Geschichte. 1941: Erster frei programmierbarer Computer mit Relais: Z : Erster Computer mit Röhren: Eniac A2-1

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1 Geschichte 1941: Erster frei programmierbarer Computer mit Relais: Z1 Prof. Konrad Zuse mit der Z1 1945: Erster Computer mit Röhren: Eniac ca Röhren, 140 kw, 3 Tonnen, 150 Röhren / Woche Prof. Dr. H. Baumgärtner A2-1 Die theoretischen Grundlagen für die Halbleiterbauelemente wurden Anfang des letzten Jahrhunderts entwickelt (Quantenmechanik). Die erste funktionierende elektrische Rechenmaschine wurde von Prof. Konrad Zuse entwickelt und aufgebaut. Sie basierte aber noch auf Relais und war daher langsam und verbrauchte viel Energie. Die Eniac war dann die erste Rechenmaschine, die mit Röhren aufgebaut war. Sie wurde dadurch in ihrer Rechenleistung schneller, doch der Energieverbrauch war immer noch sehr hoch. Ein großes Problem war die hohe Ausfallrate der Röhren. A2-1

2 Transistor 1947: Erster Transistor 1958: Erster kommerzieller Transistor 1964: Einzeltransistoren W. Schockley, W. Brattain, J. Bardeen: Bell Labs Physik Nobelpreis 1956 Prof. Dr. H. Baumgärtner A2-2 Der erste Transistor wurde 1948 von den Amerikanern Shokley, Bardeen und Brattain bei den Bell Labs (AT&T) entwickelt. Sie wurden dafür 1956 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. 10 Jahre danach gab es die ersten kommerziellen Transistoren. Diese Spanne von 10 Jahren ist durchaus typisch als Zeitraum zwischen einer ersten wissenschaftlichen Veröffentlichung und dem Start einer industriellen Serienfertigung. A2-2

3 Transistor und Werbung Quelle: SZ 61 (2004) Prof. Dr. H. Baumgärtner A2-3 Ein Plakat der Fa. Phillips, das mit dem neuen und damit modernen Begriff "Transistor" wirbt. A2-3

4 Integration 1958: Erste Integrierte Schaltung J. Kilby bei Texas Instruments: 2000 Physik Nobelpreis 1999: 64 Mb DRAM 1981: Intel Transistoren 3µm Technologie 4,7 MHz Takt Prof. Dr. H. Baumgärtner A wurde von J. Kilby von Texas Instruments die erste integrierte Schaltung vorgestellt. Damit war jetzt auch die Verdrahtung der Transistoren bereits auf der Chipebene möglich. Er erhielt dafür 2000 den Nobelpreis für Physik. Heute können in einem 256 Mbit DRAM bis zu Schreibmaschinenseiten gespeichert werden. Die typische Fläche für einen DRAM Speicherchip liegt in der Größenordnung von 1 cm². A2-4

5 50-70 µm 256 Mb DRAM Quelle: Infineon Prof. Dr. H. Baumgärtner A2-5 Die Abb. zeigt einen Ausschnitt aus einem 256 Mbit DRAM gefertigt mit einer 170 nm Technologie im Vergleich zu einem menschlichen Haar. Die horizontalen und vertikalen Linien entsprechen den Wort- und Bitlines (siehe Kap. 2). A2-5

6 Vergleich mit Kfz-Bau Geschwindigkeit: Mach 4 Verbrauch: Größe: 2550 km / Liter 1,25 cm Zuverlässigkeit: x 750 Preis: 5 DM Prof. Dr. H. Baumgärtner A2-6 Der Vergleich mit dem Automobilbau ist natürlich nicht ganz ernst zu nehmen, zeigt aber doch sehr deutlich wie rapide die Fortschritte in der Mikroelektronik sind. Neben der immer höheren Integrationsdichte hat sich auch die Geschwindigkeit drastisch erhöht (4- fache Schallgeschwindigkeit) und gleichzeitig der Leistungsverbrauch erheblich reduziert. A2-6

