Passado e futuro das tecnologias da informática Henri Boudinov 12/08/2013 Aula FIS01240

Prediction is very difficult, especially if it's about the future Niels Bohr

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

A minha definição de Informática u Processamento de informação u Armazenamento de informação u Transmissão de informação

Tópicos u História u A tecnologia de hoje e os problemas u Limites físicos u Possibilidades

Máquinas de cálculo automático

u 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. matemáticanomesAlan TuringKurt GödelAlonzo Church u 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.automaçãorevolução industrial

u A primeira considerada máquina de calcular foi desenvolvida por Wilhelm Schickard ( ). Esta fazia multiplicação e divisão, mas foi perdida durante a Guerra dos Trinta Anos.Wilhelm Schickard Guerra dos Trinta Anos u 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 ( ).1642Blaise Pascal

u Em 1671, o filósofo e matemático alemão de Leipzig, Gottfried Wilhelm Leibniz (21 de junho de 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.1671filósofoLeipzig Gottfried Wilhelm Leibniz21 de junho de novembro u Em 1820, o francês natural de Paris, Charles Xavier Thomas, conhecido como Thomas de Colmar, ( ) 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.1820Paris Charles Xavier Thomas Thomas de Colmar Arithmometer calculadora de Leibnitz

u Em 1801, na França, durante a Revolução Industrial, Joseph Marie Jacquard, mecânico francês, ( ) 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.1801FrançaRevolução IndustrialJoseph Marie Jacquardmecânico francês tearcartões perfuradosLyon

u O brilhante matemático inglês Charles Babbage (26 de dezembro de 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.Charles Babbage26 de dezembro de outubro1871Calculador Analítico u 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. u Em parceria com Charles Babbage, Ada Augusta ( ) 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.Ada Augusta Lord Byroncalculador analíticosubrotina

u 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 ( ) em Zuse tentou vendê-lo ao governo para uso militar, mas foi subestimado pelos nazistas, que não se interessaram pela máquina.relésKonrad Zuse militarnazistas

u 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.II Guerra MundialEstados UnidosMarinhaUniversidade de HarvardIBM1944 Mark Ieletromagnético u Mark I ocupava 120 m 2, tinha milhares de relés e fazia muito barulho. Uma multiplicação de números de 10 dígitos levava 3 segundos para ser efetuada.m 2

u O engenheiro John Presper Eckert ( ) e o físico John Mauchly ( ) projetaram o ENIAC: Eletronic Numeric Integrator And Calculator. Com 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.John Presper Eckert John MauchlyENIAC1946

u O matemático húngaro John von Neumann ( ) formalizou o projeto lógico de um computador.John von Neumann computador u 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 DEVICES FOR CONTROLLED ELECTRIC CURRENT Filed March 28, 1928 (from H. Iwai)

u Grupo de estado sólido na Bell Labs u R. Ohi, identifica Si tipo p e tipo n u , desfeito o grupo da Bell Labs u Novo grupo na Bell - W. Shockley u 1947/Dez., Bardeen e Brattain descobrem o efeito transistor bipolar

J. Bardeen, W. Brattain, W. Shockley

u : Shockley - teoria BJT u 1952: Bell Labs licencia a patente para outras empresas: Texas, Sony, etc. u 1956: prêmio Nobel de Física u 1955: Shockley deixa a Bell e cria empresa Shockley Semicond., no Silicon Valey. u 1957: R. Noyce, G. Moore e outros, deixam a Shockley Semicond., criam Fairchild. u 1968: Noyce, Moore, Grove, criam Intel. u Multiplicam-se as empresas no Vale do Si.

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

Processo Planar u J. Hoerni, Fairchild, processo planar: Superfícia do Si oxidado + fotogravação, abertura de janelas para difusão, vários no mesmo plano.

1959: 1 o Circuito Integrado Planar Robert N. Noyce (from H. Iwai)

Primeiro CI - Fairchild

1960: Primeiro MOSFET, por D. Kahng and M. Atalla (from H. Iwai)

Op-Amp A702, Fairchild

Op-Amp A709, Fairchild

SRAM 256 Bit, Fairchild

Bit DRAM, Intel

CCD 8 Bit, Bell Labs

Microprocessador 4004, Intel

Mbit DRAM (TOSHIBA) (from H. Iwai)

Systems: from 1946 to 1997 Original ENIAC machine at University of Pennsylvania Speed: 5,000 additions or 10 multiplications/sec * 17,500 vacuum tubes * 174 KW * 18,000 sq ft Single chip version of ENIAC machine designed also at University of Pennsylvania by Prof. van der Spiegel and students in 0.5 um CMOS 7.44mm x 5.29mm; 174,569 transistors

Devices: from 1947 to 1997

System: from 1954 to 2005 TRADIC First 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 1 MHz: 1 W -Potential speed: ~10 GHz

Circuits: from 1961 to 2005 The first planar integrated circuit, 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) $ ,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 -4 ~10 4 (from M. Green)

Aplicando as mesmas escalas ao carro: PadrãoXAnalogia Velocidade110 km/h km/s Consumo10 km/l km/l Custo$ 20 k10 -3 $ 20 Confiabilidade1 ano anos Peso1 t mg

u Os problemas da tecnologia hoje u Correntes de fuga aumentam u Se chegou velocidade de saturação dos portadores de carga u Aumento dos atrasos por causa de RC u Variabilidade estatística dos parâmetros u Consumo de potência

