Aula 2 IEC Março2016

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Introdução à  Engenharia  de  Computação      
(4452A-­02)
Introdução à  Engenharia  de  Computação      
(4452A-­02)
Prof.  Ph.D.  Letícia  Maria  Bolzani  Pöhls
Catholic  University  of  Rio  Grande  do  Sul,  PUCRS
Electronic,  Automation   and  Reliable Embedded   Systems  Laboratory,  EASE
Signals and  Computer   Systems  Group,  SiSC
Integrated Systems  Optimization Group,  OaSIs
Porto  Alegre,  Brazil
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AgendaAgenda
1. Introdução Geral
2. Evolução
3. Introduction  to  ICs
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1.  Introdução  Geral1.  Introdução  Geral
§ Ciência,  tecnologia,  negócios,  entre  outros,  tratam  constantemente  com  
quantidades que  são  medidas,  monitoradas,  manipuladas,  
observadas ou  utilizadas  de  alguma  maneira  na  maioria  dos  sistemas
físicos.
§ Quantidades  diversas  necessitam  ter  seus  valores  representados  de  
modo  eficiente  e  preciso.
§ Existem  duas formas de  representar valores  de  quantidades:
§ Analógica
§ Digital
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1.  Introdução  Geral1.  Introdução  Geral
§ Representações  Analógicas:
§ Uma  quantidade  é  representada  por  um  indicador  proporcional  
continuamente  variável.
§ Ex.:  velocímetro,  termômetros,  etc. (quantidade  física  associada  a  um  
indicador  por  meios  puramente  mecânicos).
§ As  quantidades  analógicas  podem  varia  ao  longo  de  uma  faixa  contínua  
de  valores.
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1.  Introdução  Geral1.  Introdução  Geral
§ Representações  Digitais:
§ As  quantidades  não  são  representadas  por  quantidades  proporcionais,  
mas  por  símbolos denominados  dígitos.
§ Ex.:  relógio  digital  (tempo  varia  de  modo  contínuo,  entretanto  o  que  lemos  
no  relógio  digital  não  varia  continuamente,  ao  contrário,  varia  em  saltos  
ou  degraus  de  um  por  minuto,  ou  um  por  segundo)  – representação  
digital  do  tempo  varia  de  forma  discreta.
§ Analógica  =  contínua
§ Digital  =  discreta  (passo  a  passo)
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1.  Introdução  Geral1.  Introdução  Geral
§ Chave  de  dez  posições
§ A  corrente  que  flui  de  uma  tomada  elétrica
§ A  temperatura  de  um  ambiente
§ Grãos  de  areia  em  uma  praia
§ O  velocímetro  de  um  automóvel
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1.  Introdução  Geral1.  Introdução  Geral
§ Sistema  Digital
§ É  definido  como  uma  combinação  de  dispositivos  projetados  para  
manipular  informação  lógica  ou  quantidades  físicas  que  são  
representadas  em  formato  digital,  ou  seja,  as  quantidades  podem  assumir  
valores  discretos.
§ Dispositivos  são  na  sua  grande  maioria  eletrônicos  (mecânicos,  
magnéticos,  pneumáticos)
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1.  Introdução  Geral1.  Introdução  Geral
§ Sistema  Analógico
§ É  definido  como  um  sistema  que  contém  dispositivos  que  manipulam  
quantidades  físicas  que  são  representadas  na  forma  analógica  
(quantidades  podem  variar  ao  longo  de  uma  faixa  contínua  de  valores).
§ Ex.:  amplitude  do  sinal  da  saída  de  um  alto  falante  em  um  receptor  de  
radio
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1.  Introdução  Geral1.  Introdução  Geral
§ Vantagens  das  técnicas  digitais
§ Sistemas  digitais  são  geralmente  mais  fáceis de  serem  projetados
(circuitos  de  chaveamento,  nos  quais  não  importam  os  valores  exatos  de  
tensão  ou  corrente,  mas  apenas  a  faixa  “High”  ou  “Low”  na  qual  se  
encontram)
§ Armazenamento da  informação  é  mais  fácil (armazenam  e  mantêm  
bilhões  de  bits de  informação  em  um  espaço  físico  relativamente  
pequeno)
§ É  mais  fácil manter  a  precisão e  exatidão do  sistema (uma  vez  que  o  
sinal  é  digitalizado,  a  informação  não  se  deteriora  ao  ser  processado)
§ As  operações podem  ser  programadas (operação  controlada  por  um  
conjunto  de  instruções  armazenadas  denominadas  programa)
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1.  Introdução  Geral1.  Introdução  Geral
§ Vantagens  das  técnicas  digitais  (cont.)
