Passado e futuro das tecnologias da informática

1. Passado e futuro das tecnologias da informática

2. Chama-se genericamente Informática ao conjunto das Ciências da Informação, estando incluídas neste grupo: a teoria da informação, o processo de cálculo, a análise numérica e os métodos teóricos da representação dos conhecimentos e de modelagem dos problemas. • Habitualmente usa-se o termo informática para referir especificamente o processo de tratamento automático da informação por meio de máquinaseletrônicas definidas como computadores.

3. A minha definição de Informática • Processamento de informação • Armazenamento de informação • Transmissão de informação

4. Tópicos • História • A tecnologia de hoje e os problemas • Limites físicos • Possibilidades

5. Máquinas de cálculo automático

6. O estudo da informação começou na matemática quando nomes como Alan Turing, Kurt Gödel e Alonzo Church, começaram a estudar que tipos de problemas poderiam ser resolvidos, ou computados de forma automática. • A motivação por trás destas pesquisas era o avanço da automação durante a revolução industrial e da promessa que máquinas poderiam futuramente conseguir resolver os mesmos problemas de forma mais rápida e mais eficaz.

7. A primeira considerada máquina de calcular foi desenvolvida por Wilhelm Schickard (1592-1635). Esta fazia multiplicação e divisão, mas foi perdida durante a Guerra dos Trinta Anos. • A primeira calculadora capaz de realizar as operações básicas de soma e subtração foi inventada em 1642 pelo filósofo, físico e matemático francês Blaise Pascal (1623-1662).

8. Em 1671, o filósofo e matemático alemão de Leipzig, Gottfried Wilhelm Leibniz (21 de junho de 1646- 14 de novembro de 1716) introduziu o conceito de realizar multiplicações e divisões através de adições e subtrações sucessivas. Em 1694, a máquina foi construída, no entanto, sua operação apresentava muita dificuldade e cometia erros. • Em 1820, o francês natural de Paris, Charles Xavier Thomas, conhecido como Thomas de Colmar, (1785-1870) projetou e construiu uma máquina capaz de efetuar as 4 operações aritméticas básicas: a Arithmometer. Esta foi a primeira calculadora realmente comercializada com sucesso. Ela fazia multiplicações com o mesmo princípio da calculadora de Leibnitz e efetuava as divisões com a assistência do usuário.

9. Em 1801, na França, durante a Revolução Industrial, Joseph Marie Jacquard, mecânicofrancês, (1752-1834) inventou um tear mecânico controlado por grandes cartões perfurados. Sua máquina era capaz de produzir tecidos com desenhos bonitos e intrincados. Foi tamanho o sucesso que Jacquard foi quase morto quando levou o tear para Lyon, pois as pessoas tinham medo de perder o emprego. Em sete anos, já havia 11 mil teares desse tipo operando na França.

10. O brilhante matemático inglês Charles Babbage (26 de dezembro de 1791 - 18 de outubro de 1871) é conhecido como o "Pai do Computador". Babbage projetou o chamado "Calculador Analítico", muito próximo da concepção de um computador atual. • O projeto, totalmente mecânico, era composto de uma memória, um engenho central, engrenagens e alavancas usadas para a transferência de dados da memória para o engenho central e dispositivos para entrada e saída de dados. O calculador utilizaria cartões perfurados e seria automático. • Em parceria com Charles Babbage, Ada Augusta (1815-1852) ou Lady Lovelace, filha do poeta Lord Byron, era matemática amadora entusiasta. Ela se tornou a pioneira da lógica de programação, escrevendo séries de instruções para o calculador analítico. Ada inventou o conceito de subrotina, descobriu o valor das repetições - os laços (loops) e iniciou o desenvolvimento do desvio condicional.

11. Há uma grande polêmica em torno do primeiro computador. O Z-1 é considerado por muitos como o primeiro computador eletromecânico. Ele usava relés e foi construído pelo alemão Konrad Zuse (1910-1995) em 1936. Zuse tentou vendê-lo ao governo para uso militar, mas foi subestimado pelos nazistas, que não se interessaram pela máquina.

12. Com a II Guerra Mundial, as pesquisas aumentaram nessa área. Nos Estados Unidos, a Marinha, em conjunto com a Universidade de Harvard e a IBM, construiu em 1944 o Mark I, um gigante eletromagnético. Num certo sentido, essa máquina era a realização do projeto de Babbage. • Mark I ocupava 120 m2, tinha milhares de relés e fazia muito barulho. Uma multiplicação de números de 10 dígitos levava 3 segundos para ser efetuada.

13. O engenheiro John Presper Eckert (1919-1995) e o físico John Mauchly (1907-1980) projetaram o ENIAC: Eletronic Numeric Integrator And Calculator. Com 18 000 válvulas, o ENIAC conseguia fazer 500 multiplicações por segundo, porém só ficou pronto em 1946, vários meses após o final da guerra. Os custos para a manutenção e conservação do ENIAC eram proibitivos, pois dezenas a centenas de válvulas queimavam a cada hora e o calor gerado por elas necessitava ser controlado por um complexo sistema de refrigeração, além dos gastos elevadíssimos de energia elétrica.

14. O matemático húngaro John von Neumann (1903-1957) formalizou o projeto lógico de um computador. • Em sua proposta, von Neumann sugeriu que as instruções fossem armazenadas na memória do computador. Até então elas eram lidas de cartões perfurados e executadas, uma a uma. Armazená-las na memória, para então executá-las, tornaria o computador mais rápido, já que, no momento da execução, as instruções seriam obtidas com rapidez eletrônica.

