ΔΙΑΛΕΞΗ 1: Εισαγωγή. ECE 653 Embedded and Real-Time Systems. Spring ΧΑΡΗΣ ΘΕΟΧΑΡΙΔΗΣ Επίκουρος Καθηγητής ΗΜΜΥ

Transcript

1 ECE 653 Embedded and Real-Time Systems ΧΑΡΗΣ ΘΕΟΧΑΡΙΔΗΣ Επίκουρος Καθηγητής ΗΜΜΥ Slides partially adopted from Prof. Peter Marwedel Spring 2015 ΔΙΑΛΕΞΗ 1: Εισαγωγή

2 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.2 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 ΔΙΟΙΚΗΤΙΚΑ Διδάσκων: Δρ. Χάρης Θεοχαρίδης Γραφείο: Green Park, #110 Tηλέφωνο: Ώρες Γραφείου: Δευτέρα 11:00πμ-1:00μμ ή και με ραντεβού Διαλέξεις: ΧΩΔ01, Αίθουσα 004 Πέμπτη, 6μμ-9μμ. Ιστοσελίδα (εδώ θα τοποθετούνται οι διαλέξεις ΜΕΤΑ το μάθημα, καθώς και άλλο υλικό)

3 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.3 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 ΔΙΟΙΚΗΤΙΚΑ Στόχοι Μαθήματος Μετά απ Τα ενσωματωμένα συστήματα έχουν πλέον καθιερωθεί σαν ένας καινοτόμος και σημαντικός τομέας της τεχνολογίας πληροφορικής και επικοινωνιών. Ο στόχος του μαθήματος είναι να μάθουν οι φοιτητές σχετικά με την ολοκληρωμένη σχεδίαση λογισμικού και υλικού ενσωματωμένων συστημάτων. ό την ολοκλήρωση της σειράς μαθημάτων, ο φοιτητής θα έχει ολοκληρωμένη γνώση στα: (i) Λειτουργικά συστήματα ενσωματωμένων συστημάτων (ii) Συσκευές και πρωτόκολλα εισόδου/εξόδου δεδομένων και ενσωμάτωση συστημάτων (iii) Μικροεπεξεργαστές και μικροελεγκτές ενσωματωμένων συστημάτων. (iv) Συστήματα διασύνδεσης και πρωτόκολλα επικοινωνίας ενσωματωμένων συστημάτων (v) Βελτιστοποίηση απόδοσης, αξιοπιστίας και κατανάλωσης ενέργειας Ο φοιτητής θα έχει επίσης την ευκαιρία να σχεδιάσει κατά την διάρκεια μελέτης εξαμήνου ένα ολοκληρωμένο ενσωματωμένο σύστημα και να το πρωτοτυπήσει με υλικό ενσωματωμένων συστημάτων.

4 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.4 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 ΔΙΟΙΚΗΤΙΚΑ Προαπαιτούμενα: Βασικές Αρχές Προγραμματισμού Υπολογιστών Γνώσεις Προγραμματισμού Υψηλού Επιπέδου ( C/C++/Java/etc) Λειτουργικά Συστήματα/Αρχιτεκτονική και Δίκτυα Υπολογιστών - ΒΑΣΙΚΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ Αριθμητικά Συστήματα και Δυαδική Άλγεβρα Συνδυαστικά και Ακολουθιακά Κυκλώματα Οργάνωση και βασικά συνιστώσα ηλεκτρονικών υπολογιστών. Επαρκή Γνώση Γλώσσας Περιγραφής Υλικού (VHDL ή Verilog ή SystemC) Αν σας λείπει κάτι, τότε είτε θα πρέπει να το διαβάσετε από μόνοι σας, ή δέστε με, αλλιώς καλύτερα να μην πάρετε το μάθημα.

5 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.5 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Lectures I recommend having a three-hour (with a half hour break) lecture on Thursday, if everyone OK (6-9) Alternatively, we can re-schedule depending on EVERYONE s availability Suggestions? LANGUAGE: The course will be taught in Greek, but with English terminology. Please ask when you do not understand something. The course is PROJECT based. INTENSIVE PROJECT based. We will not have a dedicated Lab session you may come and see me in my office anytime outside my office hours, I am usually available, or by . While this is a hands-on approach, I expect that you will invest significant amount of time in self-learning, which is part of your expected workload. However the equipment is portable, and you will be given your kits over the next few days, which you can work anywhere with!

6 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.6 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 GRADING Group Project - 50% GRADING Final Exam (comprehensive) 30% Can be reversed) Individual Semester Project (literature review) 20%

7 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.7 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 SEMESTER PROJECT - Individual The Class will feature a semester project for each student. I anticipate that the majority of you will work on your own background and area interests. The project will be discussed individually with each one of you, and will most likely feature, either a survey, either a simple prototype, either a research-specific assignment related to your research.. I will bring a list of suggested projects based on the class, and also expect that if one of you wishes to work on their own project, to suggest it. The project will feature a report and a 25 minute presentation (along with a possible demonstration of a potential prototype) given at the end of the course.

8 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.8 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Group Project This year, we will have FUN! We will built an image recognition system, using basic, off-the shelf components, and low-power computation! We will use a Raspberry Pi. We will send our system 200m above ground to have it recognize objects on the ground! We will use a state-of-the-art quadcopter (DJI Phantom II), upon which we will attach the image recognition systmem, and fly it to have it perhaps count a number of objects (cars, people, trees, etc.). You will work in teams of two* (depending on how many register for course).

9 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.9 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Five Labs for the Project Lab 1 Basic equipment setup and tutorial Lab 2 Using the Raspberry Pi and its communication systems Lab 3 Using the Raspberry Pi camera Lab 4 Stream video/frames from Pi to a host system Lab 5 Perform image recognition and stream (via wifi) the number of items that the system can count to a host system (either mobile phone, tablet, labtop, etc.) The idea is that you will build a hands-on system that will do something meaningful, maintaining the low-power and REAL-TIME performance constraints associated with modern embedded systems!