Scaling of MOSFET Dimensions Source Silicon Gate T OX Drain LcLc WcWc XjXj Year Channel Length or Junction Depth ( m) Gate Oxide Thickness (nm) (from M. Green)

Texas Instruments data

Transistor pMOS, L = 6 nm, (IBM-2004) Ano Nó tecnológico Printed Gate Physical Gate ITRS2001 – dimensões em nm

Qi Xinag, ECS 2004, AMD

Lithography Original layout OPC corrected mask

Atomistic view of 40 nm device From Asenov, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES VOL. 50, NO. 9, SEPTEMBER 2003

Atomic Consequences of scaling u Example: u Volume under the gate: V = 25 nm * 100 nm * 25 nm = 62.5x cm 3 u Channel concentration: N chan ~ 1.0x10 18 /cm 3 u Number of dopants in volume: n atoms ~ 62 u Statistical variation ~ 8 atoms, i.e. 12% L W x j

… and consequences for real electrical parameters Vgs (Volts) From: C. Bowen, G. Klimeck, M. Goodwin and D. Chapman, TI I ds vs V gs curve for a 40 nm NMOS device

Canal de SiGe ou Si tensionado u Modificação da estrutura de bandas E - k u Maior mobilidade u Maior vel. de saturação

Strained Silicon: Higher Mobility

Strained Silicon: Higher mobility From: M. Jurczak et al., ESSDERC 1999

An Inflection Point Approaches 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 interconnect from IBM Cross-section of 64-bit high- performance microprocessor

Dense metal interconnect M X+1 MXMX M X µm 0.2µm CHCH CVCV 0.32µm from Intel Technical Journal 2004 Typical 130 nm metal stack

No more gain with smaller wires Source: SIA 1997 Scaling of wires reaches an optimal point at m After that it gets substantially worse

Planarization: how flat is a wafers How flat ? (65nm and below) Planarization: how flat is a wafers How flat ? (65nm and below) Dimension ratio : ~ 500 Wafer planarity ~ nm Soccer Field planarity ~ 5-25 m

LIMITES

Moores Law In 1965 Gordon Moore (then at Fairchild Corporation) noted that: u A new generation of technology is produced every 2 years u Each new generation has: u Twice the number of transistors u Increased performance by 40% u Four times the memory capacity Hi

Trend: N(x) =A*exp(t/ ) ~18 months Page Book 1 h audio 1 h video

Moores Law u What is behind this fantastic race of development of the IC technologies? u Is it the technological will and motivation of the people involved? u Or/and is it the economical drive the main force? u Semiconductor industry sales: u 1962, > $1-billion u 1978, > $10-billion u 1994, > $100-billion

Will physics or economics stop Moores law ?

Nikon ArF 2004 Scanner = 192 nm Contact mask aligner 1970s

Lithography

Toshiba Corporation Fab in 1960s and 70s (from H. Iwai)

300 mm Super clean room in Tsukuba,Selete Toshiba Oita Works 300 mm Fab TSMC (from H. Iwai)

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 Limits u Irreversible Logic Device u First developed by John von Neumann over 50 years ago and discussed in depth by Rolf Landauer in 1961 u Entropy caused by changing states defined by Boltzmann Principle that: Δ S = k B ln Ω Where S = entropy and Ω is number of states u The energy required to overcome this entropy is: ΔE = T ΔS Δ E = T k B ln Ω u Since digital logic is binary (Ω = 2) and the energy needed to change a bit is: Δ E = k B T ln 2

Fundamental Limits u From this equation known as the von Neumann – Landauer expression limits of other properties arise E bit k B T 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 Limits Δx Δp ħ ΔE Δt ħ x min = ħ / Δp = ħ / (2 m e E bit ) 0.5 = 1.5nm Where x min is the minimum size of a switch n max = 1 / x 2 = 4.7 x devices / cm 2 Where n max is the maximum density of switches t min = ħ / ΔE =.04 ps Where t min is the minimum switching time Speed = 1 / t min = 1/.04 = 25 THz P = ( n max E bit ) / t min = 3.7 x 10 6 W / cm 2

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

u Uncertainty Principle Limits ΔE < ΔE bit ΔE Δt ħ Δt ħ /ΔE ħ /ΔE bit = Δt min 0 – 1 – 0 or 1 – f < 1 /(2 Δt min ) f < ΔE bit /2 ħ ΔE bit = 500 eV, f max = 400 PHz ΔE bit = 1 eV, f max = 800 THz ΔE bit = 0.017eV, f max = 13 THz

Limites da temperatura de funcionamento Tempo necessário para trocar de estado: τ T = τ exp(ΔE bit /kT) (τ ~ s) Memória volátil: ΔE bit = 0.8 eV => τ T = 2×10 1 –2×10 1 s, Memória não volátil: ΔE bit = 1.3 eV => τ T = 5×10 7 –5×10 9 s.

Máxima densidade de bits: 4,3×10 12 cm 2 Máxima flop rate 1, 7×10 26 cm 2 s 1 Máxima potência dissipada 5,4×10 6 Wcm 2

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

Reversible Logic

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 A 4.5 nm crossbar shrink could be possible by 2020, according to HP's estimates.