Hitzschlag oder kühler Kopf?

Transkript

1 Hitzschlag oder kühler Kopf? Perspektiven für die Computer- und Chip-Entwicklung Prof. Dr.-Ing. Andreas Koch Technische Universität Darmstadt

2 Verborgene Computer 2

3 Ubiquitäre Computer 3 Quelle: UbiComp Demos

4 Wachstumsraten 4 Milliarden Weltbevölkerung Mikroprozessoren PCs Quelle: FAST/TUM Bericht an EU Kommission

5 Anteil an Produktionskosten 5 Auto Flugzeug Automatisierung Telekommunikation Unterhaltungselektronik Medizintechnik Quelle: FAST/TUM Bericht an EU Kommission

6 Benötigte Rechenleistung 6 Millionen Befehle / s DECT Bluetooth GSM EDGE UMTS HSDPA Mobilfunkstandard Quelle: Siemens

7 Integrierte Schaltungen 7 Erster Transistor (1947) Erste integrierte Schaltung (1958) Quelle: AT&T

8 NMOS-Transistor 8 Source Gate Drain Quelle: Wikipedia

9 Einfache logische Funktion 9 1 PMOS Inverter Eingang Ausgang Eingang Ausgang NMOS 0 Quelle: Rabaey, Digital Integrated Circuits

10 1971: Erster Mikroprozessor 10 10μm Strukturbreite, Transistoren, 740 khz Takt Quelle: Intel

11 Vertikale Chip-Strukturen 11 Vertikaler Schnitt Verbesserte Isolation Niedrigere Kapazität Verbesserte Leiter Niedrigerer Widerstand Quelle: Intel

12 Schrumpfende Strukturen 12 Quelle: Intel

13 Moores Gesetz 13 Die Anzahl der wirtschaftlich herstellbaren Transistoren auf einem Chip verdoppelt sich alle 18 Monate

14 Auswirkungen 14 Millionen Transistoren Verdoppelt sich alle zwei Jahre Quelle: J. Rabaey, UCB

15 Beispiel 15 (180 nm) , 3 μm, 33 mm², 5 MHz Transistoren Pentium 4: Willamette 2000, 180 nm, 88 mm², 1.5 GHz 42 Mio. Transistoren Quelle: Intel

16 Problem 16 Moores Gesetz besagt nicht: Die Rechenleistung verdoppelt sich alle 18 Monate

17 Beispiel: Intel Montecito 17 Quelle: Intel

18 Sinkende Effizienz 18 MOPS / MHz / Million Transistoren Quelle: J. Wawrzynek, UCB

19 Idee 19 Kleinere Transistoren schalten schneller Noch mehr Transistoren noch schneller betreiben! Anzahl Transistoren steigt durch Moores Gesetz

20 Statischer Energiebedarf 20

21 Dynamischer Energiebedarf 21 1 Ändern des Eingangs Von 1 nach 0 NMOS PMOS Strom durch den Inverter 0 Quelle: R. J. Baker

22 Leistungsaufnahme 22 Leistungsaufnahme in Watt Darf nicht weiter steigen! Quelle: J. Rabaey, UCB

23 Leistungsdichte 23 Leistungsdichte in W / cm Sonnenoberfläche Raketentriebwerk Kernreaktor Heiße Herdplatte Quelle: Intel

24 Eine Lösungsidee 24 Jeder einzelne Prozessor ist langsamer, aber zusammen bewältigen sie mehr Arbeit!

25 Sun T2 25 Quelle: Sun

26 Gut für parallele Anwendung 26

27 Wie rechnen Prozessoren? 27 Beispielformel y = 5 x x Programm t1 := 5 * x t1 := t1 * x t2 := 3 * x t1 := t1 + t2 y := t1 + 1 x y t1 t2 t1 t1 t2 y := := t1 t * + t2 x ALU Ausgabe

28 Ganz anderer Ansatz 28 Beispielformel y = 5 x x * * *5 * + y

29 Noch höhere Parallelität * * *5 * + y

30 Rekonfigurierbare Schaltung 30 x *3 * + y *5 +1

31 Computer-Animation x schneller auf rekonfigurierbarem Rechner als auf normalem PC Nur 8 Watt elektrische Leistungsaufnahme

32 Bildkompression 32 64KB 7KB 20% schneller als auf PC Aber nur 1,1 Watt Leistungsaufnahme Wavelet Quant ZLE Huffman (6x) M ZS CB DRAM (5x) SRAM DRAM

33 Problem 33 Warum dann nicht überall rekonfigurierbare Rechner? Hilfe durch Programmierwerkzeuge! Programmierung erfordert umfangreiche Spezialkenntnisse Nicht alle Programmteile gleich gut geeignet

34 Adaptive Computer 34 Standardprozessor Rekonfigurierbare Schaltung S1 X E1 S2 E2

35 Zukunft: Nanotechnologie 35 Nano-Röhre auf Kohlenstoffbasis (CNT) CNT Ein-Elektron-Transistor 20nm Quelle: Wikipedia und Science 293

36 Umgehung von Defekten 36 x *3 * + y *5 +1 Ausnutzung der Fähigkeiten rekonfigurierbarer Schaltungen