10 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.10 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 ΔΙΟΙΚΗΤΙΚΑ Υλικό Μαθήματος Χωρισμένο σε τέσσερις ενότητες (10 τρίωρες διαλέξεις) - Δεν θα έχουμε μάθημα στις 12 Μαρτίου (απουσία διδάσκοντα στο εξωτερικό), στις 9/16 Απριλίου (Μεγάλη Πέμπτη και Πέμπτη του Πάσχα). ΕΙΣΑΓΩΓΗ (2 διαλέξεις) Προδιαγραφές, τύπος, μοντελοποίηση, περιγραφή Ενσ. Συστημάτων (Embedded Systems Background, modeling, description, and embedded system examples) Υλικό / Hardware (3 διαλέξεις) Επεξεργαστές, διασυνδέσεις, επικοινωνία, είσοδος/έξοδος δεδομένων, κλπ. Λογισμικό Ελέγχου και Λειτουργικό / System Software and O/S (3 διαλέξεις) Λειτουργικό, μεταφραστής, διαχείριση υλικού (operating system, middleware, compilations Embedded Systems Design Flow (2 διαλέξεις) Παράλληλη σχεδίαση Υλικού/Λογισμικού (hardware/software co-design, optimization, energy/reliability management, validation, verification, etc.)

11 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.11 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Books "Embedded System Design" by Peter Marwedel, University of Dortmund 2nd edition, Springer: Paperback, 2006, 258 pp. ISBN ; ISBN rd edition is also out An Embedded Software Primer, by David E. Simon, Addison-Wesley Professional, ISBN-10: X, ISBN-13: GOOGLE and IEEE Xplore are your friends in this case!

12 Embedded Systems Need and Description New Terms! Disappearing computer, Ubiquitous computing, Pervasive computing, Ambient intelligence, Post-PC era, Cyber-physical systems. Basic technologies: Embedded Systems Communication technologies ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.12 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

13 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.13 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Κίνητρα (2) Information technology (IT) is on the verge of another revolution... networked systems of embedded computers... have the potential to change radically the way people interact with their environment by linking together a range of devices and sensors that will allow information to be collected, shared, and processed in unprecedented ways.... The use throughout society could well dwarf previous milestones in the information revolution. National Research Council Report (US) Embedded Everywhere Source. Ed Lee, UC Berkeley, ARTEMIS Embedded Systems Conference, Graz, 5/2006]

14 Αντίληψη των υπολογιστικών συστημάτων ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.14 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Software, O/S and Run-Time System Application Algorithm Programming Language Operating System/Virtual Machines Instruction Set Architecture (ISA) Microarchitecture Gates/Register-Transfer Level (RTL) Circuits Devices Physics Hardware System K. Asanovic, UC Berkeley

15 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.15 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 GENERAL PURPOSE MICRO- PROCESSORS μp Το Φάσμα Υλικού Υπολογιστών GRAPHICS PROCESSING UNIT GPU ASIC (Application- Specific Integrated Circuits ) DSP (Digital Signal Processors) FPGAs (Field- Programmable Gate Arrays) And Programmable Logic Traditional Architecture, Fetch - Decode Execute (typically) Graphics Processors, Optimized for Graphics and Video Processing Full Custom Circuits optimized to perform certain tasks Processors optimized in digital signal processing (audio, video, filters, etc.) Programmable hardware; technology enables user to activate certain configurations to perform logic and arithmetic functions, control and signal transmission

16 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.16 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Οι Υπολογιστές Τότε... EDSAC, University of Cambridge, UK, 1949

17 ...και τώρα Sources: Sony, Philips, McLaren Mercedes, Apple, Airbus, Lexus, Toshiba ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.17 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

18 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.18 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Πάρα πολύ παλιά In 1900 Greek sponge drivers discovered an astonishingly intricate mechanism in Antikythera, an island near Crete. A Greek sponge diver, Elias Stadiatos, discovered the wreck of a cargo ship with statues lying on the seabed that made the greatest impression on him. He returned to the surface, removed his helmet, and gabbled that he had found a heap of dead, naked women. The ship's cargo of luxury goods also included jewellery, pottery, fine furniture, wine and bronzes dating back to the first century BC. But the most important finds proved to be a few green, corroded lumps the last remnants of an elaborate mechanical device. The device was in the shipwreck of a commercial boat dated at the first century BC located near to cape Glyfada in Potamakia position 60m under the sea and 30m from the shore of the small island of Antikythera. This device now known as the Antikythera device represents the most sophisticated machinery found to date from antiquity; as such its importance is hard to overestimate.

19 Λίγο πιο μετά Slide Rule 1630 Βασισμένο στους κανόνες λογαρίθμων του John Napier ( ) Χρήση μέχρι και 1970s Joseph-Marie Jaquard s Loom 1801 Πρώτο αποθηκευμένο πρόγραμμα σε μεταλλικές κάρτες Πρώτος υπολογιστής παραγωγής Χρήση ΚΑΙ σήμερα / (Ταυτότητες Στρατού!) ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.19 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

20 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.20 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Charles Babbage Lucasian Professor of Mathematics, Cambridge University, /20/2009 CS152-Spring 09 20

21 Charles Babbage Μηχανή Υπολογισμού Διαφορών c.1822 Τεράστια υπολογιστική μηχανή που δεν τελείωσε ποτέ. Analytic Engine 1833 Αποθήκευση αριθμών Ο υπολογιστικός «μύλος» χρησιμοποιούσε μεταλλικές κάρτες για λήψη εντολών. Τροφοδότηση με ατμό Ακριβές υπολογισμός μέχρι και 6 δεκαδικά ψηφία! ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.21 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

22 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.22 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Η συνεισφορά του Charles Babbage Difference Engine 1823 Analytic Engine 1833 The forerunner of modern digital computer! Εφαρμογές Mathematical Tables Astronomy Nautical Tables Navy Γιατί προσπαθούσε να το φτιάξει... Any continuous function can be approximated by a polynomial --- Weierstrass ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ: mechanical - gears, Jacquard s looms, simple calculators

23 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.23 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Difference Engine A machine to compute mathematical tables Η θεωρία του Weierstraß : Any continuous function can be approximated by a polynomial Any polynomial can be computed from difference tables An example f(n) = n 2 + n + 41 d1(n) = f(n) - f(n-1) = 2n d2(n) = d1(n) - d1(n-1) = 2 f(n) = f(n-1) + d1(n) = f(n-1) + (d1(n-1) + 2) all you need is an adder! n d2(n) d1(n) f(n)

24 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.24 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Difference Engine - Ιστορικά 1823 O Babbage δημοσιεύει την ιδέα του 1834 Ο Σουηδός Scheutz και ο γιός του το διαβάζουν 1842 Ο Babbage απσύτεται από την δημιουργία του Difference Engine και εστιάζει την προσοχή του στο Analytic Engine! 1855 Ο Scheutz δείχνει την μηχανή στο Paris World Fare Μπορεί να υπολογίσει μέχρι και 6th degree polynomial Speed: 33 to digit numbers per minute! Η μηχανή τώρα βρίσκεται στο Smithsonian

25 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.25 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Analytic Engine - Ιστορικά 1833: Ο Babbage δημοσιεύει την ιδέα του Την σκέφτηκε ενώ δούλευε στο Difference Engine Έμπνευση από τα Jacquard s Looms looms were controlled by punched cards The set of cards with fixed punched holes dictated the pattern of weave program The same set of cards could be used with different colored threads numbers 1871: O Babbage πεθαίνει... Το μηχάνημα δεν υλοποιήται ποτέ... Μέχρι και σήμερα δεν είναι ξεκάθαρο αν η μηχανή μπορεί να δημιουργηθεί με μηχανική τεχνολογία!

