Digitális Áramkörök (Villamosmérnök BSc / Mechatronikai mérnök MSc)

Átírás

1 Pannon Egyetem Villamosmérnöki és Információs Tanszék Digitális Áramkörök (Villamosmérnök BSc / Mechatronikai mérnök MSc) Bevezetés. Hol tart ma a digitális technológia? Előadó: Dr. Vörösházi Zsolt voroshazi.zsolt@virt.uni-pannon.hu

2 Feltételek: Tárgy neve (kódja): Digitális Áramkörök (VEMIVI2146D) Ajánlott könyvek: Holczinger T., Göllei A., Vörösházi Zs.: Digitális Technika I. / II. (jegyzet) Dr. Arató Péter: Logikai rendszerek tervezése (BME kiadó) Előadás / Gyakorlat látogatás: kötelező (lásd tematika) Követelmények: két ZH lesz (lásd tematika) KisZH: félév során több alkalommal (lásd tematika) Megajánlott jegy: Jegy(ZH1) és Jegy(ZH2) >= 4 Vizsgára bocsátás/aláírás feltétele: mindkét ZH-n legalább elégséges(2)-es érdemjegy megszerzése! (lásd tematika) PótZH: utolsó héten (pótzh a teljes anyagrészből lesz) Vizsga: írásbeli (szóbeli)

3 Kapcsolódó jegyzet, segédanyag: Oktatás Tantárgyak Digitális Áramkörök (Villamosmérnöki BSc / Mechatronikai mérnök BSc/MSc). Fóliák, óravázlatok (.ppt) Frissítésük folyamatosan

4 Oktatási cél: A kombinációs logikai-, és sorrendi hálózatok klasszikus tervezési módszereinek, illetve megvalósításainak megismerése. LSI/MSI alacsony/közepes komplexitású digitális áramkörök működésének, specifikációjának, alkalmazásainak, valamint digitális áramkörök (TTL, CMOS) jellemzőinek megismerése.

5 Tárgyalt ismeretkörök: Bővebben: (tematika) Egyszerűsítés algebrai úton. A logikai függvények leírása A logikai függvények kanonikus alakjai. Függvénytételek. Grafikus minimalizálás. NTSH. A Quine-McCluskey számjegyes minimalizálás. Egy-, és több-kimenetű függvények minimalizálása. Kombinációs hálózatok tranziens viselkedése, hazárdok. A logikai függvények dekompozíciója. Kombinációs hálózatok megvalósítása egyszerűbb LSI áramkörökkel, PAL, PLA, PROM, (bonyolultabb: CPLD, FPGA.) Sorrendi hálózatok. A Mealy-, és Moore-modell. Tároló áramkörök (flip-flopok). R-S, J-K, T és D, D-G típusú tárolók. Aszinkron és szinkron tárolók. Sorrendi hálózatok, mint bővíthető funkcionális egységek MSI megvalósításban, számlálók, regiszterek, gyűrűs számlálók. Aszinkron sorrendi hálózatok vizsgálata és tervezése. Kritikus versenyhelyzet, hazárdok (statikus, dinamikus, funkcionális).

6 Hol tart ma az digitális technológia?

7 Mikro-minimalizálás elve: Gordon Moore törvénye (1965): rendkívüli jelentőséggel bír a memóriák és a félvezető áramkörök méretcsökkenése esetén. Tanulmány: félvezető áramkörök fejlődése (prognózis) A technológia fejlődésével minden 18 hónapban az 1 felületegységre (mm² Si) eső tranzisztorok száma közel megduplázódik (integritási sűrűség) Ezzel szemben az eszközök ára csökken, vagy stagnál. Példa: szerver processzorok 2010: 2013: Itanium 9300 (Tukwila): 2 milliárd tranzisztor / chip 4 mag / 8 szál, 1.73 GHz, L3: 24 MB, 185 W 3D rétegszerkezet szilíciumon Metal Tri-gate, 22nm csíkszélességű tranzisztor 32nm HKMG-t váltotta: High-K fém dielektrikum, Hafnium) pl: Intel újgenerációs (3. /4. gen.) processzoraiban Intel/TSMC: Ivy Bridge, Haswell (~1.5 milliárd tr.) Itanium (Poulson / Kittson 8 mag /16 szál) 2.54 GHz / 32nm / 3.1 milliárd tranz. / 170 W 32 MB L3 Cache!, 16 utasítás/clock 2015: Intel Xeon E5 Phi, illetve Knights Landing

