Chips: meer, sneller, kleiner en wat doen we met de batterij?

Lessen voor de XXIe eeuw: Chips: meer, sneller, kleiner en wat doen we met de batterij?

Chips: meer, sneller, kleiner en wat doen we met de batterij? W. Dehaene, P. Reynaert 25 November 2013 Lessen voor de XXI eeuw 2013-14

Agenda • Ze zijn allemaal hetzelfde! Korte introductie tot de digitale systemen

• Digitaal schakelen Hoe werken digitale systemen

• Technologieschaling en de wet van Moore De evolutieleer van de elektronica

• Waarom het vastloopt Technologieschaling heeft haar grenzen bereikt

• Hoe moet het nu verder? Ook zonder schaling kan de technologie nog veel meer

2

Ze zijn allemaal hetzelfde! Korte introductie tot de digitale systemen

W. Dehaene, P. Reynaert 25 November 2013

1


Al deze systemen werken op dezelfde manier • • • •

Smartphone Tablet Laptop PC

4

Het is niet beperkt tot ICT Compass Interior Light System Automated Auto toll Payment Cruise Control Rain sensor Entertainment Head Up Display

Power Window Sensor Stability Sensing

LED brake light

Dashboard controller Light failure control

Backup Sensing

Information Navigation Keyless entry Central locking

Engine: Injection control Injection monitor Oil Level Sensing Air Flow Throttle control Valve Control Headlight: Position control Power control Failure detection

Suspension control Key transponder Door module Seat control: Position/Heating Airbag Sensing &Control E-gas

Brake Pressure

Gearbox: Position control

5

Basisstructuur

6


2


Basisstructuur

7

Al deze (sub)systemen bevatten chips Bord

Wafer

Chip

Verpakte chip 8

Al deze systemen zijn complexer geworden

Hoe kon dat gebeuren? Welke technologie heeft dit mogelijk gemaakt

9


3


Digitaal schakelen Hoe werken digitale systemen

Alle informatie kan gecodeerd worden met bits (I) • Kleinste eenheid van informatie: “bit” • Een bit kan ‘0’ of ‘1’ zijn • Met N bits kan je 2N combinaties maken o

3 bits à 8 combinaties • 000

100

• 001

101

• 010

110

• 010

111

11

Alle informatie kan gecodeerd worden met bits (II) • Tekst met bits voorstellen o

o

Er zijn 26 letters in het alfabet + leestekens + cijfers + hoofdletters + … à (minstens) 100 tekens 27 = 128à met 7 bits kunnen we 128 tekens voorstellen

• Beelden met bits voorstellen o o

o

In puntjes verdelen, bv 1024 x 1024 (210 = 1024) Ieder puntje heeft een kleur: met 8 bit 256 (=28) kleuren Beeld bevat 1024 x 1024 x 8 = 268,435,456 bits

• Getallen met bits voorstellen o

Met 16 bits alle getallen x, 0 ≤ x < 65536

12


4


Bits kunnen we elektronisch voorstellen

Bit “0”

Bit “1”

13

Bits kunnen we elektronisch voorstellen

Bit “0”

Bit “1”

Circuit

Circuit

14

Schakelen met elektronische bits • Informatie = bits • Bits = elektrische spanning 0V of 1V • Om informatie te verwerken moeten we dus spanning kunnen in- en uitschakelen

• Chips worden opgebouwd met transistors. o o

Dit zijn minuscule schakelaars Gemaakt op een Silicium wafer

15


5


Schakelen is niet gratis • Schakelen van een elektrische spanning o

o

Kost tijd à Circuits kunnen niet oneindig snel rekenen Kost energie à Er is een energiebron nodig (batterij, zonnecel, elektriciteitsnet)

16

Analogie: een vat vullen met water

Wat als we de kraan opendraaien ?

17


Onderste vat loopt vol!

18


6


Analogie: een vat vullen met water Bij gegeven debiet o Op 4 seconden loopt het onderste vat loopt vol o

Het bovenste vat is zo goed als leeg na 4s

19


Nu is het onderste vat smaller …

20


Onderste vat loopt sneller vol!