26 Analytic Engine Η πρώτη αντίληψη ενός υπολογιστή γενικής χρήσης! 1. Περιεχει το store (in which all variables to be operated upon, as well as all those quantities which have arisen from the results of the operations are placed). 2. Και το mill (into which the quantities about to be operated upon are always brought). Το πρόγραμμα Operation variable1 variable2 variable3 An operation in the mill required feeding two punched cards and producing a new punched card for the store. An operation to alter the sequence was also provided! Όπως ένα σημερινό ALU με control!!! ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.26 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

27 Ο Πρώτος Προγραμματιστής Ada Byron aka Lady Lovelace Η κόρη του γνωστού Λόρδου Βύρωνα Ada s tutor was Babbage himself! Όπως δημιουργήθηκε πρώτα ο άντρας και μετά η γυναίκα για να τον διατάζει, έτσι και ο πρώτος προγραμματιστής ήταν γυναίκα! ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.27 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

28 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.28 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Η επιρροή του Babbage Οι ιδέες του Babbage επηρεάσαν σε ΜΕΓΑΛΟ βαθμό τους Luigi Menabrea, who published notes of Babbage s lectures in Italy Lady Lovelace, who translated Menabrea s notes in English and thoroughly expanded them.... Analytic Engine weaves algebraic patterns... Στις αρχές του 20ού αιώνα η έμφαση στράφηκε στα αναλογικά μηχανήματα, αλλά... Harvard Mark I built in 1944 is very close in spirit to the Analytic Engine.

29 Computing Generations FIRST GENERATION (1950s) vacuum tube technology SECOND GENERATION (early 1960s) solid-state technology, magnetic core memories THIRD GENERATION ( ) integrated circuitry (SSI), dynamic memories LATER GENERATIONS (1970s ) VLSI, microprocessors, ultra large-scale integration ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.29 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

30 Vacuum Tubes Οι Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές πρώτης γενιάς χρησιμοποιούσαν Vacuum Tubes (λυχνίες κενού αέρος) Vacuum tubes είναι γυάλινοι σωλήνες με κυκλώματα μέσα Τα κυκλώματα προστατεύονται μέσω του κενού αέρος που υπάρχει. Ανάλογα με την ποσότητα του κενού (δηλ. μέγεθος λαμπτήρων), ελέγχεται η ταχύτητα των ηλεκτρονίων και έτσι επιτυγχάνεται η αυτοματοποίηση. ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.30 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

31 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.31 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Alan M. Turing ( ) led the WWII research group that broke the code for the Enigma machine proposed a simple abstract universal machine model for defining computability devised the Turing hypothesis for AI

32 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.32 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Ο πρώτος αναλογικός Υπολογιστής του Κόσμου: Colossus o Το Colossus δημιουργήθηκε στο Bletchley Park κατά τον WWII. o o Το Bletchley Park εστία αποκωδικοποίησης Γερμανικών κωδικών τύπου Enigma Το Colossus δημιουργήθηκε για αποκρυπτογράφηση των Enigma codes. o Το Bletchley Park είναι σήμερα μουσείο, το οποίο εστιάζει μουσείο ιστορίας υπολογιστών καθώς επίσης και λειτουργικό αντίγραφο του Colossus. Top the Colossus computer, Bottom left Bletchley Park and Bottom right an Enigma machine.

33 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.33 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Turing and Colossus constructed an electronic computing machine (1943) used to decrypt German coded messages

34 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.34 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Harvard Mark I Δημιουργήθηκε το 1944 στα IBM Endicott laboratories Howard Aiken Professor of Physics at Harvard Essentially mechanical but had some electro-magnetically controlled relays and gears Weighed 5 tons and had 750,000 components A synchronizing clock that beat every seconds (66Hz) Performance: 0.3 seconds for addition 6 seconds for multiplication 1 minute for a sine calculation Broke down once a week!

35 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.35 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Linear Equation Solver John Atanasoff, Iowa State University 1930 s: Ο Atanasoff έφτιαξε το Linear Equation Solver. Αποτελούνταν από 300 tubes! Special-purpose binary digital calculator Dynamic RAM (stored values on refreshed capacitors)! Εφαρμογή: Linear and Integral differential equations Εμπνεύστηκε από: Vannevar Bush s Differential Analyzer --- an analog computer Τεχνολογία: Tubes and Electromechanical relays Atanasoff decided that the correct mode of computation was using electronic binary digits.

36 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.36 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Οι υπολογιστές στο Manchester μετά τον WWII Mark 1 o Το Πανεπιστήμιο του Manchester πρόσφερε σημαντικά στην ανάπτυξη των πρώτων υπολογιστών. Ανέπτυξαν το πρώτο πρόγραμμα (αποθηκευμένο), υπολογιστή κινιτής υποδιαστολής, τον πρώτο υπολογιστή με βάση το transistor, και τον πρώτο υπολογιστή με εικονική μνήμη. Right Images of Mark 1 the computer built at Manchester University after WWII Above Kilburn and Williams at the Manchester Mark 1 Console

37 Το πρώτο πρόγραμμα Υπολογιστών ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.37 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

38 Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) Έμπνευση από τους Atanasoff and Berry, οι Eckert and Mauchly σχδίασαν και δημιούργησαν το ENIAC ( ) στο University of Pennsylvania Η πρώτη, ΕΞΟΛΟΚΛΗΡΟΥ ελεκτρονική λειτουργική γενικής χρήσεως υπολογιστική μηχανή!the first, completely electronic, operational, generalpurpose analytical calculator! Performance Read in 120 cards per minute Addition took 200 µs, Division 6 ms 1000 times faster than Mark I ΚΑΘΟΛΟΥ ΑΞΙΟΠΙΣΤΟ! WW-2 ΕΠΙΡΡΟΗ Εφαρμογή: Ballistic calculations angle = f (location, tail wind, cross wind, air density, temperature, weight of shell, propellant charge,... ) ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.38 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