8 CPU + GPU integráció = APU Fejlesztések fő iránya: APU (Accelerator Processor Unit), UPU CPU s instruction set: - PC: X86, AMD64, - Mobile: ARM, MIPS, - Server: IBM Power, Sparc NVidia, AMD (ATI) AMD HSA (2013) Heterogeneous Systems Architecture (AMD A13 (Kaveri), A10..) Intel Haswell APU IGP (Sandy Bridge, Ivy Bridge) Intel Broadwell / Skylake (2015) 2012: Kína: UPU merőben új architektúra MVP: Multi-thread Virtual Processor ICube processor

9 ! Prognózis kb ből. Year 1. Roadmap projections for Semiconductor technology (prediction) Smallest feature [µm] Dynamic Ram Chip size [mm²] Billions of bits / chip Chip size [mm²] Microprocessors Millions of transistors / cm² On-Chip Clock (MHz) Wiring Levels / chip , , NOW and near future: end of Mbit 500? * 0.03 *EUV: extrem UV lithographical technique I/O /chip

10 Moore s law: Intel processor and memory roadmap Transistors per die / Memory capacity 1,00E+10 1,00E+09 1,00E+08 1,00E+07 1,00E+06 1,00E+05 1,00E+04 1,00E+03 between 70 and K K K K 256K M 4M Intel 386 Intel M Intel Pentium II Intel 486 Intel Itanium 2 (9MB Cache) 64M 128M Intel Pentium Intel Core 2 Quad (Q6600) 1G 256M 512M Intel Itanium 2 Intel Pentium 4 Intel Itanium Intel Pentium III Intel Celeron 2G 4G Intel Core 2 Duo (E4300) Intel Itanium (Tukwila) Intel Core i7 (EE-975) 1,00E+02 1,00E+01 1,00E Megj: GPU ATI Radeon 7980 (8.6 milliárd tr.) 28nm FPGA Xilinx Virtex T(6.8 milliárd tr.) 28nm Microprocessor Year Memory

11 Flash memory 2006-II. <50 nm 16 Gbit (max 32 GB) 16 milliárd! Samsung CF NOR technology nm 32 Gbit (max 64 GB) Samsung NAND CF (PRAM t) szept.08 ~20 nm 16 Gbit (max 32 GB) Samsung SSD PRAM technology Órajelnövelés helyett Párhuzamosítás! Többmagos tech. Feature Size Millions of trans. Dissipation (TPD/ACP) Intel Core2 Duo/Extreme 65nm 143 mm millió 2.9 GHz W Conroe AMD Athlon 64 X nm SOI 199 mm millió 2.6 GHz W Windsor IBM Power6 (2 magos) 65nm SOI 341 mm millió <5 GHz >100 W Intel Core2 Duo/Extreme 45nm (HKMG) 2x107mm 2 2 x 410 millió 2.6 GHz 130W Penryn Intel Core2 Quad (4 mag) 65nm 2x143mm 2 2 x 291 millió 2.6 GHz 130 W Conroe AMD Phenom Quad(4 m) 65nm SOI 285 mm millió 2.2GHz 95 W Agena IBM Cell (8 magos) - PS3 90nm SOI 221 mm millió 3.2 GHz 85 W Kvantumszámítógép D-Wave 2007.febr. sokváltozós feladatokra: biometrika, parametrikus adatbázisok, pénzügyi számítások számára

