Η επικράτηση των ψηφιακών κυκλωμάτων 1o μέρος

Transcript

1 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας Επικοινωνιών, Ηλεκτρονικής και Συστημάτων Πληροφορικής Εισαγωγή στη Σχεδίαση VLSI Η επικράτηση των ψηφιακών κυκλωμάτων 1o μέρος (Έκδοση 2013) Η. Κουκούτσης

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 Η παγκόσμια αγορά μικροαγωγών - μικροκυκλωμάτων (για τα Ψηφιακά Συστήματα και τους Υπολογιστές) Πηγή: Intel Corp. 2010, από το βιβλίο CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective, 4 th ed., N. H. E. Weste and D. M. Harris 2011 Pearson Education, Inc. Publishing as Pearson Addison-Wesley ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 3

4 Γενιές Ψηφιακών Υπολογιστικών Συστημάτων Τρείς γενιές κατασκευής Ψηφιακών και Υπολογιστικών Συστημάτων (ΨΣ/ΗΣ), ανάλογα με τα πρωταρχικά υλικά κατασκευής τους: 1 η γενιά: ΨΣ κατασκευασμένα με ηλεκτρονικές λυχνίες (tubes) - πχ. ο ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), ο οποίος: λειτούργησε από το 1946 ως το 1955, κόστισε USD ή περίπου σημερινά USD ζύγιζε περίπου 30 τόνους είχε διαστάσεις 2.6 m 0.9 m 24 m, επιφάνεια 63 m 2 και κατανάλωνε 150 KW ισχύος (περίπου 200 PS). Τμήμα πίσω όψης του ENIAC, όπου φαίνονται οι ηλεκτρονικές λυχνίες ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 4

5 Γενιές Ψηφιακών Υπολογιστικών Συστημάτων (2) 2 η γενιά: ΨΣ κατασκευασμένα με τρανζίστορς έως και με ολοκληρωμένα κυκλώματα SSI, MSI (Small Scale Integration: Μικρής Κλίμακας Ολοκλήρωσης, Medium Scale Integration: Μεσαίας Κλίμακας Ολοκλήρωσης). Πχ. o IMB 1620 και ο Control Data Cyber 171 του ΕΜΠ, mainframes της εποχής τους, καθώς και ο mini υπολογιστής HP 1000 (Hewlett-Packard) του Εργαστηρίου Ηλεκτρονικής της Σχολής μας, ο οποίος: λειτούργησε από το 1978 για τουλάχιστον 25 χρόνια κόστισε USD το 1978 είχε διαστάσεις περίπου 1.9 m 0.8 m 0.8 m + 1 m 0.8 m 0.8 m είχε ενσωματωμένο ψηφιακό μαγνητόφωνο μπομπίνας, μνήμη 124KB (!!) και δίσκο 10 MB σταθερό και10 MB εναλλάξιμο (!!), καθώς και γλώσσα προγραμματισμού την FORTRAN V. ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 5

6 Γενιές Ψηφιακών Υπολογιστικών Συστημάτων (3) 3 η γενιά: ΨΣ κατασκευασμένα με ολοκληρωμένα κυκλώματα VLSI, της σχεδόν ολικά κυρίαρχης σήμερα τεχνολογίας CMOS. (VLSI: Very Large Scale Integration, Πολύ Υψηλής Κλίμακας Ολοκλήρωσης, CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor technology, Τεχνολογία Συμπληρωματικών Τρανζίστορ Μετάλλου-Οξειδίου-Ημιαγωγού). Παραδείγματα είναι οι σημερινοί προσωπικοί και επαγγελματικοί υπολογιστές. Ένα τυπικό σημερινό, επαγγελματικό σύστημα πολύ υψηλών επιδόσεων μπορεί να έχει: (n )4 18 blades (το n μπορεί να φτάσει και το 1000 ή να γίνει ακόμη μεγαλύτερο) των: 2 επεξεργαστών των 8 πυρήνων Xeon αρχιτεκτονικής Westmere ή Sandy Bridge-E ή Ivy Bridge και έως 768 GB errorcorrecting, DDR3 μνήμης ανά blade(δηλαδή πάνω από (n )1000 πυρήνες αρχιτεκτονικής σύγχρονων, επαγγελματικών μορφών του i7 και πάνω από (n ) GB μνήμης), αρκετές εκατοντάδες (έως και χιλιάδες) δίσκων των 3ΤΒ. (Πρέπει να τονιστεί στο σημείο αυτό ότι, για να λειτουργήσει σωστά και αποδοτικά ένα σύστημα του είδους αυτού, χρειάζονται ειδικά, πολύ υψηλών επιδόσεων υποσυστήματα υλικού και λογισμικού, καθώς και δικτυακά υποσυστήματα, τα οποία δεν παρουσιάζονται εδώ) ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 6

7 Η εξέλιξη του πλήθους τρανζίστορς στους ολοκληρωμένους επεξεργαστές της Intel Πηγή: Intel Corp. 2010, από το βιβλίο CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective, 4 th ed., N. H. E. Weste and D. M. Harris 2011 Pearson Education, Inc. Publishing as Pearson Addison-Wesley ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 7

8 Το πρώτο τρανζίστορ και το πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα (ΟΚ) Πηγή: Από το βιβλίο CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective, 4 th ed., N. H. E. Weste and D. M. Harris 2011 Pearson Education, Inc. Publishing as Pearson Addison-Wesley ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 8

9 Από τα πρώτα ολοκληρωμένα κυκλώματα Πηγή: Intel Corp. 2010, από το βιβλίο CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective, 4 th ed., N. H. E. Weste and D. M. Harris 2011 Pearson Education, Inc. Publishing as Pearson Addison-Wesley ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 9

10 Συχνότητες ρολογιού των μικροεπεξεργαστών Intel Πηγή: Intel Corp. 2010, από το βιβλίο CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective, 4 th ed., N. H. E. Weste and D. M. Harris 2011 Pearson Education, Inc. Publishing as Pearson Addison-Wesley ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 10

11 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 11

12 Απλουστευμένη απεικόνιση δομής nmos τρανζίστορ ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 12

13 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 13

14 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 14

15 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 15

16 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 16

17 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 17

18 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 18

19 CMOS: Χωρίς στατική κατανάλωση ισχύος (εκτός από την κατανάλωση διαρροών) ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 19

20 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 20

21 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 21

22 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 22

23 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 23

24 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 24

25 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 25

26 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 26

27 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 27

28 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 28

29 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 29

30 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 30

31 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 31

32 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 32

33 ΕΣ VLSI - Εισαγωγή - Η. κουκούτσης 33

34 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα» του ΕΜΠ έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.