39 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.39 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Electronic Discrete Variable Automatic Computer (EDVAC) Το σύστημα προγραμματισμού του ENIAC ήταν εξωτερικό Sequences of instructions were executed independently of the results of the calculation Human intervention required to take instructions out of order Οι Eckert, Mauchly, ο John von Neumann και άλλοι, σχεδίασαν το EDVAC (1944) για να επιλύσουν το πρόβλημα! Η λύση ήταν το stored program computer program can be manipulated as data Μια πρώτη, πρόχειρη αναφορά για το EDVAC δημοσιεύτηκε το 1945, αλλά είχε μόνο την υπογραφή του von Neumann! Το 1973 ένα δικαστήριο στην Minneapolis απέδωσε την τιμή της εφεύρεσης του computer στον John Atanasoff

40 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.40 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) U.S. Army University of Pennsylvania o Ο ENIAC είχε γύρω στα 18,000 vacuum tubes, 70,000 resistors, 10,000 capacitors, και 6,000 switches. o Είχε 33 μέτρα μήκος, 3 μέτρα ύψος, και 1 μέτρο βάθος. Κατανάλωνε 140 kilowatts power.

41 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.41 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Grace Hopper Ήταν η προγραμματίστρια του ENIAC Αποδέχτης του Computer Science s first Man of the Year Award

42 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.42 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Το πρώτο Computer Bug Οι διακόπτες ροής είτανε μέρος του ENIAC Η Grace Hopper βρήκε μια πεταλούδα σφηνωμένη στους διακόπτες! Η πεταλούδα είναι έντομο, στα αγγλικά bug Το ονόμασε «debugging a computer» Ακόμη και ο πρώτος που βρήκε λάθη στην υπολογιστική μηχανή ΗΤΑΝ ΓΥΝΑΙΚΑ

43 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.43 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Tο Transistor Οι John Bardeen, Walter Brattain και William Shockley ανακαλύψανε το transistor effect και αναπτύξανε την πρώτη συσκευή τον Δεκέμβριο του 1947, όταν ήταν μέλη του τεχνικού προσωπικού των Bell Laboratories στο Murray Hill, NJ. Πήρανε το πρώτο βραβείο Nobel φυσικής το Σκοπός του ήταν η αντικατάσταση των μεγάλων και αναποτελεσματικών vacuum tubes και μηχανικών διακοπτών, αργότερα όμως έφερε την επανάσταση στον χώρο των ηλεκτρονικών!

44 Το πρώτο Transistor Χρήση Πυριτίου (Silicon) Αναπτύχθηκε το 1948 Έφερε ένα Nobel prize Αυτόματος διακόπτης! Η δεύτερη γενιά υπολογιστών στηριζόταν στα Transistors, ξεκινώντας από το 1956 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.44 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

45 A Brief History of Modern Computing The Early Years

46 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.46 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 History of Computing Devices Source: MIT Digital Logic Course Xilinx Education webpage

47 Computers in mid 50 s Ακριβό Υλικό! Hardware was expensive Η μνήμη μικρή! Stores were small (1000 words) No resident system software! Memory access time was 10 to 50 times slower than the processor cycle Instruction execution time was totally dominated by the memory reference time. The ability to design complex control circuits to execute an instruction was the central design concern as opposed to the speed of decoding or an ALU operation Programmer s view of the machine was inseparable from the actual hardware implementation ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.47 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

48 1948: influential theory ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.48 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 The Mathematical Theory of Communication: Claude Shannon's "The Mathematical Theory of Communication" showed engineers how to code data so they could check for accuracy after transmission between computers. Shannon identified the bit as the fundamental unit of data and, coincidentally, the basic unit of computation. Norbert Wiener published "Cybernetics," a major influence on later research into artificial intelligence. He drew on his World War II experiments with anti-aircraft systems that anticipated the course of enemy planes by interpreting radar images.

49 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.49 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Maurice Wilkes ( ) his Cambridge group constructed EDSAC in 1949 the first stored program, general-purpose electronic digital computer first to use symbolic programs (assembly)

50 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.50 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, Maurice Wilkes assembled the EDSAC, the first practical stored-program computer, at Cambridge University. His ideas grew out of the Moore School lectures he had attended three years earlier. For programming the EDSAC, Wilkes established a library of short programs called subroutines stored on punched paper tapes. TECHNOLOGY: vacuum tubes MEMORY: 1K words, 17 bits, mercury delay line SPEED: 714 operations per second

51 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.51 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, Engineering Research Associates of Minneapolis built the ERA 1101, the first commercially produced computer; the company's first customer was the U.S. Navy. It held 1 million bits on its magnetic drum, the earliest magnetic storage devices. Drums registered information as magnetic pulses in tracks around a metal cylinder. Read/write heads both recorded and recovered the data. Drums eventually stored as many as 4,000 words and retrieved any one of them in as little as five-thousandths of a second.

52 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.52 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, The UNIVAC I delivered to the U.S. Census Bureau was the first commercial computer to attract widespread public attention. Although manufactured by Remington Rand, the machine often was mistakenly referred to as the "IBM UNIVAC." Remington Rand eventually sold 46 machines at more than $1 million each. SPEED: 1,905 operations per second INPUT/OUTPUT: magnetic tape, unityper, printer MEMORY SIZE: 1, digit words in delay lines MEMORY TYPE: delay lines, magnetic tape TECHNOLOGY: serial vacuum tubes, delay lines, magnetic tape FLOOR SPACE: 943 cubic feet COST: F.O.B. factory $750,000 plus

53 UNIVAC-1 first commercial generalpurpose computer system successor to Mauchly- Eckert BINAC delivered in 1951 used to forecast the 1952 presidential election ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.53 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

54 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.54 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 To ΙΒΜ Τhe world s first mass-produced computer

55 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.55 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 The IBM 650 (1953-4) Magnetic Drum (1,000 or 2, digit decimal words) Active instruction (including next program counter) 20-digit accumulator Digit-serial ALU [From 650 Manual, IBM]

56 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.56 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, IBM shipped its first electronic computer, the 701.

