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

Transcriptie

1 Chips: meer, sneller, kleiner en wat den we met de batterij? W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember 2013 Lessen vr de XXI eeuw Agenda Ze zijn allemaal hetzelfde! Krte intrductie tt de digitale systemen Digitaal schakelen He werken digitale systemen Technlgieschaling en de wet van Mre De evlutieleer van de elektrnica Waarm het vastlpt Technlgieschaling heeft haar grenzen bereikt He met het nu verder? Ok znder schaling kan de technlgie ng veel meer 2 Ze zijn allemaal hetzelfde! Krte intrductie tt de digitale systemen W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

2 Al deze systemen werken p dezelfde manier Smartphne Tablet Laptp PC 4 Het is niet beperkt tt ICT Dashbard cntrller Light failure cntrl Infrmatin Navigatin Autmated Cruise Cntrl Entertainment Head Up Display Engine: Injectin cntrl Injectin mnitr Oil Level Sensing Air Flw Thrttle cntrl Valve Cntrl Headlight: Psitin cntrl Pwer cntrl Failure detectin E-gas Cmpass Interir Light System Aut tll Payment Rain sensr Airbag Sensing &Cntrl Gearbx: Psitin cntrl Brake Pressure Pwer Windw Sensr Stability Sensing LED brake light Backup Sensing Keyless entry Central lcking Suspensin cntrl Key transpnder Dr mdule Seat cntrl: Psitin/Heating 5 Basisstructuur 6 W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

3 Basisstructuur 7 Al deze (sub)systemen bevatten chips Brd Wafer Chip Verpakte chip 8 Al deze systemen zijn cmplexer gewrden He kn dat gebeuren? Welke technlgie heeft dit mgelijk gemaakt 9 W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

4 Digitaal schakelen He werken digitale systemen Alle infrmatie kan gecdeerd wrden met bits (I) Kleinste eenheid van infrmatie: bit Een bit kan 0 f 1 zijn Met N bits kan je 2 N cmbinaties maken 3 bits 8 cmbinaties Alle infrmatie kan gecdeerd wrden met bits (II) Tekst met bits vrstellen Er zijn 26 letters in het alfabet + leestekens + cijfers + hfdletters + (minstens) 100 tekens 2 7 = 128 met 7 bits kunnen we 128 tekens vrstellen Beelden met bits vrstellen In puntjes verdelen, bv 1024 x 1024 (2 10 = 1024) Ieder puntje heeft een kleur: met 8 bit 256 (=2 8 ) kleuren Beeld bevat 1024 x 1024 x 8 = 268,435,456 bits Getallen met bits vrstellen Met 16 bits alle getallen x, 0 x < W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

5 Bits kunnen we elektrnisch vrstellen Bit 0 Bit 1 13 Bits kunnen we elektrnisch vrstellen Bit 0 Bit 1 Circuit Circuit 14 Schakelen met elektrnische bits Infrmatie = bits Bits = elektrische spanning 0V f 1V Om infrmatie te verwerken meten we dus spanning kunnen in- en uitschakelen Chips wrden pgebuwd met transistrs. Dit zijn minuscule schakelaars Gemaakt p een Silicium wafer 15 W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

6 Schakelen is niet gratis Schakelen van een elektrische spanning Kst tijd Circuits kunnen niet neindig snel rekenen Kst energie Er is een energiebrn ndig (batterij, znnecel, elektriciteitsnet) 16 Analgie: een vat vullen met water Wat als we de kraan pendraaien? 17 Analgie: een vat vullen met water Onderste vat lpt vl! 18 W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

7 Analgie: een vat vullen met water Bij gegeven debiet Op 4 secnden lpt het nderste vat lpt vl Het bvenste vat is z ged als leeg na 4s 19 Analgie: een vat vullen met water Nu is het nderste vat smaller 20 Analgie: een vat vullen met water Onderste vat lpt sneller vl! 21 W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

