Passado e futuro das Passado e futuro das tecnologias da tecnologias da

informáticainformática Henri BoudinovHenri Boudinov

12/08/2013 Aula FIS0124012/08/2013 Aula FIS01240

““Prediction is very difficult, Prediction is very difficult, especially if it's about the especially if it's about the future”future”

Niels BohrNiels Bohr

Chama-se genericamente Informática ao conjunto das Ciências da Informação, estando incluídas neste grupo: a teoria da informação, o processo de cálculo, a análise numérica e os métodos teóricos da representação dos conhecimentos e de modelagem dos problemas.

Habitualmente usa-se o termo informática para referir especificamente o processo de tratamento automático da informação por meio de máquinas eletrônicas definidas como computadores.

A minha definição de A minha definição de InformáticaInformática

Processamento de informação Armazenamento de informação Transmissão de informação

TópicosTópicos

História A tecnologia de

hojee os problemas Limites físicos Possibilidades

Máquinas de cálculo automático

O estudo da informação começou na matemática quando nomes como Alan Turing, Kurt Gödel e Alonzo Church, começaram a estudar que tipos de problemas poderiam ser resolvidos, ou computados de forma automática.

A motivação por trás destas pesquisas era o avanço da automação durante a revolução industrial e da promessa que máquinas poderiam futuramente conseguir resolver os mesmos problemas de forma mais rápida e mais eficaz.

A primeira considerada máquina de calcular foi desenvolvida por Wilhelm Schickard (1592-1635). Esta fazia multiplicação e divisão, mas foi perdida durante a Guerra dos Trinta Anos.

A primeira calculadora capaz de realizar as operações básicas de soma e subtração foi inventada em 1642 pelo filósofo, físico e matemático francês Blaise Pascal (1623-1662).

Em 1671, o filósofo e matemático alemão de Leipzig, Gottfried Wilhelm Leibniz (21 de junho de 1646- 14 de novembro de 1716) introduziu o conceito de realizar multiplicações e divisões através de adições e subtrações sucessivas. Em 1694, a máquina foi construída, no entanto, sua operação apresentava muita dificuldade e cometia erros.

Em 1820, o francês natural de Paris, Charles Xavier Thomas, conhecido como Thomas de Colmar, (1785-1870) projetou e construiu uma máquina capaz de efetuar as 4 operações aritméticas básicas: a Arithmometer. Esta foi a primeira calculadora realmente comercializada com sucesso. Ela fazia multiplicações com o mesmo princípio da calculadora de Leibnitz e efetuava as divisões com a assistência do usuário.

Em 1801, na França, durante a Revolução Industrial, Joseph Marie Jacquard, mecânico francês, (1752-1834) inventou um tear mecânico controlado por grandes cartões perfurados. Sua máquina era capaz de produzir tecidos com desenhos bonitos e intrincados. Foi tamanho o sucesso que Jacquard foi quase morto quando levou o tear para Lyon, pois as pessoas tinham medo de perder o emprego. Em sete anos, já havia 11 mil teares desse tipo operando na França.

O brilhante matemático inglês Charles Babbage (26 de dezembro de 1791 - 18 de outubro de 1871) é conhecido como o "Pai do Computador". Babbage projetou o chamado "Calculador Analítico", muito próximo da concepção de um computador atual.

O projeto, totalmente mecânico, era composto de uma memória, um engenho central, engrenagens e alavancas usadas para a transferência de dados da memória para o engenho central e dispositivos para entrada e saída de dados. O calculador utilizaria cartões perfurados e seria automático.

Em parceria com Charles Babbage, Ada Augusta (1815-1852) ou Lady Lovelace, filha do poeta Lord Byron, era matemática amadora entusiasta. Ela se tornou a pioneira da lógica de programação, escrevendo séries de instruções para o calculador analítico. Ada inventou o conceito de subrotina, descobriu o valor das repetições - os laços (loops) e iniciou o desenvolvimento do desvio condicional.

Há uma grande polêmica em torno do primeiro computador. O Z-1 é considerado por muitos como o primeiro computador eletromecânico. Ele usava relés e foi construído pelo alemão Konrad Zuse (1910-1995) em 1936. Zuse tentou vendê-lo ao governo para uso militar, mas foi subestimado pelos nazistas, que não se interessaram pela máquina.

Com a II Guerra Mundial, as pesquisas aumentaram nessa área. Nos Estados Unidos, a Marinha, em conjunto com a Universidade de Harvard e a IBM, construiu em 1944 o Mark I, um gigante eletromagnético. Num certo sentido, essa máquina era a realização do projeto de Babbage.