57 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.57 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, Texas Instruments announces the start of commercial production on silicon transistors. [110] Herbert Simon and Allen Newell unveiled Logic Theorist software that supplied rules of reasoning and proved symbolic logic theorems. The Logic Theorist, as the program became known, was the major exhibit at a conference organised in 1956 at Dartmouth College, New Hampshire, by John McCarthy, who subsequently became one of the most influential figures in AI. Newell, Simon and Shaw went on to construct the General Problem Solver, or GPS. The first version of GPS ran in 1957 and work continued on the project for about a decade. GPS could solve an impressive variety of puzzles, for example the "missionaries and cannibals" problem.

58 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.58 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, William Shockley founds Shockley Semiconductor in Palo Alto, California However, the venture did not go well, partly because of Shockley's managerial style, and partly because he diverted resources away from transistor technology and into the creation of a 4-layer switching diode, a device which he had conceived whilst still at Bell.

59 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.59 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, A U.S. District Court makes a final judgement on the complaint against IBM filed in January 1952 regarding monopolistic practices. A "consent decree" is signed by IBM, placing limitations on how IBM conducts business with respect to "electronic data processing machines". IBM develops the first hard disk, the RAMAC 305, with 50 two-foot diameter platters. Total capacity is 5 MB. (350 Disk Storage Unit) The first transistorized computer is completed, the TX-O (Transistorized Experimental computer), at the Massachusetts Institute of Technology. The Nobel Prize in physics is awarded to John Bardeen, Walter Brattain, and William Shockley for their work on the transistor.

60 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.60 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, A new language, FORTRAN (short for formula translator), enabled a computer to perform a repetitive task from a single set of instructions by using loops. The first commercial FORTRAN program ran at Westinghouse, producing a missing comma diagnostic. A successful attempt followed.

61 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.61 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, A group of eight engineers leaves Shockley Semiconductor to form Fairchild Semiconductors. Kenneth Olsen founds Digital Equipment Corporation.

62 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.62 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, SAGE -- Semi-Automatic Ground Environment -- linked hundreds of radar stations in the United States and Canada in the first large-scale computer communications network.

63 1958 At Texas Instruments, Jack St. Clair Kilby comes up with the idea of creating a monolithic device (integrated circuit) on a single piece of silicon. Later (in 2000) Kilby receives Nobel price in physics Jack Kilby completes building the first integrated circuit, containing five components on a piece of germanium half an inch long and thinner than a toothpick. ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.63 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

64 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.64 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, Fairchild Semiconductor files a patent application for the planar process for manufacturing transistors. The process makes commercial production of transistors possible and leads to Fairchild's introduction, in two years, of the first integrated circuit. Texas Instruments announces the discovery of the integrated circuit. At Fairchild Semiconductor, Robert Noyce constructs an integrated circuit with components connected by aluminium lines on a silicon-oxide surface layer on a plane of silicon. Fairchild Semiconductor announces their independent discovery of the integrated circuit.

65 Ολοκληρωμένα Κυκλώματα (Integrated Circuits) Η Τρίτη γενιά υπολογιστών χρησιμοποιούσε Integrated Circuits (chips). Τα Integrated Circuits περιλαμβάνουν transistors, resistors, και capacitors ολοκληρωμένα μαζί σε ένα single chip ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.65 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

66 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.66 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, IBM develops the first automatic massproduction facility for transistors, in New York. AT&T designed its Dataphone, the first commercial modem, specifically for converting digital computer data to analog signals for transmission across its long distance network

67 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.67 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, A team drawn from several computer manufacturers and the Pentagon developed COBOL, Common Business Oriented Language. Project leader: Grace Hopper (remember her???). LISP made its debut as the first computer language designed for writing artificial intelligence programs. Inventor: John McCarthy.

68 1960 DEC PDP-1: MIT TX project aftermath The PDP-1 sold for $120,000. MIT wrote the first video game, Space War! for it. A total of 50 were built. Each had a cathode ray tube graphic display. No real commercial success ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.68 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

69 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.69 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, Fairchild Semiconductor releases the first commercial integrated circuit. According to Datamation magazine, IBM had an 81.2-percent share of the computer market in 1961, the year in which it introduced the 1400 Series. The 1401 mainframe, the first in the 1400 series, used transistors instead of vacuum tubes, and had a magnetic core memory. More than 12,000 of the 1401 computers were sold.

70 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.70 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, IBM announced System/360, a family of six mutually compatible computers and 40 peripherals that could work together.

71 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.71 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, Gordon Moore suggests that integrated circuits would double in complexity every year. This later becomes known as Moore's Law. Gordon E. Moore B.S. in Chemistry 1954 Ph.D. from Cal Tech Shockley Semiconductor 1957 Co-Founder of Fairchild Semiconductors 1965 Moore s Law 1968 Moore, Noyce and Grove left Fairchild Semiconductors and founded Intel Corp Intel s president President

72 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.72 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, CDC's 6600 supercomputer, designed by Seymour Cray, performed up to 3 million instructions per second -- a processing speed three times faster than that of its closest competitor, the IBM Stretch. John Kemeny and Thomas Kurtz develop the BASIC programming language at Dartmouth College. BASIC is an acronym for Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code. Τexas Instruments receives a patent on the integrated circuit.

73 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.73 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, Digital Equipment Corp (abbreviated DEC) introduced the PDP-8, the first commercially successful minicomputer. The PDP-8 sold for $18,000, one-fifth the price of a small IBM 360 mainframe. The speed, small size, and reasonable cost enabled the PDP-8 to go into thousands of manufacturing plants, small businesses, and scientific laboratories.

74 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.74 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, Robert Noyce and Gordon Moore leave Fairchild Semiconductors. Robert Noyce and Gordon Moore found Intel Corporation. Ed Roberts and Forest Mims found Micro Instrumentation Telemetry Systems (MITS). IBM scientist John Cocke and others complete a prototype scientific computer called the ACS. It incorporates some RISC concepts, but the project is later cancelled due to the instruction set not being compatible with that of IBM's System/360 computers.

75 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.75 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, Douglas C. Engelbart, of the Stanford Research Institute, demonstrates his system of keyboard, keypad, mouse, and windows at the Joint Computer Conference in San Francisco's Civic Center. He demonstrates use of a word processor, a hypertext system, and remote collaborative work with colleagues.