12 Szuperszámítógépek Első szuperszámítógépek LARC: (Livermore US) atom-kutatásokra (1960) IBM 7030 / Strech (1961) MA (2015. szept): 1.) Tianhe-2 (Milky-Way): NUDT TH Cluster, X Ghz + NVIDIA Tesla GPUs, China 3 millió! processzor mag (Intel Xeon Phi E C 2.2 GHz ), 1024 TB memória, P:17800 KW!! PetaFLOP/s teljesítmény!!! 2.) Titan - Cray XK7, AMD Opteron Cores, 2.2GHz, Cray, Oak Ridge LAB, US processzor mag, 710 TB memória, P: 8209 KW!! PetaFLOPs 3.) Sequoia IBM BlueGene/Q, Power BQC 16C 1.60 GHz, Livermore, US 1.5 millió! processzor mag, TB memória!, P: 7890 KW!!! 17.1 PetaFLOPs 4.) K Computer - RIKEN Advanced Institute for Computational Science (AICS), Fujitsu Japan Processzor mag (SPARC64 VIIIfx 2000 MHz), P: KW!! 10.5 PetaFLOPS 1400 TB memória x.) IBM Roadrunner BladeCenter QS22/LS21 Cluster, (LANL, Los Alamos., US) processzor magos rendszer (PowerXCell 8i 3.2 GHz ) GB memória (N/A) millió GFLOPs teljesítmény! (már ~ 1 PetaFLOPs sebességtartomány átlépése) További lehetőségek: FDE parallelizmus átlapolt végrehajtás (látszólagos) pipe-line teljesen párhuzamos végrehajtás (több processzor, vagy mag) pl. CELL BE heterogén multi-core-os rendszerek

13 Szuperszámítógépek Magyarország (TOP-500 listán 2014 óta) # 500/370. NIIFI-Debrecen - Cluster Platform SL250s Gen8, Intel Xeon E5-2650v2 8C 2.6GHz, Infiniband FDR, NVIDIA K20x HP rendszer mag GFLOPs teljesítmény 92 KW Weblap:

14 Szuperszámítógépek Hierarchikus felépítés

15 Tianhe-v2

16 Titan, AMD Opteron 16C, 2.2GHz, Cray, Oak Ridge LAB, US

17 Sequoia IBM BlueGene/Q, Power BQC 16C IBM BlueGene/Q processzor ( mag) Blue Gene/Q chip: - IBM's 45 nm, - peak performance of GFLOPS, GHz, - 55 W, mm (359.5 mm²), milliárd tranzisztor.

18 RIKEN Advanced Institute for Computational Science (AICS)

19 Jaguar Cray XT5-HE Jaguar Cray XT5-HE Opteron Six-Core 2.6 GHz (Oak Ridge Laboratory Tennessee, US) processzor (1.759 millió GFLOPs (~ 1.76 PetaFLOP teljesítmény)

20 IBM Roadrunner supercomputer

21

22 2009. február: AMD X4 Phenom II. (4 mag, 45nm, 3GHz, 758 millió tranzisztor, 125W, Deneb kódnéven)

23 Many-integrated cores Intel Xeon Phi 3100/5110/7120 (Knights Corner) TFLOPs, 12 mag, 22 nm, max 320 GB/sec memória sávszélesség, 300 W, $ Tianhe-2 (2013) Top 1. Intel Knights Landing: Xeon Phi v2 (2015) 14 nm, 3 TFLOPs 72 magos (Intel Atom), 500 GB/sec memória. 200 W

24 Intel Nehalem-EX: 80 mag ISSC 2007 Polaris: 80 mag 65 nm technológia 3D rétegszerkezet 1 TeraFLOPs GHz W Intel Core i7 EE 980x 32nm 3.3 GHz 6 mag / 12 szál 2.2 milliárd tr.

25 Más alternatíva: D-Wave Kvantumszámítógép D-Wave One System (2009): 128 qubit D-Wave Two (2012): 512 qubit D-Wave 2X (2015): qubit qubit : a kvantum-rendszer alapegysége, amellyel Boole algebrában ismert 0 és 1 állapotok két normalizált és kölcsönösen ortogonális kvantum állapot-pár segítségével ábrázolhatók { 0 >, 1 > } Félvezetők helyett szupravezető fémet használnak mágneses vákuumban: niobium (ultra hőmérsékleten) HPC: High Performance Computing alkalmazásokra, parallel-, elosztott számítási struktúra Big data analysis - Optimization Classification - Machine learning etc.