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
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)
Kapcsolódó jegyzet, segédanyag: http://www.virt.uni-pannon.hu Oktatás Tantárgyak Digitális Áramkörök (Villamosmérnöki BSc / Mechatronikai mérnök BSc/MSc). Fóliák, óravázlatok (.ppt) Frissítésük folyamatosan
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.
Tárgyalt ismeretkörök: Bővebben: (tematika) http://virt.uni-pannon.hu/index.php/component/docman/doc_download/108-tematikadigitakweb 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).
Hol tart ma az digitális technológia?
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-2 9500 (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
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
! Prognózis kb. 1999-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 1995 0.35 190 0,064 250 4 300 4-5 900 1998 0.25 280 0,256 300 7 450 5 1350 2001 0.18 420 1 360 13 600 5-6 2000 2004 0.13 640 4 430 25 800 6 2600 2007 0.09 960 16 520 50 1000 6-7 3600 2010 0.07 1400 64 620 90 1100 7-8 4800 2. NOW and near future: 2004 0.09-0.13 3600 7 end of 2005 0.065 110 70 Mbit 500? 8 2009* 0.03 *EUV: extrem UV lithographical technique I/O /chip
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 2010. 4004 1K 8080 16K 8008 4K 8086 64K 256K 8088 1M 4M Intel 386 Intel 286 16M 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+00 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Megj: GPU ATI Radeon 7980 (8.6 milliárd tr.) 28nm FPGA Xilinx Virtex-7 2000T(6.8 milliárd tr.) 28nm Microprocessor Year Memory
Flash memory 2006-II. <50 nm 16 Gbit (max 32 GB) 16 milliárd! Samsung CF NOR technology 2008 40-20 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 2 291 millió 2.9 GHz 65-125 W Conroe AMD Athlon 64 X2 5200+ 90nm SOI 199 mm 2 233 millió 2.6 GHz 65-80 W Windsor IBM Power6 (2 magos) 65nm SOI 341 mm 2 700 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 2 463 millió 2.2GHz 95 W Agena IBM Cell (8 magos) - PS3 90nm SOI 221 mm 2 231 millió 3.2 GHz 85 W Kvantumszámítógép D-Wave 2007.febr. sokváltozós feladatokra: biometrika, parametrikus adatbázisok, pénzügyi számítások számára
Szuperszámítógépek Első szuperszámítógépek LARC: (Livermore US) atom-kutatásokra (1960) IBM 7030 / Strech (1961) MA (2015. szept): www.top500.org 1.) Tianhe-2 (Milky-Way): NUDT TH Cluster, X5670 2.93Ghz + NVIDIA Tesla GPUs, China 3 millió! processzor mag (Intel Xeon Phi E5-2692 12C 2.2 GHz ), 1024 TB memória, P:17800 KW!! 33.86 PetaFLOP/s teljesítmény!!! 2.) Titan - Cray XK7, AMD Opteron 6274 16Cores, 2.2GHz, Cray, Oak Ridge LAB, US 560640 processzor mag, 710 TB memória, P: 8209 KW!! 17.59 PetaFLOPs 3.) Sequoia IBM BlueGene/Q, Power BQC 16C 1.60 GHz, Livermore, US 1.5 millió! processzor mag, 15728 TB memória!, P: 7890 KW!!! 17.1 PetaFLOPs 4.) K Computer - RIKEN Advanced Institute for Computational Science (AICS), Fujitsu Japan 705024 Processzor mag (SPARC64 VIIIfx 2000 MHz), P: 12660 KW!! 10.5 PetaFLOPS 1400 TB memória x.) IBM Roadrunner BladeCenter QS22/LS21 Cluster, (LANL, Los Alamos., US) 129 600 processzor magos rendszer (PowerXCell 8i 3.2 GHz ) 73 728 GB memória (N/A) 1.105 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
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 3 696 mag 203.3 GFLOPs teljesítmény 92 KW Weblap: http://www.niif.hu
Szuperszámítógépek Hierarchikus felépítés
Tianhe-v2
Titan, AMD Opteron 16C, 2.2GHz, Cray, Oak Ridge LAB, US
Sequoia IBM BlueGene/Q, Power BQC 16C IBM BlueGene/Q processzor (16 + 2 mag) Blue Gene/Q chip: - IBM's 45 nm, - peak performance of 204.8 GFLOPS, - @1.6 GHz, - 55 W, - 19 19 mm (359.5 mm²), - 1.47 milliárd tranzisztor.
RIKEN Advanced Institute for Computational Science (AICS)
Jaguar Cray XT5-HE Jaguar Cray XT5-HE Opteron Six-Core 2.6 GHz (Oak Ridge Laboratory Tennessee, US) 224 162 processzor (1.759 millió GFLOPs (~ 1.76 PetaFLOP teljesítmény)
IBM Roadrunner supercomputer
http://www.ibm.com
2009. február: AMD X4 Phenom II. (4 mag, 45nm, 3GHz, 758 millió tranzisztor, 125W, Deneb kódnéven)
Many-integrated cores Intel Xeon Phi 3100/5110/7120 (Knights Corner) 1-1.2 TFLOPs, 12 mag, 22 nm, max 320 GB/sec memória sávszélesség, 300 W, 2000-4000 $ 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
Intel Nehalem-EX: 80 mag ISSC 2007 Polaris: 80 mag 65 nm technológia 3D rétegszerkezet 1 TeraFLOPs. 4-5.1 GHz 100 175 W Intel Core i7 EE 980x 32nm 3.3 GHz 6 mag / 12 szál 2.2 milliárd tr.
Más alternatíva: D-Wave Kvantumszámítógép D-Wave One System (2009): 128 qubit D-Wave Two (2012): 512 qubit D-Wave 2X (2015): 1000+ 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. http://www.dwavesys.com