76 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.76 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, AT&T Bell Laboratories programmers Kenneth Thompson and Dennis Ritchie developed the UNIX operating system on a spare DEC minicomputer.

77 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.77 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, Advanced Micro Devices Incorporated is founded. Intel's Marcian (Ted) Hoff designs an integrated circuit chip that could receive instructions, and perform simple functions on data. The design becomes the 4004 microprocessor. Intel announces a 1 KB RAM chip, which has a significantly larger capacity than any previously produced memory chip. Bill Gates and Paul Allen, calling themselves the "Lakeside Programming Group" sign an agreement with Computer Center Corporation to report bugs in PDP-10 software, in exchange for computer time. Gary Starkweather, at Xerox's research facility in Webster, New York, demonstrates using a laser beam with the xerography process to create a laser printer.

78 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.78 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, Xerox opens the Palo Alto Research Center (PARC). Intel creates the 1103 chip, the first generally available DRAM memory chip. Wayne Pickette takes his computer-on-a-chip design to Intel, and is hired, began working for Dr. Ted Hoff. At Intel, Wayne Pickette proposes to Ted Hoff the idea of building a computer-on-a-chip for the Busicom project. Gilbert Hyatt files a patent application entitled "Single Chip Integrated Circuit Computer Architecture", the first basic patent on the microprocessor. Work begins at Intel on the layout of the circuit for what would be the 4004 microprocessor. Federico Faggin directs the work. Intel creates the first 4004 microprocessor.

79 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.79 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 First microprocessor: Intel The first microprocessor CPU 1971 The first commercial 4-bit microprocessor 4004: -2,300 transistors -10 µm features -10 mm 2 die -108 khz khz

80 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.80 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Ο Intel 4004 Με την εισαγωγή του το 1971, το Intel 4004 "Computer-on-a- Chip" είχε 2300 transistors και εκτελούσε μέχρι και 60,000 πράξεις ανά δευτερόλεπτο. Ήταν το πρώτο single-chip microprocessor περίπου την ίδια απόδοση με το 18,000 vacuum tube ENIAC. Το 4-bit Intel C4004 σε συχνότητα 108 KiloHertz.

81 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.81 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Ο Intel 4004 Ο Fernando Faggin σχεδίασε τον επεξεργαστή Intel Τα αρχικά του τυπωθήκανε στο μικροτσίπ.

82 Intel Corporation - Ιστορία 1950's: Ο Shockley φεύγει από την Bell Labs και δημιουργεί τα Shockley Labs στην California. Μαζί του παίρνει μια ομάδα από τους κορυφαίους επιστήμονες, όπως οι Robert Noyce και Gordon Moore. 1969: Η Intel ξεκίνησε σαν μικρή εταιρία στην Santa Clara, με επικεφαλής τους Noyce και Moore. 1970: Η Busicom παρήγγειλε από την Intel μια σειρά από chips για υπολογιστικές μηχανές. Η Intel δεν είχε εμπειρία από σχεδίαση για ειδικές εφαρμογές, έτσι ανέπτυξε μια αρχιτεκτονική γενικής φύσεως (generalpurpose ). 1971: Η Intel αντιμετωπίζει σημαντικά προβλήματα με την τοποθέτηση αλγόριθμων στα chip και καθυστερεί στην παράδοση των συμφωνημένων. O Fernando Faggin έρχεται στην Intel επιλύοντας τα προβλήματα μέσα σε λίγες βδομάδες. Το αποτέλεσμα είναι η Intel 4000 family (μετονομαζόμενη σε MCS-4, Microcomputer System 4-bit), αποτελούμενη από το 4001 (2k ROM), το 4002 (320-bit RAM), το 4003 (10-bit I/O shift-register) και το 4004, ένα 4-bit CPU. ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.82 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

83 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.83 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 The Busicom Calculator Το Busicom calculator χρησιμοποιούσε πέντε Intel 4001 s, δύο 4002 s, τρία 4003 s και το 4004 CPU The original engineering prototype of the Busicom desk-top printing calculator, the world s first commercial product to use a microprocessor.

84 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.84 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Intel : Ο Faggin ξεκίνησε δουλειά πάνω σε ένα 8-bit processor, το Intel Το πρωτότυπο είχε μεγάλα προβλήματα με διαρροές ηλεκτρικού φορτίου από τις συσκευές μνήμης. Πλέον η φυσική έπρεπε να συνδυαστεί με την σχεδίαση για επίλυση των προβλημάτων. Το 8008 ανασχεδιάζεται πλήρως και κυκλοφορεί. Αμέσως ξεσπά μεγάλο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη μικροεπεξεργαστών. Το Intel's 8008 επικροτείται, αλλά αυξάνονται η απαιτήσεις στην ταχύτητα, επικοινωνία με το περιβάλλον, και πιο πολλές εντολές και εισόδους δεδομένων. Η βελτιωμένη έκδοση από τον Faggin, είναι Ο Faggin φεύγει από την Intel ξεκινώντας την Zilog, μετέπειτα παράγοντας το Z80.

85 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.85 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Fernando Faggin : Zilog Η Zilog παρήγαγε το 3.5MHz Zilog Z80 (δημοφιλές εκπαιδευτικός επεξεργαστής) και μετέπειτα, το 16-bit Z8000. Ακόμη ένα τρομερό design, αλλά η Zilog ήταν μικρή εταιρία, με λίγους υπαλλήλους και δεν μπορούσε να προσφέρει την υποστήριξη που πρόσφερε η Intel με δεκάδες χιλιάδες υπαλλήλους.

86 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.86 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 The Zilog Z80 The Z80 microprocessor is an 8 bit CPU with a 16 bit address bus capable of direct access of 64k of memory space. It was based on the 8080; it has a large instruction set. Programming features include an accumulator and six eight bit registers that can be paired as 3-16 bit registers. In addition to the general registers, a stack-pointer, program-counter, and two index (memory pointers) registers are provided. It had a 40 pin DIP package manufactured in A, B, and C models, differing only in maximum clock speed. It was also manufactured as a stand-alone microcontroller with various configurations of on-chip RAM and EPROM. It proves useful for low cost control applications.

