Grundlagen der Technischen Informatik. Rechnertechnologieentwicklung. Kapitel 1.2

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1 Rechnertechnologieentwicklung Kapitel 1.2 Dr.-Ing. Stefan Wildermann Lehrstuhl für Hardware-Software-Co-Design

2 Historie Der erste Computer Babbages Differenzenrechenmaschine (1832) Teile Preis: 17,470 2

3 Historie Konrad Zuses Z1( ) Vollständig mechanischer Aufbau Erster programmgesteuerter, frei programmierbarer Rechenautomat Dualsystem Gleitpunktrechenwerk 3

4 Historie Konrad Zuses Z3(1941) 600 Relais Rechenwerk 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 4

5 Historie ENIAC Der erste elektronische Rechner (1946) 5

6 Historie Beginn des Mikroelektronikzeitalters 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. 6

7 Historie Beginn des Mikroelektronikzeitalters 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 -> Metall-Oxyd-Semiconductor Feld-Effekt Transistor (MOSFET) -> Heute: CMOS (Complementary MOS) 7

8 Historie Beginn des Mikroelektronikzeitalters TI and Fairchild führten 1961 die ersten Logik-ICs auf dem Markt ein (Kosten: ~$ 50,- für Großabnehmer). Es war ein doppeltes Flipflop. Die Dichte und Ausbeute der Schaltkreise verbessert sich. Dieser Schaltkreis von 1963 hat 4 Flipflops. 8

9 Historie Beginn des Mikroelektronikzeitalters 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 verlassen Noyce und Moore Fairchild und gründen Intel. 9

10 Historie Beginn des Mikroelektronikzeitalters 1970 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. 10

11 Historie Beginn des Mikroelektronikzeitalters Intel 8080 (`75) 4500 Transistoren 6 Microns 2-3,5MHz 8Bit Daten / 16Bit Adresse Intel 8085 (`76) Intel 8080 Intel Transistoren 6 Microns 3-6MHz 8Bit Daten / 16Bit Adresse 11

12 Historie Beginn des Mikroelektronikzeitalters Intel Intel (`89) Intel (`82) Transistoren 1,4 Microns 6-20MHz 16Bit Daten / 24Bit Adresse 1,2 Mio. Transistoren 0.6 Microns MHz 16/32Bit Daten 32Bit Adresse Intel

13 Core Core Core Core Core Core Historie Mikroelektronik heute... Memory Controller Chips mit mehreren Milliarden Transistoren realisieren Multiprozessorsysteme. Shared L3 Cache Shared L3 Cache Intel Core i7 980x Processor Extreme Edition Intel Westmere Core i7: 6 Kerne / 12 Prozesse 32 nm Metal-Gate-Caps 12 MB Level-3 Cache 1066 MHz / 25.6 GB 1.17 Mrd Transistoren 248 mm 2 13

14 Historie Einige heutige Prozessoren... Intel Dual Core TI DSP 8847 IBM Cell Processor AMD Barcelona Quad-Core Motorola M68355 Microcontroller 14

15 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 15

16 Historische Entwicklung (1) 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 16

17 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 17

18 Historische Entwicklung (2) 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 18

19 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 19

20 Historische Entwicklung (3) Apple 1984 Der Macintosh erscheint mit seinem revolutionären MacOS auf Basis des Motorola 68000: - graphische Benutzeroberfläche - Maus - Fenstertechnik - Plug & Play 20

21 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) 21

22 Geschichte der Halbleiter- und Prozessortechnologie 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 22

23 Historie 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! 23

24 Historie 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 24

25 Historie Integrationsdichte Die Komplexität von Speicherchips und Mikroprozessoren wuchs exponentiell. Es war genau diese Abbildung, die Moore vorhersagte. 25

26 Historie Transistordichte 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. 26

27 Komplexität digitaler Kommunikationsverfahren Algorithmen Komplexität (Shannon s Gesetz) Moore s Gesetz für Mikroprozessoren Prozessor Performanz (Moore s Gesetz) Batteriekapazität Quelle: Jan Rabaey, UC Berkeley, USA Messe: UMTS 2000/Barcelona Experimentell 1,2 Mbit/s 2002: UMTS als Massenprodukt? System-on-Chip Siemens Anwendungsstudie 27

28 Entwurfsverfahren Status der Mikroelektroniktechnologie 10 5 Schnelle Evolution der IC-Technologien 2 V dd Zuk. VLSI Chips / SoCs CMOS Kanallänge 0.1 µm 0.05 µm 1 50 Vers.-Spannung (V dd ) V V V t t OX Oxyddicke t OX (nm) 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) MOSFET Kanallänge (µm) 1 VLSI-Entwurf am Scheideweg? 28

29 Entwurfsverfahren System-on-a-Chip (SoC) Eigenschaften anwendungsspezifisch reaktiv echtzeitfähig A S IC / P h y s ik a lis c h e r E n tw u rf IP o d e r fu n k tio n a le r B lo c k P h y s ik a lis c h e K o m p o n e n te n S y s te m -on-c h ip Kriterien Kosten Verlustleistung Performanz Flexibilität (Risikominimierung -> Time-to-Market) 29

30 Entwurfsverfahren Moore s Gesetz: 21% Produktivitätssteigerung /Jahr vs. Produktivität 58% Komplexitätszuwachs/Jahr Technologie 0,8 mm 0,6 mm Produktivitätskrise 0,18 mm IP- Blöcke 0,35 mm 0,5 mm RTL 0,13 mm (HLS) Validierungstechniken HW/SW Codesign Entwurfsmethoden Zeit Heute: Entwurf auf RT-Ebene (Register-Transfer) 50-70% der Entwicklungszeit für Simulation 75% Validierung / Verifikation Neue und effiziente CAD- Methoden zur Entwurfsraum- Exploration und -Validierung Rapid-System Prototyping HW/SW Co-Verifikation HW/SW Co-Entwurf IP-basierte Entwurfsmethoden 30

31 Entwurfsverfahren Hardware-Beschreibung Netzliste Abstraktionsebenen 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) Chip Wafer Fabrikation Masken- Layout 31

32 Entwurfsverfahren Elektronik ist die treibende Kraft im 20. Jahrhundert. Langsam werden physikalische Grenzen bei der Miniaturisierung erreicht. Wie geht s weiter? Ausblick 10 mm 1 m m 100nm 10nm 1nm 4K 16K 64K 256K 1M 4M 1G 16M 4G16G64G conventional 64M256M MOSFETs 256G novel devices wavelength of electron quantum devices molecules atoms DRAM production 1A Courtesy Thomas Siemens AG

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