15. 1906: Vacuum Tube : Triode Lee De Forest (from H. Iwai)

16. J. E. LILIENFELD DEVICES FOR CONTROLLED ELECTRIC CURRENT Filed March 28, 1928 J.E.LILIENFELD (from H. Iwai)

17. 1936 - Grupo de estado sólido na Bell Labs • 1940 - R. Ohi, identifica Si tipo p e tipo n • 1940 - 1945, desfeito o grupo da Bell Labs • 1946 - Novo grupo na Bell - W. Shockley • 1947/Dez., Bardeen e Brattain descobrem o efeito transistor bipolar

19. J. Bardeen, W. Brattain, W. Shockley

20. 1948 - 1950: Shockley - teoria BJT • 1952: Bell Labs licencia a patente para outras empresas: Texas, Sony, etc. • 1956: prêmio Nobel de Física • 1955: Shockley deixa a Bell e cria empresa Shockley Semicond., no Silicon Valey. • 1957: R. Noyce, G. Moore e outros, deixam a Shockley Semicond., criam Fairchild. • 1968: Noyce, Moore, Grove, criam Intel. • Multiplicam-se as empresas no Vale do Si.

21. 1958: J. Kilby, Texas Inst., patente de CI, usando processo rudimentar:

22. Processo Planar • 1958 - J. Hoerni, Fairchild, processo planar: Superfícia do Si oxidado + fotogravação, abertura de janelas para difusão, vários no mesmo plano.

23. 1959: 1o Circuito Integrado Planar Robert N. Noyce (from H. Iwai)

24. Primeiro CI - Fairchild

25. 1960: Primeiro MOSFET, por D. Kahng and M. Atalla (from H. Iwai)

26. 1964 - Op-Amp A702, Fairchild

27. 1965 - Op-Amp A709, Fairchild

28. 1970 - SRAM 256 Bit, Fairchild

29. 1970 - 1024 Bit DRAM, Intel

30. 1970 - CCD 8 Bit, Bell Labs

31. 1971 - Microprocessador 4004,Intel

32. 2001 - 256Mbit DRAM (TOSHIBA) (from H. Iwai)

33. Systems: from 1946 to 1997 Single chip version of ENIAC machine designed also at University of Pennsylvania by Prof. van der Spiegel and studentsin 0.5 um CMOS7.44mm x 5.29mm; 174,569 transistors Original ENIAC machine at University of Pennsylvania Speed: 5,000 additions or 10 multiplications/sec* 17,500 vacuum tubes* 174 KW * 18,000 sq ft

34. Devices: from 1947 to 1997

35. System: from 1954 to 2005 • INTEL P4, 90 nm CMOS • In this technology, 1000 gates have: • Area: 30x30 mm • Power @ 1 MHz: 1 mW • Potential speed: ~10 GHz TRADICFirst transistorized computer Bell Labs 1954* 700 transistors* 10,000 diodes* Speed ~ 1 MHz * Power ~ 100 W

36. Circuits: from 1961 to 2005 The Intel “Montecito” microprocessor, 2005

37. The Computer, Then and Now Laptop (2001) $2000 500,000,000 additions/sec 2 kg < 45 W 300,000,000 transistors ENIAC (1946) >$1,000,000 5,000 additions/sec 30,000 kg 174,000 W 17,468 Tubes ~10-3 105 ~10-4 ~10-4 ~104 (from M. Green)

38. Aplicando as mesmas escalas ao carro:

39. Os problemas da tecnologia hoje • Correntes de fuga aumentam • Se chegou velocidade de saturação dos portadores de carga • Aumento dos atrasos por causa de RC • Variabilidade estatística dos parâmetros • Consumo de potência

40. Scaling of MOSFET Dimensions 30 10 Lc 1 Wc Gate Gate Oxide Thickness (nm) Channel Length or Junction Depth (mm) 100 0.1 Source Drain Xj Silicon 10 0.01 TOX 2 1970 1980 1990 2000 1960 Year (from M. Green)

41. Texas Instruments data - 2006

42. ITRS2001 – dimensões em nm Transistor pMOS, L = 6 nm, (IBM-2004)

43. Qi Xinag, ECS 2004, AMD

44. Lithography Original layout OPC corrected mask

45. Atomistic view of 40 nm device From Asenov, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICESVOL. 50, NO. 9, SEPTEMBER 2003

46. Atomic Consequences of scaling • Example: • Volume under the gate:V = 25 nm * 100 nm * 25 nm = 62.5x10-18 cm3 • Channel concentration:Nchan ~ 1.0x1018 /cm3 • Number of dopants in volume:natoms ~ 62 • Statistical variation ~ 8 atoms, i.e. 12% L W xj

47. … and consequences for real electrical parameters Ids vs Vgs curve for a 40 nm NMOS device 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Vgs (Volts) From: C. Bowen, G. Klimeck, M. Goodwin and D. Chapman, TI

48. Canal de SiGe ou Si tensionado • Modificação da estrutura de bandas E - k • Maior mobilidade • Maior vel. de saturação

49. Strained Silicon: Higher Mobility

50. Strained Silicon: Higher mobility From: M. Jurczak et al., ESSDERC 1999