87 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.87 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Τα πρώτα Microcontrollers 1974: Η Motorola (αρχικά κατασκευαστές ραδιόφωνων) εισήγαγε τα τρανζίστορς στα 1950s και αποφάσισε να μπει αργά αλλά δυναμικά στην αγορά. Ανακοίνωσαν το δικό τους 8-bit 6800 processor. Παρόλα τα προβλήματα με την παραγωγή, το 6800 ήταν καλοσχεδιασμένο. 1975: Η General Motors πλησιάζει την Motorola για ένα παράγωγο του Η πείρα της Motorola με κατασκευαστές αυτοκινήτων σπρώχνει και την Ford να ακολουθήσει. 1976: Η Intel εισάγει το δικό της 8-bit microcontroller, το MCS-48. Παράγουν 251, : Η Intel εισάγει το 8051, ένα 8-bit microcontroller με on-board EPROM memory. Παράγουν 22 εκατομμύρια και 91 εκατομμύρια το 1983.

88 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.88 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Τα πρώτα Computer Games 1972: Η βιομηχανία βιντεοπαιχνιδιών είναι πλέον γεγονός, αφού ο Nolan Bushnell ξεκινά την Syzygy, μετονομαζόμενη σε ATARI. Bushnell μελέτησε τα πρώτα 8-bit microprocessors και τα χρησιμοποιεί για παραγωγή παιχνιδιών. Η πρώτη του προσπάθεια, Computer Space, είναι πολύπλοκη (ειρωνεία!) και αποτυγχάνει. Στην επόμενη προσπάθεια του όμως αποφασίζει να δημιουργήσει ένα παιχνίδι τόσο απλό, τόσο ουσιαστικό, ώστε ακόμη και ένας μεθυσμένος πίθηκος να μπορεί να παίξει! («build a game so mindless and self-evident that a monkey or its equivalent (a drunk in a bar) could instantly understand it»). Παραδόξως, το PONG, το ηλεκτρονικό αντίστοιχο του Ping-Pong, έφερε μεγάλη επιτυχία. Computer Space the first arcade video game

89 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.89 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Τα πρώτα Computers 1975: Το Popular Electronics περιγράφει ένα «ready-to-build computer kit» στα $800, βασισμένο στο Intel Σε αυτή την εποχή, τα πιο μικρά συστήματα $30,000. Ο Steve Wozniak κτίζει ένα computer στο garage του με ένα 8-bit processor $20 από την MOS Tech. Inc. (την αγόρασε η Commodore το 1977). Αυτό ήταν το πρωτότυπο για το Apple : Η Intel ανακοινώνει το «16 bit», ένα 16-bit bus 8086, βασισμένο στο 8080; έχει 10 φορές καλύτερη απόδοση.

90 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.90 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Το Intel ,000 Transistors Clock Speeds: 5, 8 and 10 MHz Introduced: June 8,1978 Approx. 10 times the performance of the 8080

91 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.91 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Τα πρώτα Computers 1979: Η Motorola επίσης ανακοινώνει ένα 16-bit Ο καλύτερος επεξεργαστής στην αγορά. Θα χρησιμοποιούταν από την Apple Macintosh μετέπειτα το Η Intel βλέποντας τον συναγωνισμό (Motorola and Zilog) εφάρμοσε το 'Operation CRUSH' μια μεγάλη καμπάνια παροχής υποστήριξης, παραγωγής και διαφήμισης των προϊόντων της. Το CRUSH πέτυχε δραστικά, και το 8086 γίνεται το de facto standard. Η επιτυχία της Intel την βοηθά στην εισαγωγή καινοτομιών,όπως το bus width reduced 8088, ένα 16-bit ( με 8-bit bus) microprocessor. The early Apple Macintosh

92 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.92 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Το IBM PC The World s First Personal Computer

93 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.94 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Η εξέλιξη των Ηλεκτρονικών Κυκλωμάτων Integrated Circuit Microchip (VLSI) Transistor Vacuum Tube

94 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.95 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 ENIAC-on-a-Chip Moore School of Electrical Engineering, University of Pennsylvania Size: 7.44mm x 5.29mm; 174,569 transistors; 0.5 um CMOS technology (triple metal layer).

95 Σχεδιασμός Microchip ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.96 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

96 Ροή Σχεδιασμού ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.97 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

97 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.98 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Επίπεδα Σχεδιασμού SYSTEM + MODULE GATE CIRCUIT V in V out S n+ G DEVICE D n+

98 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.99 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Το ΙΒΜ Blue Gene/L The World s Fastest Supercomputer

99 Racks ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.100 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

100 Node Card ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.101 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

101 Compute Card ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.102 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

102 Blue Gene / L Δημιουργία από ένα chip με δυο πυρήνες System-on-a-chip (SoC) 1 ASIC 2 PowerPC processors L1 and L2 Caches 4MB embedded DRAM DDR DRAM interface and DMA controller Network connectivity hardware Control / monitoring equip. (JTAG) ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.103 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

103 Περιορισμοί της Τεχνολογίας Yearly improvement Semiconductor technology 60% more devices per chip (doubles every 18 months) 15% faster devices (doubles every 5 years) Slower wires Magnetic Disks 60% increase in density Circuit boards 5% increase in wire density Cables no change ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.104 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, x more devices since x faster devices

104 Το Τρανζίστορ ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.105 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

105 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.106 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, D Οπτική Γωνιά Polysilicon Aluminum

106 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.107 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 p-n Junctions A junction between p-type and n-type semiconductor forms a diode. Current flows only in one direction p-type n-type anode cathode

107 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.108 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 nmos Transistor Four terminals: gate, source, drain, body Gate oxide body stack looks like a capacitor Gate and body are conductors SiO 2 (oxide) is a very good insulator Called metal oxide semiconductor (MOS) capacitor Source Gate Drain Even though gate is no longer made of metal n+ n+ Polysilicon SiO 2 p bulk Si

108 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.109 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 nmos Operation Body is commonly tied to ground (0 V) When the gate is at a low voltage: P-type body is at low voltage Source-body and drain-body diodes are OFF No current flows, transistor is OFF Source Gate Drain Polysilicon SiO 2 n+ p n+ bulk Si S 0 D

109 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.110 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 nmos Operation When the gate is at a high voltage: Positive charge on gate of MOS capacitor Negative charge attracted to body Inverts a channel under gate to n-type Now current can flow through n-type silicon from source through channel to drain, transistor is ON Source Gate Drain Polysilicon SiO 2 n+ p n+ bulk Si S 1 D

110 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.111 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 pmos Transistor Similar, but doping and voltages reversed Body tied to high voltage (V DD ) Gate low: transistor ON Gate high: transistor OFF Bubble indicates inverted behavior Polysilicon Source Gate Drain SiO 2 p+ p+ n bulk Si