8 Analgie: een vat vullen met water Bij gegeven debiet Op 2 secnden lpt het nderste vat lpt vl Het bvenste vat is nu niet leeg 22 Verband met elektriciteit Waterdebiet Strm I Waterhgte Spanning V Vlume water Lading Q Breedte van het vat capaciteit C 23 Lading en capaciteit Tussen twee geleiders is steeds een elektrische capaciteit De capaciteit met pf ntladen wrden m de spanning (bit!) ver de lamp te schakelen Circuit Zals bij het watervat wrdt k elektrische capaciteit kleiner met haar afmetingen 24 W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

9 Lading en capaciteit Q = C V Q is de lading die ndig is m de capaciteit C tt een spanning V p de laden He hger C he meer lading er ndig is He hger V he meer lading er ndig is 25 Verandering van lading en spanning DQ = C DV De verandering van de lading ΔQ is evenredig met de verandering in spanning ΔV. Lees Δ als de verandering van Q 1 V 1 ΔV ΔQ V 2 Q2 26 Lading en strm I = DQ Dt De elektrische strm is de lading Q die verplaatst wrdt gedurende een tijdsinterval t Strm is dus ladingsdebiet 27 W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

10 Laden kst tijd (I) I = DQ Dt Dt = DQ I DQ = C DV Dt = C DV I 28 Laden kst tijd (II) C Dt = DV I Vr snellere circuits is ndig Kleine capaciteit Lage spanning Grte strm 29 Technlgieschaling en de wet van Mre De evlutieleer van de electrnica W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

11 De (r)evlutie van de telefn Stijgende functinaliteit en cmplexiteit Dalende kst per functie 31 Evlutie van prcessr chips Intel transistrs 10 μm technlgie 12 mm 2 Intel Six Cre i ,270,000,00 transistrs 32 nm technlgie 434 mm 2 32 Begrippen Chips wrden gemaakt vlgen een bepaald prces f technlgie Intel Six Cre i ,270,000,00 transistrs 32 nm technlgie 434 mm 2 Technlgie wrd gekenmerkt dr de kleinste lengte van de transistrs 32 nm 33 W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

12 Een idee van de cmplexiteit (I) Transistr Een idee van de cmplexiteit (II) Prcessr Technlgie jaar Aantal transistrs Leg Analgie µm Pentium 0.8 µm Pentium nm Intel Cre i7 45 nm 32 nm X 20!! 35 He grt is een nanmeter? Menselijk haar 100μm Griepvirus 100nm Recente transistrs 36 W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

13 Technlgie schaling Technlgie schaling betekent dat Transistrafmetingen steeds kleiner wrden Meer functinaliteit p dezelfde ppervlakte past Zelfde functinaliteit gedkper wrdt Vedingsspanning naar beneden gehaald wrdt Schaling geeft meer vr minder geld 37 Evlutie van de technlgie vrspeld dr Grdn Mre Grdn Mre (Intel) 1965 / 1975 the number f transistrs n a chip will duble every 18 t 24 mnths De wet van Mre Geen fysische wet Een vrspelling en een uitdaging 38 x W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

14 x He kn dit gebeuren? (I) Ndig vr snellere circuits Kleine capaciteit C DV Dt = I Lage spanning Grte strm 41 He kn dit gebeuren? (II) Stel technlgie schaalt met een factr S Dit wil zeggen dat bij een vlgende technlgie alle afmetingen S keer kleiner zijn en de spanning S keer lager 1/S 1/S Dt = C DV I 1/S 42 W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

15 He kn dit gebeuren? (III) Stel dat technlgie schaalt met een factr S Dit wil zeggen dat bij een vlgende technlgie alle afmetingen S keer kleiner zijn en de spanning S keer lager Dt ~ Evenredig met 1 S Technlgieschaling maakt chips sneller! Dit heeft de hele revlutie mgelijk gemaakt! 43 Schakelen kst k energie Lading Q Circuit Batterij levert lading p hge spanning m de capaciteit p te laden. Dat kst energie: de batterij lpt leeg 44 Heveel energie? De energie m een bit éénmaal te schakelen wrdt gegeven dr Q vervangen dr C V E = Q V = C 2 V He meer lading verplaatst wrdt, he meer energie er ndig is He hger de lading verplaatst wrdt, he meer energie er ndig is 45 W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