7 Gordon Moore Plot 1 Gbit: 2 hr CD Audio 30s HDTV 180 Gbit: 90 min HDTV G 2 1G 512M 256M : Zuwachs: ca. 1 Million Transistoren / Tag = 12 / sec Theoretisches Limit: 1 Atom im Jahr 2035 erreicht Prof. Dr. H. Baumgärtner A2-7? Milliarden Transistoren pro Chip Die International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) von 2005 zeigt einen extrapolierten Verlauf der Entwicklung in Bezug auf Strukturgröße und Integrationsdichte. Gordon Moore hat diese Kurve empirisch aus den Entwicklungsfortschritten der ersten Jahre gewonnen und so auf die folgenden Jahre erweitert. Die ITRS stellt eine scharfe Wegvorgabe für die Halbleiterindustrie dar. An dieser Kurve können auch technologische Probleme abgelesen werden, die in den kommenden Jahren auf die Hersteller zukommen werden. Die Integrationsdichte für Speicherbauelemente (DRAM) nimmt alle 3 Jahre um den Faktor 4 zu. Dies entspricht einer Zunahme der Transistoren pro Chip im Jahre 2003 von etwa 1 Millionen Transistoren pro Tag. Stand der Technik sind 1 Gbit DRAM mit minimalen Strukturgrößen auf einem Chip von nur noch 85 nm. Dies entspricht ungefähr dem 800-ten Teil des Durchmessers eines menschlichen Haares. Bei gleich bleibender Integrationsrate werden für das Jahr 2020 Speicher mit 64 Gigabit und minimalen Strukturen von nur noch 14 nm erwartet. Das theoretische Limit wäre im Jahr 2035 erreicht: Die Strukturgrösse beträgt dann nur noch 1 Atom. Mit 1 Gbit können ca. 2hr Musik oder 30 sec Film in HDTV (High Definition TV) - Auflösung gespeichert werden. Für einen Spielfilm von 90 min werden dann 180 Gbit benötigt, was vorausichtlich bis 2020 erreicht werden kann. A2-7

8 Roadmap für alle Produkte? Infineon Prof. Dr. H. Baumgärtner A2-9 Die Vorgaben der Roadmap bezüglich der zukünftigen Reduzierung der Strukturgrößen sind nur noch in den Produktgruppen Advanced CMOS Logic und DRAM einzuhalten. Die immensen Entwicklungskosten für neue Chipgenerationen amortisieren sich nur noch in den Massenmärkten CMOS Logic und Speicher. Andere Marktsegmente, wie z.b. Automotive, geben sich mit älteren, erprobten und zuverlässigen Technologien zufrieden. A2-9

9 CMOS seen by Intel Prof. Dr. H. Baumgärtner A2-10 Auch Transistoren mit kürzeren Kanallängen (< 65nm) wurden bereits realisiert. Reproduzierbarkeit im industriellen Maßstab ist aber noch ein enormes Problem. A2-10

10 Neue Märkte Roadmap Quelle: ITRS-Roadmap 2005 Prof. Dr. H. Baumgärtner A2-11 Statt nur immer kleiner zu werden können auch ganz neue Anwendungsgebiete als Märkte erschlossen werden. A2-11

11 Quantenkryptographie Entschlüsselung klassischer public Key Verfahren Lauschangriff wird nicht erkannt Knacken mit hohem Zeitaufwand möglich Scheinbare Sicherheit durch mathematische Tricks Beispiel: 1024 bit: konvent: 10 5 Jahre Quantencomp. 4,5 min Ein Quantencomputer knackt alle heute gängigen Codes! Verschlüsselung Mit Quantenkryptographie: absolut unknackbar Jeder Lauschangriff wird erkannt Absolute Sicherheit durch eine physikalische Gesetzmäßigkeit Prof. Dr. H. Baumgärtner A2-12 Mit noch kleineren Strukturen rücken quantenmechanische Effekte in greifbare Nähe. Es gibt Überlegungen diese Effekte nutzbar zu machen, z.b. für Quantenkryptografie. A2-12

