Grundlagen der Technischen Informatik. Rechnertechnologieentwicklung. Kapitel 1.2. Historie. Historie. Historie. Der erste Computer

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1 Der erste Computer Rechnertechnologieentwicklung Kapitel 1.2 Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich Lehrstuhl für Hardware-Software Software-Co-Design Babbages Differenzenrechenmaschine (1832) Teile Preis: 17,470 2 Konrad Zuses Z1 ( ) Konrad Zuses Z3 (1941) 600 Relais Rechenwerk Vollständig mechanischer Aufbau Erster programmgesteuerter, frei programmierbarer Rechenautomat Dualsystem Gleitpunktrechenwerk 1600 Relais im Speicherwerk 22 Bit Wortlänge, Floating Point 64 Worte Speicherkapazität 5-10Hz Leistungsverbrauch: 4000W Gewicht: 1000 kg Z3 ist erster programmierbarer elektomechanischer Automat 3 4

2 ENIAC Der erste elektronische Rechner (1946) Die Erfindung des Bipolartransistors 1947 durch John Bardeen (links), Walter Brattain (rechts) and William Shockley (in der Mitte) war ein bedeutender Schritt, der 1956 mit dem Nobelpreis gewürdigt wurde. 5 6 TI and Fairchild führten 1961 die ersten Logik-ICs auf dem Markt ein (Kosten: ~$ 50,- für Großabnehmer). Es war ein doppeltes Flipflop. Meilensteine Der Bipolartransistor kann 1951 industriell gefertigt werden Das erste Transistorradio kommt 1954 auf den Markt Texas Instruments (TI) fertigt den ersten Siliziumtransistor (Preis: $ 250,-) 1958 wird von Kilby bei TI und von Noyce und Moore bei Fairchild Semiconductor der Integrierte Schaltkreis (IC) nahezu simultan erfunden Die Dichte und Ausbeute der Schaltkreise verbessert sich. Dieser Schaltkreis von 1963 hat 4 Flipflops. -> Metall-Oxyd-Semiconductor Feld-Effekt Transistor (MOSFET) -> Heute: CMOS (Complementary MOS) 7 8

3 1967 verkauft Fairchild den sogenannten Semicustom-IC. Transistoren sind als Spalten angeordnet und lassen sich durch 2 Metallebenen verdrahten. Dieser IC besteht aus ca. 150 logischen Gattern beginnt Intel mit dem Verkauf von 1kbit RAM-ICs führt Intel den ersten Mikroprozessor ein, den Er hatte einen 4-bit Bus und eine Taktfrequenz von 108 khz. Er bestand aus 2300 Transistoren verlassen Noyce und Moore Fairchild und gründen Intel. 9 Intel 8080 (`75) 10 Intel (`82) 4500 Transistoren 6 Microns 2-3,5MHz 8Bit Daten / 16Bit Adresse Intel Intel 8080 Intel 8085 (`76) Intel (`89) 6200 Transistoren 6 Microns 3-6MHz 8Bit Daten / 16Bit Adresse Intel Transistoren 1,4 Microns 6-20MHz 16Bit Daten / 24Bit Adresse 11 1,2 Mio. Transistoren 0.6 Microns MHz 16/32Bit Daten 32Bit Adresse Intel

4 Mikroelektronik heute Einige heutige Prozessoren Jetzt werden Gigabit Speicherchips und CPUs wie die hier abgebildete mit mehreren Millionen Transistoren produziert. Intel Pentium Processor TI DSP 8847 Intel Pentium Processor Intel Pentium 3.3 Mio. Transistoren 3.3V BiCMOS Silicon Technology 32Bit CPU MHz IBM Power PC 750 Pentium Pro Layout Motorola M68355 Microcontroller Historische Entwicklung (1) Historische Entwicklung (1) China ca. 110 v. Chr. Abakus Wilhelm Schickard 1623 Erstes mechanisches Rechenwerk Deutschland Blaise Pascal 1642 Entwicklung einer Rechenmaschine Frankreich Gottfried Wilhelm Leibniz 1673 Einführung des dualen Zahlensystems, Deutschland binäres Rechnen und rechnen mit Bedingungen, Entwicklung einer Rechenmaschine Charles Babbage 1833 Erste programmierbare England Rechenmaschine mit Rechenwerk, Programmwerk, Speicherwerk, Steuerung mit Lochkarten; hat wegen mechanischer Probl. nie funktioniert Hermann Hollerith 1890 Einführung der Lochkarte zur Deutschland/USA Auswertung der amerikanischen Volkszählung von 1890; aus seiner damals gegründeten Firma ging IBM hervor 15 16

