Dehaene presentatie

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

2

2

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

Ze zijn allemaal

hetzelfde!

Korte introductie tot de digitale systemen

4

4

Al deze systemen werken op dezelfde manier

Het is niet beperkt tot ICT

Interior Light System Auto toll Payment Rain sensor

Dashboard controller Automated Cruise Control

Light failure control Information Navigation Entertainment Head Up Display Engine: Injection control Injection monitor Oil Level Sensing Air Flow Headlight: Position control Power control Failure detection Brake Pressure

Airbag Sensing &Control Seat control: Position/Heating Key transponder Door module Keyless entry Central locking Throttle control Valve Control E-gas Suspension control LED brake light Compass

Stability Sensing Power Window Sensor

Backup Sensing

Gearbox: Position control

6

6

Basisstructuur

7

7

Basisstructuur

8

8

Al deze (sub)systemen bevatten chips

Chip Wafer

Verpakte chip

Bord

Al deze systemen zijn complexer geworden

Hoe kon dat gebeuren? Welke technologie heeft

Digitaal schakelen

Hoe werken digitale systemen

11

11

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 12 12

Alle informatie kan gecodeerd worden

met bits (II)

o Er zijn 26 letters in het alfabet + leestekens + cijfers + hoofdletters + … à (minstens) 100 tekens

o 27_{= 128à met 7 bits kunnen we 128 tekens voorstellen} • Beelden met bits voorstellen

o In puntjes verdelen, bv 1024 x 1024 (210_{= 1024)} o Ieder puntje heeft een kleur:

met 8 bit 256 (=28_{) kleuren} o Beeld bevat

1024 x 1024 x 8 = 268,435,456 bits • Getallen met bits voorstellen

13

13

Bits kunnen we elektronisch voorstellen

Bit “0”

Bit “1”

14

14

Bits kunnen we elektronisch voorstellen

Bit “0”

Bit “1”

Circuit Circuit

Schakelen met elektronische 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 Dit zijn minuscule schakelaars

16

16

Schakelen is niet gratis

• Schakelen van een elektrische spanning

o Kost tijd à Circuits kunnen niet oneindig snel rekenen

o Kost energie à Er is een energiebron nodig

(batterij, zonnecel, elektriciteitsnet)

17

17

Analogie: een vat vullen met water

Wat als we de kraan opendraaien ?

18

18

Analogie: een vat vullen met water

Onderste vat loopt vol!

19

19

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

20

20

Analogie: een vat vullen met water

Nu is het onderste vat smaller …

Analogie: een vat vullen met water

Onderste vat loopt sneller vol!

22

22

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

23

23

Verband met elektriciteit

Waterhoogte ↕ Spanning V

Breedte van het vat ↔ capaciteit C

Volume water ↕ Lading Q Waterdebiet ↕ Stroom I 24 24

Lading en capaciteit

• Tussen twee geleiders is

steeds een elektrische capaciteit

• De capaciteit moet

op-of ontladen worden om de spanning (bit !) over de lamp te schakelen

• Zoals bij het watervat

wordt ook elektrische capaciteit kleiner met haar afmetingen

25

25

Lading en capaciteit

• 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

V

C

Q

=

⋅

Verandering van lading en spanning

• De verandering van de lading ΔQ is evenredig met de verandering in spanning ΔV.

• Lees ‘Δ’ als ‘de verandering van’

V

C

Q

=

⋅

∆

∆

Lading en stroom

• De elektrische stroom is de lading ∆Q die verplaatst

wordt gedurende een tijdsinterval ∆t

• Stroom is dus ladingsdebiet

t

Q

I

∆

∆

=

28

28

Laden kost tijd (I)

I

Q

t

=

∆

∆

t

Q

I

∆

∆

=

∆

Q

=

C

⋅

∆

V

I

V

C

t

=

⋅

∆

∆

Laden kost tijd (II)

• Voor snellere circuits is nodig

o Kleine capaciteit o Lage spanning o Grote stroom

I

V

C

t

=

⋅

∆

∆

Technologieschaling

en de wet van Moore

31

31

De (r)evolutie van de telefoon

Stijgende functionaliteit en complexiteit Dalende kost per functie

32

32

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

Begrippen

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

Chips worden gemaakt volgen een bepaald proces of ‘technologie’

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

34

Een idee van de complexiteit (I)

Transistor

34

35

Een idee van de complexiteit (II)

Processor Technologie jaar Aantal transistors Lego Analogie 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 X 20!! 36

Hoe groot is een nanometer?

Recente transistors Griepvirus 100nm Menselijk haar 100μm

37

37

Technologie schaling

• Technologie schaling betekent dat

o Transistorafmetingen steeds kleiner worden

o Meer functionaliteit op dezelfde oppervlakte past

o Zelfde functionaliteit goedkoper wordt

o Voedingsspanning naar beneden gehaald wordt

• Schaling geeft “meer voor minder geld”

38

38

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 Geen fysische wet

o Een voorspelling en een uitdaging

40

40

x100

41

41

Hoe kon dit gebeuren? (I)

• Nodig voor snellere circuits

o Kleine capaciteit o Lage spanning o Grote stroom

I

V

C

t

=

⋅

∆

∆

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 1/S 1/S

I

V

C

t

=

⋅

∆

∆

43

43

Hoe kon dit gebeuren? (III)

S

1

~

t

∆

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

Evenredig met

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

44

44

Schakelen kost ook energie

Circuit

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

Lading Q

Hoeveel energie?

• De energie om een bit éénmaal te schakelen wordt gegeven door 2

V

C

V

Q

E

=

⋅

=

⋅

Hoe meer lading verplaatst wordt, hoe meer energie er nodig is

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

46

46

1 bit schakelen kost steeds minder energie

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

2

V

C

E

=

⋅

1/S 1/S2

Dit wil zeggen dat de energie nodig voor een gegeven functie daalt als

de technologie verder schaalt.

47

47 • 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

We schakelen veel meer

48

48

Batterij technologie volgt niet

Da ta r at es [A.U ] / ene rg y ca pa ci ty [ A.U.] 1995 2000 2005 2010 2015 GSM GPRS UMTS HSPA, ... HSPA+ LTE, ... LTE-A, 60 GHz, ... Battery Capacity Increasing battery gap! 21 / 1100 kJ 30 / 50 g <<

Waarom het vastloopt

Technologieschaling heeft haar grenzen bereikt

50

50

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 …

Atomaire dimensies

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

52

52

Veel te veel variatie is het gevolg

Stroom wanneer een schakelaar uit staat berekend voor 100 schakelaars met atomistische variatie in 32nm

Als alles goed zou zijn vallen de curves samen …

x100

53

53

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 Ontwikkelkost voor steeds kleiner technologie

o Investeringskost voor nieuwe fabrieken

54

54

Investering in fabrieken

Hoe moet het nu

verder?

Ook zonder schaling kan de technologie nog veel meer

56

56

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

58

58

Elektronisch textiel

Baby kleding met geïntegreerde sensoren om wiegedood te voorkomen

59

59

Grote systemen op 1 chip

Product van Analog Devices Wifi chip in 180 nm Radio Analoog Digitaal 60

Rijpe aardbeien selecteren

Transistors zijn meer dan schakelaars

Conclusie

62

62

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