Mark I ocupava 120 m2, tinha milhares de relés e fazia muito barulho. Uma multiplicação de números de 10 dígitos levava 3 segundos para ser efetuada.

O engenheiro John Presper Eckert (1919-1995) e o físico John Mauchly (1907-1980) projetaram o ENIAC: Eletronic Numeric Integrator And Calculator. Com 18 000 válvulas, o ENIAC conseguia fazer 500 multiplicações por segundo, porém só ficou pronto em 1946, vários meses após o final da guerra. Os custos para a manutenção e conservação do ENIAC eram proibitivos, pois dezenas a centenas de válvulas queimavam a cada hora e o calor gerado por elas necessitava ser controlado por um complexo sistema de refrigeração, além dos gastos elevadíssimos de energia elétrica.

O matemático húngaro John von Neumann (1903-1957) formalizou o projeto lógico de um computador.

Em sua proposta, von Neumann sugeriu que as instruções fossem armazenadas na memória do computador. Até então elas eram lidas de cartões perfurados e executadas, uma a uma. Armazená-las na memória, para então executá-las, tornaria o computador mais rápido, já que, no momento da execução, as instruções seriam obtidas com rapidez eletrônica.

Lee De Forest

1906: Vacuum Tube : Triode

(from H. Iwai)

J.E.LILIENFELD

J. E. LILIENFELD

DEVICES FOR CONTROLLED ELECTRIC CURRENT

Filed March 28, 1928

(from H. Iwai)

1936 - Grupo de estado sólido na Bell Labs

1940 - R. Ohi, identifica Si tipo p e tipo n

1940 - 1945, desfeito o grupo da Bell Labs

1946 - Novo grupo na Bell - W. Shockley

1947/Dez., Bardeen e Brattain descobrem

o efeito transistor bipolar

J. Bardeen, W. Brattain, W. ShockleyJ. Bardeen, W. Brattain, W. Shockley

1948 - 1950: Shockley - teoria BJT 1952: Bell Labs licencia a patente para

outras empresas: Texas, Sony, etc. 1956: prêmio Nobel de Física 1955: Shockley deixa a Bell e cria empresa

Shockley Semicond., no Silicon Valey. 1957: R. Noyce, G. Moore e outros, deixam

a Shockley Semicond., criam Fairchild. 1968: Noyce, Moore, Grove, criam Intel. Multiplicam-se as empresas no Vale do Si.

1958: J. Kilby, Texas Inst., patente de CI, usando processo rudimentar:

Processo PlanarProcesso Planar 1958 - J. Hoerni, Fairchild, processo planar:

Superfícia do Si oxidado + fotogravação, abertura de janelas para difusão, vários no mesmo plano.

1959: 1o Circuito Integrado Planar

Robert N. Noyce

(from H. Iwai)

Primeiro CI - FairchildPrimeiro CI - Fairchild

1960: Primeiro MOSFET, por D. Kahng and M. Atalla

(from H. Iwai)

1964 - Op-Amp 1964 - Op-Amp A702, A702, FairchildFairchild

1965 - Op-Amp 1965 - Op-Amp A709, A709, FairchildFairchild

1970 - SRAM 256 Bit, 1970 - SRAM 256 Bit, FairchildFairchild

1970 - 1024 Bit DRAM, 1970 - 1024 Bit DRAM, IntelIntel

1970 - CCD 8 Bit, 1970 - CCD 8 Bit, Bell LabsBell Labs

1971 - Microprocessador 1971 - Microprocessador 4004,4004, IntelIntel

2001 - 256Mbit DRAM (TOSHIBA)

(from H. Iwai)

Systems: from 1946 to Systems: from 1946 to 19971997

Original ENIAC machine at University of PennsylvaniaSpeed: 5,000 additions or 10 multiplications/sec* 17,500 vacuum tubes* 174 KW* 18,000 sq ft

Single chip version of ENIAC machinedesigned also at University of Pennsylvania by Prof. van der Spiegel and studentsin 0.5 um CMOS7.44mm x 5.29mm; 174,569 transistors

Devices: from 1947 to Devices: from 1947 to 19971997

System: from 1954 to System: from 1954 to 20052005

TRADICFirst transistorized computer Bell Labs 1954* 700 transistors* 10,000 diodes* Speed ~ 1 MHz* Power ~ 100 W

INTEL P4, 90 nm CMOS

In this technology, 1000 gates have:-Area: 30x30 m-Power @ 1 MHz: 1 W-Potential speed: ~10 GHz

Circuits: from 1961 to Circuits: from 1961 to 20052005

                         

The first planar integrated circuit, 1960. Designed and built by Lionel Kattner and Isy Haas under the direction of Jay Last at Fairchild Semiconductor.