5 Historische Entwicklung (2) Historische Entwicklung (2) Konrad Zuse 1941 Entwicklung programmgesteuerter Deutschland Rechenmaschinen; erste funktionsfähige Anlage Z3 1941; Programm auf gelochtem Kinofilmstreifen, Verwendung bistabiler Schaltelemente und dualer Zahlen sowie logischer Verknüpfungen, Gleitkommadarstellung der Zahlen; viele theoretische Arbeiten Howard Aiken 1944 MARK I, Relaisrechner USA John von Neumann 1945 ENIAC, Röhrenrechner, dekadischer USA Rechner mit 10 FF pro Stelle, Leistung vergleichbar mit kleiner 8- Bit-CPU; Addition: 200µs(5kFlops), Multiplikation: 2,8 ms, Kosten mehrere Mio. DM, Roehren, 150 kw leistung, durch ständige Reparaturen nur die Hälfte der Zeit nutzbar Historische Entwicklung (3) Historische Entwicklung (3) Brattain, Shockley 1947 Entwicklung des Transistors Bardeen, USA Apple 1976 Der Apple I läutet das Zeitalter der Massencomputer ein IBM 1978 IBM setzt mit seinem PC mit Intel 8086-Prozessor und Microsoft DOS einen Industriestandard Apple 1984 Der Macintosh erscheint mit seinem revolutionären MacDOS auf Basis des Motorola 68000: - graphische Benutzeroberfläche - Maus - Fenstertechnik - Plug & Play 19 20

6 Geschichte der Halbleiter- und Prozessortechnologie Geschichte der Halbleiter- und Prozessortechnologie 1955 Einsatz von Transistoren in Rechnern 1962 Erste ICs der TTL-Familie 1965 Erste Bauteile in MOS-Technik 1970 Erste Bauteile in CMOS-Technik 1970 Entwicklung des 4004-Prozessors durch Intel (4-Bit) Prozessor (8-Bit) Prozessor (8-Bit) Urvater der Intel-Linie 80xxx und Pentium 64KBytes Adressraum, 2µs Zykluszeit (500 khz) Prozessor (8-Bit) von Motorola Prozessor (16-Bit) Prozessor Prozessor Prozessor (32-Bit) Prozessor (32-Bit) mit integriertem math. Coprozessor 1992 Pentium-Prozessor 1995 Pentium II-Prozessor 1998 Pentium III-Prozessor 2000 Pentium IV-Prozessor Moore s Law 1965 sagte Gordon E. Moore das exponentielle Wachstum der Halbleitertechnologie vorher. Er spekulierte, daß es 1975 möglich sei, Komponenten auf einem 6mm² großen IC zu integrieren - er hatte Recht! Moore s Law Seine Vorhersage beruhte auf 3 Datenpunkten: Produktion des ersten planaren Transistors 1959 ICs von 1964 mit 32 Transistoren Ein IC, der noch im Entwicklungsstadium war und 1965 mit 64 Transistoren auf den Markt gebracht werden sollte. Manufacturers had been doubling the density of components per integrated circuit at regular intervals, and they would continue to do so as far as the eye could see. Moore s Law: Integrationsdichte verdoppelt sich alle 18 Monate 23 24

7 Integrationsdichte Transistordichte Die Komplexität von Speicherchips und Mikroprozessoren wuchs exponentiell. Es war genau diese Abbildung, die Moore vorhersagte. Ähnlich stieg die Anzahl der auf einem Chip zu integrierenden Transistoren. (Mehr als ein Faktor von seit 1970) Moore s Law gilt auch für die Transistordichte von Mikroprozessoren Komplexität digitaler Kommunikationsverfahren Algorithmen Komplexität (Shannon s Gesetz) Quelle: Jan Rabaey, UC Berkeley, USA Messe: UMTS 2000/Barcelona Experimentell 1,2 Mbit/s Prozessor Performanz (Moore s Gesetz) Batteriekapazität 2002: UMTS als Massenprodukt? Moore s Gesetz für Mikroprozessoren Siemens Anwendungsstudie System-on-Chip Schwellwertspannung Vt und Versorgungsspannung V dd Status der Mikroelektroniktechnologie V dd V t t OX MOSFET Kanallänge (µm) Oxyddicke t OX (nm) Schnelle Evolution der IC-Technologien Zuk. VLSI Chips / SoCs CMOS Kanallänge 0.1 µm 0.05 µm Vers.-Spannung (V dd ) V V Chip-Grösse 520 mm mm 2 Transistorsen/cm 2 40 M 100 M DRAM bits /chip 17.2 G 275 G Anzahl Verdraht.-Ebenen (Quelle: International Technology Roadmap for Semiconductors) VLSI-Entwurf am Scheideweg? 27 28