111 GND = 0 V Power Supply Voltage In 1980 s, V DD = 5V V DD has decreased in modern processes High V DD would damage modern tiny transistors Lower V DD saves power V DD = 3.3, 2.5, 1.8, 1.5, 1.2, 1.0, ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.112 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

112 Το Τρανζίστορ σαν Διακόπτης (switch) ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.113 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

113 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.114 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Το Τρανζίστορ σαν Διακόπτης (switch) We can view MOS transistors as electrically controlled switches Voltage at gate controls path from source g = 0 g = 1 to drain nmos g d s d s OFF d s ON pmos g d s d s ON d s OFF

114 CMOS Inverter A 0 1 Y A V DD Y A Y GND ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.115 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

115 CMOS Inverter A Y A Y V DD OFF A=1 Y=0 ON GND ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.116 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

116 CMOS Inverter A Y A Y V DD ON A=0 Y=1 OFF GND ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.117 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

117 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.118 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 CMOS Inverter N Well V DD V DD PMOS 2λ PMOS Contacts In Out In Out Metal 1 NMOS Polysilicon NMOS GND

118 CMOS Process ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.119 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

119 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.120 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 A Modern CMOS Process Dual-Well Trench-Isolated CMOS Process

120 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.121 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Circuit Under Design V DD V DD M2 M4 V in V out V out2 M1 M3

121 Its Layout View ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.122 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

122 Καλωδίωση ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.123 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

123 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.124 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, D Εμφάνιση Polysilicon Aluminum

124 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.125 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Bonding Techniques Wire Bonding Substrate Die Pad Lead Frame

125 Package Types ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.126 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

126 Multi-Chip Modules ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.127 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

127 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.128 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Πώς αλλάζουν τα δεδομένα System on a board System on a Chip

128 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.129 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Technology Scaling GATE SOURCE Xj GATE DRAIN SOURCE DRAIN D Tox BODY BODY Leff Dimensions scale down by 30% Oxide thickness scales down Vdd & Vt scaling Doubles transistor density Faster transistor, higher performance Lower active power Technology has scaled well, will it in the future?

129 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.130 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Transistor Integration Capacity 1000 Transistors (Million) Technology (µ) 1 Billion On track for 1B transistor integration capacity

130 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.131 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Οδεύοντας προς το τέλος του πυρίτιου... Variable devices Strange (MOS) devices Failing devices Really Weird devices

131 Εξακολουθεί το τρανζίστορ να είναι καλός διακόπτης άραγε; ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.132 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 On I = 0 I 0 I = I = 1ma/u I = 0 I 0 Off I = 0 I 0 Sub-threshold Leakage

132 Design at the end of the silicon roadmap ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.133 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Threats to the short- and long-term reliability of integrated systems Reduced supply voltages, device variations, soft errors, mixed/nano integration Errors can and will happen so need reliable computation in the presence of unreliable circuit fabrics Complexity makes the verification and test tasks even harder Requires fundamental breakthroughs in both software and hardware verification, and their interaction Verification and test are converging and turning into online activities due to dynamic errors.

133 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.134 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Challenges Gate Power Wire Delay Variability Reliability What Else?

134 Hot Chips ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.135 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

135 Θερμοκρασία - Επιπτώσεις ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.136 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

136 Power Density 1000 Power doubles every 4 years 5-year projection: 200W total, 125 W/cm 2! Nuclear Reactor Rocket Nozzle Watts/cm Hot plate Pentium 4 Pentium III Pentium II Pentium Pro i386 Pentium P=VI: 1.5V = 50 A! i µ 1µ 0.7µ 0.5µ 0.35µ 0.25µ 0.18µ 0.13µ 0.1µ 0.07µ * New Microarchitecture Challenges in the Coming Generations of CMOS Process Technologies Fred Pollack, Intel Corp. Micro32 conference key note Courtesy Avi Mendelson, Intel. ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.137 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

137 Chip-Level Cooling Το κρύωμα προαπαιτεί κόστος, μέγεθος, θόρυβο και περισσότερη κατανάλωση ενέργειας Τα τρανζίστορς μικραίνουν και σε μέγεθος, και σε κόστος. ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.138 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

138 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.139 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Απομακρύνοντας την Ζέστη Liquid cooling system in Apple G5s Heat sinks in 6XX series Pentium 4s

139 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.140 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Performance-Power Efficiency Source: Kerry Bernstein, IBM

140 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.141 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Sub-threshold Leakage nm Ioff (na/u) u Assume: 0.25µm, I off = 1na/µ 5X increase each generation at 30ºC Temp (C) Sub-threshold leakage increases exponentially

141 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.142 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Leakage Power Leakage Power (% of Total) 50% 40% 30% 20% 10% Must stop at 50% 0% Technology (µ) A. Grove, IEDM 2002 Leakage power limits Vt scaling

142 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.143 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 The Power Crisis Power (W) mm Die Leakage Active 0.25u 0.18u 0.13u 90nm 65nm 45nm Business as usual is not an option

143 Platform Requirements System Volume ( cubic inch) PC tower Mini tower µ tower Slim line Small pc Shrinking volume Quieter Yet, High Performance Thermal Budget ( o C/W) Pentium III Pentium Power (W) ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.144 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, Heat-Sink Volume (in 3 ) Air Flow Rate (CFM) Thermal budget decreasing Higher heat sink volume Higher air flow rate

144 Frequency & SD Leakage Normalized Frequency % 20X Normalized Leakage (Isb) 0.18 micron ~1000 samples Low Freq Low Isb High Freq Medium Isb High Freq High Isb ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.145 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015

145 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.146 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Vt Distribution # of Chips VTn(mv) 0.18 micron ~1000 samples ~30mV High Freq High Isb High Freq Medium Isb Low Freq Low Isb

146 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.147 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 Vdd & Temp Variation Heat Flux (W/cm2) Temperature (C) Heat Flux (W/cm 2 ) Results in Vcc variation Temperature Variation ( C) Hot spots

147 ΗΜΥ653 Δ01 Εισαγωγή.148 Θεοχαρίδης, ΗΜΥ, 2015 # of Paths Deterministic Impact on Full Chip Path Delay # of Paths Probabilistic Probability Frequency Delay Due to variations in: Vdd, Vt, and Temp Deterministic Probabilistic 10X variation ~50% total power Delay Target Delay Target Leakage Power Lower frequency, higher power