16 1 bit schakelen kst steeds minder energie De energie m een bit éénmaal te schakelen neemt k af als de technlgie verder schaalt E = C 2 V 1/S 1/S 2 Dit wil zeggen dat de energie ndig vr een gegeven functie daalt als de technlgie verder schaalt. 46 We schakelen veel meer De rekenkracht van een PC van pakweg 10 jaar geleden zit nu in je smartphne Dr de schaling kunnen we veel cmplexere systemen maken MAAR: we willen k veel cmplexere systemen: smartphnes kunnen steeds meer, PCs wrden tablets, DUS: schakelen kst wel minder energie maar we willen steeds meer schakelen. NETTO: mderne systemen willen steeds meer energie, want minder energie per functie maar veel meer functies per systeem 47 Batterij technlgie vlgt niet Data rates[a.u] / energy capacity [A.U.] GSM GPRS UMTS HSPA,... HSPA+ LTE,... LTE-A, 60 GHz,... Battery Capacity Increasing battery gap! 21 / 1100 kj 30 / 50 g << 48 W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

17 Waarm het vastlpt Technlgieschaling heeft haar grenzen bereikt De limieten van schaling Het schalingsverhaal kan helaas niet blijven duren Alles is z klein gewrden dat het stilaan niet meer kleiner kan Atmaire dimensies zijn bereikt Gedrag van individuele atmen speelt een rl maar is niet beheersbaar Het wrdt allemaal veel te duur 50 Atmaire dimensies 130 nm 22 nm 130 nm schakelaar 4 nm 22 nm schakelaar Er zijn z weinig atmen in het spel dat Het quasi nmgelijk is m z n schakelaar betruwbaar te maken 4 nm schakelaar 51 W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

18 Veel te veel variatie is het gevlg x100 Strm wanneer een schakelaar uit staat berekend vr 100 schakelaars met atmistische variatie in 32nm Als alles ged zu zijn vallen de curves samen 52 Er zijn kst prblemen De kst per transistr zakt ng steeds Maar enkel als er grte vlumes chips aangemaakt wrden. Dit is enkel ng haalbaar p de PC en smartphne markt De kst is stilaan astrnmisch Ontwikkelkst vr steeds kleiner technlgie Investeringskst vr nieuwe fabrieken 53 Investering in fabrieken 54 W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

19 He met het nu verder? Ok znder schaling kan de technlgie ng veel meer Er zijn ng pties Drgedreven technlgieschaling heet Mre Mre We kunnen met nze technlgie k andere dingen prberen te den Andere elementen dan schakelaars maken p de chip: LED, micrfns, radi s, sensren Andere materialen dan Si gebruiken: flexibele elektrnica, elektrnica-uit-een-printer Mre than Mre 56 Mre than Mre: flexibele schermen De prlbare ipad is in de maak.. 57 W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

20 Elektrnisch textiel Baby kleding met geïntegreerde sensren m wiegedd te vrkmen 58 Grte systemen p 1 chip Prduct van Analg Devices Wifi chip in 180 nm Radi Analg Digitaal 59 Rijpe aardbeien selecteren Transistrs zijn meer dan schakelaars W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember

21 Cnclusie Cnclusie Drgedreven silicium technlgie schaling vlgens de wet van Mre heeft een vlledige technische revlutie mgelijk gemaakt De technische principes waarp dit gebaseerd is werden uitgelegd Technlgieschaling vlgens de wet van Mre lpt p zijn einde Er is ng heel wat creativiteit mgelijk binnen de bestaande technlgische mgelijkheden 62 W. Dehaene, P. Reynaert 25 Nvember