12 Mensch Computer Mensch nicht reproduzierbar Fehlertolerant Der Fehler macht die Vielfalt Ionenleitung = langsam (v Ion = 10 3 cm/s) Feuerrate: pro Sek. variable Verknüpfungen lernfähig hohe Verknüpfungsdichte (4000/Neuron) Fadenwurm: 302 Neuronen, Mensch ca Neuronen mehrwertig digital, analog Hardware u. Software vereint CPU u. Speicher nicht lokalisierbar Synapse = Quantenschalter? nicht deterministisch Computer reproduzierbar Fehlerintolerant Der Fehler macht kaputt Elektronenleitung = schnell (v e = 10 7 cm/s) Taktrate: 3 Milliarden pro Sek. feste Verdrahtung nicht lernfähig geringe, feste Verknüpfungsdichte Transistoren binär digital Hardware u. Software getrennt CPU + Speicher getrennt Transistor = klassischer Schalter deterministisch Prof. Dr. H. Baumgärtner A2-13 Computer sollen immer mehr Information in noch kürzerer Zeit verarbeiten bzw. speichern. Der Vergleich mit einem menschlichen Gehirn, das ebenfalls diese Aufgabe erfüllt, soll zeigen, dass in manchen Bereichen der Computer uns überlegen ist (z.b. Speicherung), in anderen Bereichen aber das menschliche Gehirn durchaus noch einen erheblichen Leistungsvorsprung hat (z.b. Bildverarbeitung, Kreativität). Lässt sich auch hier noch von der Natur lernen, was die Struktur, Architektur und Logik der Informationsverarbeitung anbelangt? A2-13

13 Bilderkennung Quelle: SZ Juli 2002 Prof. Dr. H. Baumgärtner A2-14 Bis zum heutigen Zeitpunkt gibt es weltweit kein einziges Computerprogramm, das in der Lage ist, alle auf dem Bild gezeigten Stühle als solche zu erkennen - eine Aufgabe, die das menschliche Gehirn problemlos bewältigt. Ein technischer Nachbau eines menschlichen Gehirns wird daher noch lange auf sich warten lassen. A2-14

14 Texterkennung Ncah eneir Sutide der Cmabridge Uinervtistät, ist es eagl in wlehcer Riehenfloge die Bcuhstbaen in eneim Wort sethen, Huaptschae der esrte und ltzete Bcuhstbae snid an der rhcitgien Setlle. Der Rset knan ttoaels Druchenianedr sien und man knan es torztedm onhe Porbelme lseen, wiel das mneschilhce Gherin nhcit jdeen Bcuhstbaen enizlen leist, snodren das Wrot als Gnazes. Dhaer wrdee ich mir jtezt agnewöehnn, nur ncoh so zu shcribeen. Hrlcheize Gßüre H. Buamgrteänr Prof. Dr. H. Baumgärtner A2-15 Versuchen sie diesen Text einem Computer zum Lesen und Verstehen zu geben! A2-15

15 Optische Täuschung 7 Prof. Dr. H. Baumgärtner A2-16 Das Bild bewegt sich scheinbar. Fixiert man einen Punkt, kommt es zum stehen. Die biologische Datenverarbeitung hält Tücken bereit. A2-16

16 Zukunft I think there is a world market for maybe five computers. Thomas Watson, Chairman of IBM, There is no reason for any individual to have a computer in their home. Ken Olson, Chairman of Digital Equipment Corp., k should be enough for everyone Bill Gates, Microsoft, 1981? Voraussagen soll man unbedingt vermeiden, besonders solche über die Zukunft Mark Twain Prof. Dr. H. Baumgärtner A2-17 Drei Beispiele dafür, dass auch so genannte Experten irren können. Der vierte hat dagegen immer recht. A2-17

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