21


7


Analogie: een vat vullen met water Bij gegeven debiet o Op 2 seconden loopt het onderste vat loopt vol o

Het bovenste vat is nu niet leeg

22

Verband met elektriciteit Waterdebiet ↕ Stroom I

Volume water ↕ Lading Q Waterhoogte ↕ Spanning V

Breedte van het vat ↔ capaciteit C 23

Lading en capaciteit • Tussen twee geleiders is steeds een elektrische capaciteit

• De capaciteit moet opof ontladen worden om de spanning (bit !) over de lamp te schakelen Circuit

• Zoals bij het watervat wordt ook elektrische capaciteit kleiner met haar afmetingen

24


8


Lading en capaciteit

Q = C⋅ V • Q is de lading die nodig is om de capaciteit C tot een spanning V op de laden

• Hoe hoger C hoe meer lading er nodig is • Hoe hoger V hoe meer lading er nodig is

25

Verandering van lading en spanning

∆Q = C ⋅ ∆V • De verandering van de lading ΔQ is evenredig met de verandering in spanning ΔV.

• Lees ‘Δ’ als ‘de verandering van’

ΔV Q1

ΔQ

V1 V2

Q2

26

Lading en stroom

I=

∆Q ∆t

• De elektrische stroom is de lading ∆Q die verplaatst wordt gedurende een tijdsinterval ∆t

• Stroom is dus ladingsdebiet

27


9


Laden kost tijd (I)

I=

∆Q ∆t

∆Q I

∆t =

∆Q = C ⋅ ∆ V

C ⋅ ∆V ∆t = I 28

Laden kost tijd (II)

∆t =

C ⋅ ∆V I

• Voor snellere circuits is nodig o o o

Kleine capaciteit Lage spanning Grote stroom

29

Technologieschaling en de wet van Moore De evolutieleer van de electronica


10


De (r)evolutie van de telefoon

Stijgende functionaliteit en complexiteit Dalende kost per functie

31

Evolutie van processor chips

Intel 4004 - 1971 2300 transistors 10 μm technologie 12 mm2

Intel Six Core i7 - 2011 2,270,000,00 transistors 32 nm technologie 434 mm2

32

Begrippen Chips worden gemaakt volgen een bepaald proces of ‘technologie’

Intel Six Core i7 - 2011 2,270,000,00 transistors 32 nm technologie 434 mm 2

Technologie word gekenmerkt door de kleinste lengte van de transistors ‘32 nm’

33


11


Een idee van de complexiteit (I)

Transistor

34

34

Een idee van de complexiteit (II) Processor Technologie

jaar

Aantal transistors

8086 3 µm

1978

29 000

Pentium 0.8 µm

1993

3 100 000

Pentium 4 180 nm

2000

50 000 000

Intel Core i7 45 nm – 32 nm

2008

700 000 000 1 200 000 000

Lego Analogie

X 20!!

35

Hoe groot is een nanometer? Menselijk haar 100μm

Griepvirus 100nm

Recente transistors

36


12


Technologie schaling • Technologie schaling betekent dat o o o o

Transistorafmetingen steeds kleiner worden Meer functionaliteit op dezelfde oppervlakte past Zelfde functionaliteit goedkoper wordt Voedingsspanning naar beneden gehaald wordt

• Schaling geeft “meer voor minder geld”

37

Evolutie van de technologie voorspeld door Gordon Moore • Gordon Moore (Intel) 1965 / 1975 “the number of transistors on a chip will double every 18 to 24 months”

• “De wet van Moore” o o

Geen fysische wet Een voorspelling en een uitdaging

38

x100

39


13


x100

40

Hoe kon dit gebeuren? (I)

∆t =

C ⋅ ∆V I

• Nodig voor snellere circuits o o o

Kleine capaciteit Lage spanning Grote stroom

41

Hoe kon dit gebeuren? (II) Stel technologie schaalt met een factor S Dit wil zeggen dat bij een volgende technologie alle afmetingen S keer kleiner zijn en de spanning S keer lager

1/S

∆t =

1/S

C ⋅ ∆V I 1/S 42


14


Hoe kon dit gebeuren? (III) Stel dat technologie schaalt met een factor S Dit wil zeggen dat bij een volgende technologie alle afmetingen S keer kleiner zijn en de spanning S keer lager

1 ∆t ~ S

Technologieschaling maakt chips sneller ! Dit heeft de hele revolutie mogelijk gemaakt!