The Intel “Montecito” microprocessor, 2005

The Computer, Then and Now

Laptop (2001)

$2000

500,000,000

additions/sec

2 kg

< 45 W

300,000,000 transistors

ENIAC (1946)

>$1,000,000

5,000 additions/sec

30,000 kg

174,000 W

17,468 Tubes

~10-3

105

~10-4

~10-4

~104

(from M. Green)

Aplicando as mesmas escalas Aplicando as mesmas escalas ao carro:ao carro:

Padrão X Analogia

Velocidade 110 km/h 105 3000 km/s

Consumo 10 km/l 10-4 100000 km/l

Custo $ 20 k 10-3 $ 20

Confiabilidade 1 ano 103 1000 anos

Peso 1 t 10-8 10 mg

Os problemas da tecnologia hoje Correntes de fuga aumentam Se chegou velocidade de saturação

dos portadores de carga Aumento dos atrasos por causa de RC Variabilidade estatística dos

parâmetros Consumo de potência

Scaling of MOSFET Scaling of MOSFET DimensionsDimensions

Source

Silicon

Gate

TOX

Drain

Lc

Wc

Xj

1960 1970 1980 1990 2000

10

1

0.1

0.01

30

100

10

2

Year

Ch

ann

el L

eng

th o

r Ju

nct

ion

Dep

th (m

)

Gat

e O

xid

e T

hic

knes

s (n

m)

(from M. Green)

Texas Instruments data - 2006

Transistor pMOS, L = 6 nm, (IBM-2004)

Ano 04 07 10 13 16 19 22 25Nó tecnológico 90 65 45 32 22 15 10 7Printed Gate 53 35 25 18 13 9 6 4

Physical Gate

37 25 18 13 9 6 4 3

ITRS2001 – dimensões em nm

Qi Xinag, ECS 2004, AMD

LithographyLithography

Original layout

OPC corrected mask

Atomistic view of 40 nm deviceAtomistic view of 40 nm device

From Asenov, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICESVOL. 50, NO. 9, SEPTEMBER 2003

Atomic Consequences of Atomic Consequences of scalingscaling

Example: Volume under the gate:

V = 25 nm * 100 nm * 25 nm = 62.5x10-18 cm3

Channel concentration:Nchan ~ 1.0x1018 /cm3

Number of dopants in volume:natoms ~ 62

Statistical variation ~ 8 atoms, i.e. 12%

L W xj

… … and consequences for real electrical and consequences for real electrical parametersparameters

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Vgs (Volts)

From: C. Bowen, G. Klimeck, M. Goodwin and D. Chapman, TI

Ids vs Vgs curve for a 40 nm NMOS device

Canal de SiGe ou Si Canal de SiGe ou Si tensionadotensionado

Modificação da estrutura de bandas E - k Maior mobilidade Maior vel. de saturação

Strained Silicon: Higher Strained Silicon: Higher MobilityMobility

Strained Silicon: Higher mobilityStrained Silicon: Higher mobility

From: M. Jurczak et al., ESSDERC 1999

An Inflection Point An Inflection Point ApproachesApproaches

Gordon Moore, ISSCC 2003

Example: The new Itanium burns ~25% of power in leakage current(ISSCC2005 data)

Example: The new Itanium burns ~25% of power in leakage current(ISSCC2005 data)

53

Dense metal Dense metal interconnect interconnect

from IBM Cross-section of 64-bit high-performance microprocessor

Dense metal Dense metal interconnectinterconnect

MX+1

MX

MX-1

0.35µm

0.35µm

0.2µm0.2µm

0.2µm

CH

CV

0.32µm

from Intel Technical Journal 2004

Typical 130 nm metal stack

No more gain with smaller wiresNo more gain with smaller wires

Source: SIA 1997

•Scaling of wires reaches an optimal point at 0.25-0.18 m•After that it gets substantially worse

Planarization: how flat is a Planarization: how flat is a wafers How flat ? (65nm and wafers How flat ? (65nm and

below)below)

•Dimension ratio : ~ 500•Wafer planarity ~ 10-50 nm Soccer Field planarity ~ 5-25 m

LIMITES

Moore’s LawMoore’s LawIn 1965 Gordon Moore (then at Fairchild Corporation) noted that:

A new generation of technology is produced every 2 years

Each new generation has: Twice the number of transistors Increased performance by 40% Four times the memory capacity

Hi Hi

Trend: N(x) =A*exp(t/Trend: N(x) =A*exp(t/) ) ~18 ~18 monthsmonths

Page

Book

1 h audio

1 h video

““Moore’s Law”Moore’s Law”

What is behind this fantastic race of development of the IC technologies? Is it the “technological” will and

motivation of the people involved? Or/and is it the economical drive the

main force? Semiconductor industry sales:

1962, > $1-billion 1978, > $10-billion 1994, > $100-billion

Will physics or economics Will physics or economics stop Moore’s law ?stop Moore’s law ?

