprogramme zum Bewerten der Leistungsfähigkeit eines Prozessors zu erstellen.

Literatur:

• Patterson/Hennessy: Computer Organization und Design

• Hennessy/Patterson: Computer Architecture - A Quantitative Approach

• Stallings: Computer Organization and Architecture

• Märtin: Rechnerarchitekturen

Organisatorisches:

Schein durch Kolloquium

Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:
Das Modul ist im Kontext der folgenden Studienfächer/Vertiefungsrichtungen verwendbar:

1. Artificial Intelligence (Master of Science)
   (Po-Vers. 2021s | TechFak | Artificial Intelligence (Master of Science) | Gesamtkonto | Wahlpflichtmodulbereich | AI Systems and Applications | Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung))
2. Artificial Intelligence (Master of Science)
   (Po-Vers. 2021s | TechFak | Artificial Intelligence (Master of Science) | Gesamtkonto | Nebenfach | Nebenfach High Performance Computing | Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung))
3. Computational Engineering (Rechnergestütztes Ingenieurwesen) (Bachelor of Science)
   (Po-Vers. 2009 | TechFak | Computational Engineering (Rechnergestütztes Ingenieurwesen) (Bachelor of Science) | alte Prüfungsordnungen | Gesamtkonto | Technische Wahlmodule | Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung))
4. Computational Engineering (Rechnergestütztes Ingenieurwesen) (Bachelor of Science)
   (Po-Vers. 2010 | TechFak | Computational Engineering (Rechnergestütztes Ingenieurwesen) (Bachelor of Science) | Gesamtkonto | Technische Wahlmodule | Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung))
5. Informatik (Bachelor of Arts (2 Fächer))
   (Po-Vers. 2010 | TechFak | Informatik (Bachelor of Arts (2 Fächer)) | Vertiefung Informatik I und II | Vertiefungsmodul Rechnerarchitektur | Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung))
6. Informatik (Bachelor of Arts (2 Fächer))
   (Po-Vers. 2013 | TechFak | Informatik (Bachelor of Arts (2 Fächer)) | Vertiefung Informatik I und II | Vertiefungsrichtung Rechnerarchitektur | Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung))
7. Informatik (Bachelor of Science)
   (Po-Vers. 2009s | TechFak | Informatik (Bachelor of Science) | Wahlpflichtbereich (5. und 6. Semester) | Wahlpflichtmodule | Vertiefungsrichtung Rechnerarchitektur | Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung))
8. Informatik (Bachelor of Science)
   (Po-Vers. 2009w | TechFak | Informatik (Bachelor of Science) | Gesamtkonto | Wahlpflichtbereich (5. und 6. Semester) | Wahlpflichtmodule | Vertiefungsrichtung Rechnerarchitektur | Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung))
9. Informatik (Bachelor of Science)
   (Po-Vers. 2022w | TechFak | Informatik (Bachelor of Science) | Gesamtkonto | Wahlpflichtbereich (Wahlpflichtmodule aus mind. 2 Vertiefungsrichtungen) | Vertiefungsrichtung Rechnerarchitektur | Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung))
10. Informatik (Master of Science)
    (Po-Vers. 2010 | TechFak | Informatik (Master of Science) | Gesamtkonto | Wahlpflichtbereich | Säule der systemorientierten Vertiefungsrichtungen | Vertiefungsrichtung Rechnerarchitektur | Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung))
11. Information and Communication Technology (Master of Science)
    (Po-Vers. 2019s | TechFak | Information and Communication Technology (Master of Science) | Gesamtkonto | Pflicht- und Wahlpflichtmodule der Studienschwerpunkte | Schwerpunkt Embedded Systems | Wahlpflichtmodul aus INF im Schwerpunkt Embedded Systems | Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung))
12. Informations- und Kommunikationstechnik (Master of Science)
    (Po-Vers. 2010 | TechFak | Informations- und Kommunikationstechnik (Master of Science) | Gesamtkonto | Schwerpunkte im Masterstudium | Schwerpunkt Eingebettete Systeme | Wahlpflichtmodule | Wahlpflichtmodul aus INF im Schwerpunkt Eingebettete Systeme | Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung))
13. Informations- und Kommunikationstechnik (Master of Science)
    (Po-Vers. 2016s | TechFak | Informations- und Kommunikationstechnik (Master of Science) | Gesamtkonto | Schwerpunkte im Masterstudium | Schwerpunkt Eingebettete Systeme | Wahlpflichtmodule | Wahlpflichtmodul aus INF im Schwerpunkt Eingebettete Systeme | Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung))
14. Mathematik (Bachelor of Science)
    (Po-Vers. | NatFak | Mathematik (Bachelor of Science) | Module des Nebenfachs | Nebenfach Informatik | Vertiefungsmodule | Vertiefungsrichtung Rechnerarchitektur | Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung))
15. Mathematik (Bachelor of Science)
    (Po-Vers. 2019w | NatFak | Mathematik (Bachelor of Science) | weitere Module der Bachelorprüfung | Module des Nebenfachs | Nebenfach Informatik | Vertiefungsmodule | Vertiefungsrichtung Rechnerarchitektur | Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung))

Studien-/Prüfungsleistungen:

Rechnerarchitektur (Vorlesung mit Übung und Rechnerübung) (Prüfungsnummer: 333815)

Prüfungsleistung, mündliche Prüfung, Dauer (in Minuten): 30, benotet

Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %

weitere Erläuterungen:
30-minütige mündliche Prüfung + 2x-maliges Vorführen einer der Üungsaufgaben + 5 Abgaben der Rechnerübung

Erstablegung: WS 2022/2023, 1. Wdh.: SS 2023

1. Prüfer:

Dietmar Fey