Evenredig met

43

Schakelen kost ook energie

Lading Q

Circuit

Batterij levert lading op hoge spanning om de capaciteit op te laden. Dat kost energie: de batterij loopt leeg

44

Hoeveel energie? • De energie om een bit éénmaal te schakelen wordt gegeven door Q vervangen door C•V

E = Q ⋅ V = C ⋅ V2 Hoe meer lading verplaatst wordt, hoe meer energie er nodig is

Hoe ‘hoger’ de lading verplaatst wordt, hoe meer energie er nodig is

45


15


1 bit schakelen kost steeds minder energie • De energie om een bit éénmaal te schakelen neemt ook af als de technologie verder schaalt

E = C ⋅ V2 1/S2

1/S

Dit wil zeggen dat de energie nodig voor een gegeven functie daalt als de technologie verder schaalt.

46

We schakelen veel meer • De rekenkracht van een PC van pakweg 10 jaar geleden zit nu in je smartphone

• Door de schaling kunnen we veel complexere systemen maken • MAAR: we willen ook veel complexere systemen: smartphones kunnen steeds meer, PCs worden tablets, …

• DUS: schakelen kost wel minder energie maar we willen steeds meer schakelen.

• NETTO: moderne systemen willen steeds meer energie, want minder energie per functie maar veel meer functies per systeem

47

Data rates[A.U] / energy capacity [A.U.]

Batterij technologie volgt niet LTE-A, 60 GHz, ... HSPA+ LTE, ...

Increasing battery gap!

HSPA, ...

21 / 1100 kJ 30 / 50 g

GPRS UMTS

<<

GSM

1995

Battery Capacity

2000

2005

2010

2015

48


16


Waarom het vastloopt Technologieschaling heeft haar grenzen bereikt

De limieten van schaling • Het schalingsverhaal kan helaas niet blijven duren o

Alles is zo klein geworden dat het stilaan niet meer kleiner kan

o

Atomaire dimensies zijn bereikt

o

Gedrag van individuele atomen speelt een rol maar is niet beheersbaar

o

Het wordt allemaal veel te duur …

50

Atomaire dimensies 130 nm

22 nm

4 nm

130 nm schakelaar

22 nm schakelaar Er zijn zo weinig atomen in het spel dat Het quasi onmogelijk is om zo’n schakelaar betrouwbaar te maken

4 nm schakelaar

51


17


Veel te veel variatie is het gevolg

x100

Stroom wanneer een schakelaar uit staat berekend voor 100 schakelaars met atomistische variatie in 32nm Als alles goed zou zijn vallen de curves samen …

52

Er zijn kost problemen • De kost per transistor zakt nog steeds … • Maar enkel als er grote volumes chips aangemaakt worden. Dit is enkel nog haalbaar op de PC en smartphone markt

• De kost is stilaan astronomisch o o

Ontwikkelkost voor steeds kleiner technologie Investeringskost voor nieuwe fabrieken

53

Investering in fabrieken

54


18


Hoe moet het nu verder? Ook zonder schaling kan de technologie nog veel meer

Er zijn nog opties • Doorgedreven technologieschaling heet “More Moore” • We kunnen met onze technologie ook andere dingen proberen te doen o Andere elementen dan schakelaars maken op de chip: LED, microfoons, radio’s, sensoren o Andere materialen dan Si gebruiken: flexibele elektronica, elektronica-uit-een-printer

More than Moore 56

More than Moore: flexibele schermen

De oprolbare iPad is in de maak .. 57


19


Elektronisch textiel

Baby kleding met geïntegreerde sensoren om wiegedood te voorkomen

58

Grote systemen op 1 chip Product van Analog Devices Wifi chip in 180 nm Radio Analoog Digitaal

59

Rijpe aardbeien selecteren Transistors zijn meer dan schakelaars

60

60


20


Conclusie

Conclusie • Doorgedreven silicium technologie schaling volgens de wet van Moore heeft een volledige technische revolutie mogelijk gemaakt

• De technische principes waarop dit gebaseerd is werden uitgelegd

• Technologieschaling volgens de wet van Moore loopt op zijn einde

• Er is nog heel wat creativiteit mogelijk binnen de bestaande technologische mogelijkheden

62


21

Chips: meer, sneller, kleiner en wat doen we met de batterij?

Recommend Documents