Nikon

ArF 2004 Scanner = 192 nm

Contact maskaligner

1970‘s

LithographyLithography

Toshiba Corporation

Fab in 1960s and 70s

(from H. Iwai)

300 mm Super clean room in Tsukuba,Selete

Toshiba OitaWorks

300 mm Fab TSMC

(from H. Iwai)

Economic trends Economic trends

Product lifecycles and the products selling prices are decreasing at an increasing rate. (Based on information from DataQuest and MicroDesign Resources)

Practical limit for CMOS?

Naïve linear extrapolation

Trend of Min. Transistor Switching Energy

fJ

aJ

zJ

Node numbers(nm DRAM hp)

Fundamental LimitsFundamental Limits

Irreversible Logic Device First developed by John von Neumann over 50

years ago and discussed in depth by Rolf Landauer in 1961

Entropy caused by changing states defined by Boltzmann Principle that:

Δ S = kB ln ΩWhere S = entropy and Ω is number of states

The energy required to overcome this entropy is:ΔE = T ΔS

Δ E = T kB ln Ω Since digital logic is binary (Ω = 2) and the energy

needed to change a bit is:Δ E = kBT ln 2

Fundamental LimitsFundamental Limits

From this equation known as the von Neumann – Landauer expression limits of other properties arise

Ebit ≥ kBT ln 2 = .017 eV.

Use the uncertainty relations to determine the minimum limits of

the size, density, power and speed of a digital switching

device?

Fundamental Fundamental LimitsLimits

Δx Δp ≥ ħΔE Δt ≥ ħ

xmin = ħ / Δp = ħ / (2 me Ebit)0.5 = 1.5nmWhere xmin is the minimum size of a switch

nmax = 1 / x 2 = 4.7 x 1013 devices / cm2

Where nmax is the maximum density of switches

tmin = ħ / ΔE = .04 ps Where tmin is the minimum switching time

Speed = 1 / tmin = 1/.04 = 25 THzP = (nmax Ebit) / tmin = 3.7 x 106 W / cm2

Fundamental Fundamental LimitsLimits

The Fundamental Limit Depends on using mobile electron carriers to change states and irreversible logic.

Uncertainty Principle LimitsΔE < ΔEbit

ΔE Δt ≥ ħ Δt ≥ ħ /ΔE ≥ ħ /ΔEbit = Δtmin

0 – 1 – 0 or 1 – 0 - 1f < 1 /(2 Δtmin)

f < ΔEbit/2 ħ

ΔEbit = 500 eV, fmax = 400 PHz

ΔEbit = 1 eV, fmax = 800 THz

ΔEbit = 0.017eV, fmax = 13 THz

Limites da temperatura de funcionamento

Tempo necessário para trocar de estado:τT = τ∞ exp(ΔEbit /kT) (τ∞ ~ 10-14 10-12 s)

Memória volátil:ΔEbit = 0.8 eV => τT = 2×10−1–2×101 s ,

Memória não volátil:ΔEbit = 1.3 eV => τT = 5×107–5×109 s .

Máxima densidade de bits:4,3×1012 cm−2

Máxima “flop rate”1,7×1026 cm−2 s−1

Máxima potência dissipada5,4×106 Wcm−2

Future Logic devices

Ferroelectric FET Resonant Tunneling Single-Electron Devices Superconductor Digital Electronics Quantum Computing Carbon nanotubes Molecular Electronics

Reversible Logic

Cross bar structures

Cross bar structures

"As conventional chip electronics continue to shrink, Moore's Law is on a collision course with the laws of physics," said Stan Williams, an HP senior fellow at the Quantum Science Research division of HP Labs. "Excessive heating and defective device operation arise at the nanoscale. What we've been able to do is combine conventional CMOS technology with nanoscale switching devices in a hybrid circuit to increase effective transistor density, reduce power dissipation, and dramatically improve tolerance to defective devices."

.....but HP claims that, in a "conservative" chip model, a 15 nm crossbar and 45 nm CMOS could become a reality by 2010. A 4.5 nm crossbar shrink could be possible by 2020, according to HP's estimates.