8 SystemSystem-onon-Chip (SoC (SoC)) Moore s Gesetz: Eigenschaften 21% Produktivitätssteigerung /Jahr vs. anwendungsspezifisch reaktiv echtzeitfähig 58% Komplexitätszuwachs/Jahr Produktivität IP oder funktionaler Block 0,13 µm ASIC / Physikalischer Entwurf 0,18 µm IPBlöcke Technologie 0,35 µm Physikalische Komponenten 0,5 µm System-on-Chip 0,6 µm Kriterien 0,8 µm Kosten Verlustleistung Performanz Flexibilität (Risikominimierung -> Time-to-Market) Gat Neue und effiziente CADMethoden zur EntwurfsraumExploration und -Validierung HW/SW Codesign (HLS) RTL Entwurfsmethoden ter % der Entwicklungszeit für Simulation 75% Validierung / Verifikation Produktivitätskrise Validierungstechniken 1988 Heute: Entwurf auf RT-Ebene (Register-Transfer) Zeit Rapid-System Prototyping HW/SW Co-Verifikation HW/SW Co-Entwurf IP-basierte Entwurfsmethoden 30 Netzliste Hardware-Beschreibung Abstraktionsebenen Was automatisierter Entwurf auch sein kann... architecture structural of first_tap is signal x_q,red : std_logic_vector(bitwidth-1 downto 0); signal mult : std_logic_vector(2*bitwidth-1 downto 0); begin delay_register: process(reset,clk) begin if reset='1' then x_q <= (others => '0'); elsif (clk'event and clk='1') then x_q <= x_in; end if; end process; Synthese (Synopsys) mult <= signed(coef)*signed(x_q); Platzierung & Verdrahtung (Cadence/ Mentor) Fabrikation Chip Wafer MaskenLayout 31 Computer Aided Design 32

9 System-on on-chip Formale Spezifikation HW/SW Spec (SystemC, C, VHDL) IP-basierter Entwurf, Reuse & Integration: Anwendungsspezifische EDA-Methoden Digitale Hardwaresynthese Platzierung & Verdrahtung Inkrementelle Verfeinerung Leon Sparc Core Layout D-Cache Cachecontroller Integer Unit Regfile Standardzellensynthese: I-Cache Configurable SoC Leon µc Global SoC-RAM ASIC Reconfigurable Hardware FIFO- Bridge Amba Program -Bus ROM RAM Local XPP-RAM XPP processing array ALU PAE Layout Kriterien für Systemon-Chip Lösungen: - Kleine Chipfläche - Verlustleistung - Entwurfszeit - Flexible Hardware - geringe Kosten - Risikominimierung Bsp.: Bluetooth System-on-Chip (SoC) (Eynde et al., Alcatel, ISSCC 2001) Synopsys: Netzlisten Cadence: Platzierung & Verdrahtung via Europractice onto UMC 0.13/0.18 µm Technologien Leon Mikroprozessor on-chip XPP Architektur effiziente on-chip-interfaces + Speichertopologien System-on on-chip XPP processing array Anwendungen: Daten-/Video-Kompression (MPEG), Mobilkommunikation (Multistandard) Global Positioning System (GPS), Wireless Local Area Networks (WLAN) ALU PAE: rekonfigurierbares Prozessorelement ALU PAE core Ctrl CFG Ausblick Elektronik ist die treibende Kraft im 20. Jahrhundert. Langsam werden physikalische Grenzen bei der Miniaturisierung erreicht. Wie geht s weiter? 10 µ m 1 µ m 100nm 10nm 1nm 4K 16K 64K 256K 1M 4M 1G 16M 4G conventional 64M256M 16G 64G MOSFETs 256G novel devices wavelength of electron quantum devices molecules atoms DRAM production 1A Courtesy Thomas Siemens AG 35 36