§ Circuitos  menos afetados por  ruído (hoje  depende  da  tecnologia  
utilizada)
§ Circuitos  Integrados  (CIs)  com  mais  dispositivos  internos  (alta  
densidade)
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1.  Introdução  Geral1.  Introdução  Geral
§ Limitações  das  técnicas  digitais  
§ O  mundo  real  é  totalmente  analógico
§ Processar  sinais  digitalizados  leva  tempo
§ Assim,  torna-­se  necessário,  quando  lidamos  com  entradas  e  saídas  
analógicas:
§ Converter  a  variável  física  em  um  sinal  elétrico  (analógico)
§ Converter  as  entradas  elétricas  (analógicas)  do  mundo  real  no  formato  digital
§ Realizar  o  processamento  (operação)  da  informação  digital
§ Converter  as  saídas  digitais  de  volta  ao  formato  analógico  (o  formato  do  mundo  
real)
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2.  Evolução2.  Evolução
§ 1832:  Babbage’s  Difference  Engine
§Primeira  calculadora  automática  – funções  polinomiais
§ 25.000  partes  mecânicas
§ Custo  de  £17.470
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2.  Evolução2.  Evolução
§ 1946:  ENIAC
§Primeiro computador digial eletrônico de  grande escala
§ 30  toneladas,  5,5  metros  de  largura e  25  metros  de  compirmento
§ 70  mil  resistores e  aproximadamente 80.000  válvulas a  vácuo
Confiabilidade  (reliability)
Consumo  de  energia  (power
consumption)
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2.  Evolução2.  Evolução
§ 1947:  Invenção do  transistor  (Bell  Telephone  Laboratories,  Bardeen)
§ 1948:  Invenção do  transistor  de  junção bipolar  (Schockley)
§
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2.  Evolução2.  Evolução
§ 1962:  Primeira  família  de  Circuitos  Integrados  – TTL  (Transistor-­
Transistor  Logic)
§Permitiu  a  integração  – densidade
§ National e  Texas  Instruments
§ Domínio  até:  1980
§
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2.  Evolução2.  Evolução
§ 1963:  Primeiras  portas  lógicas  utilizando  MOSFETS  (Metal  Oxide  
Semiconductor Field  Effect Transistors).  As  portas  lógicas  utilizam:
§ nMOS
§ pMOS
§ CMOS  (Complementary Metal  Oxide  Semiconductor)
§ Observação:  MOSFET  foi  proposto  em  1935  por  Oskar Heil –
problemas  com  o  material
§
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2.  Evolução2.  Evolução
§ Circuitos Integrados modernos são dominados  pela  tecnologia  
CMOS
§
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2.  Evolução2.  Evolução
§ 1972:  Primeiromicroprocessador 4004  (Intel)  
§ 4-­bit  microprocessor  – nMOS
§ Consumo de  energia virou uma preocupação em 1980  devido a  alta
capacidade de  integração
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2.  Evolução2.  Evolução
§ 1994:  Pentium  (Intel)  
§ 1M  de  transistores
§ Frequência de  operação maior que 100MHz
§
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3.  Introduction to ICs3.  Introduction to ICs
§ Integrated  Circuit  (IC)  technology  has  evolved  in  1960s  from  the  
integration  of  a  few  transistors,  Small  Scale  Integration  (SSI),                                                      
to  the  integration  of  millions  of  transistors,                                                                                                
Very  Large  Scale  Integration  (VLSI),  into  a  small  silicon  area  
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3.  Introduction to ICs3.  Introduction to ICs
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3.  Introduction to ICs3.  Introduction to ICs
§ Transistor  size  trends
Transistor   (90nm)
Influenza   virus
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3.  Introduction to ICs3.  Introduction to ICs
§ Clock  frequency  trends  
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3.  Introduction to ICs3.  Introduction to ICs
§ ICs’  density  trends
1970  – 256  Bits  (SRAM)  Fairchild  
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3.  Introduction to ICs3.  Introduction to ICs
§ Power  supply  trends
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3.  Introduction to ICs3.  Introduction to ICs
§ Cost  per  transistor  trends
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3.  Introduction to ICs3.  Introduction to ICs
§ Theoretical  transistor  gate  length:  around  1.5nm
§ 65nm  CMOS  process:  minimum  gate  length:  39nm
§ (26x  larger  than  in  theory)
§ Theoretical  gate  delay:  0.04ps
§ 65nm  CMOS  logic:  NAND2  is  around  1ps
§ (24x  slower  than  in  theory)
§ Transistor  density  reaches  its  limits  with  1.8  billion  transistors  per  cm2
§ 65nm  CMOS  device  is  6x  larger  than  in  theory
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3.  Introduction to ICs3.  Introduction to ICs
§ Technology  trends  show  that:
§ Delay  and  supply  voltage  have  scaled  down  by  30%  in  every  generation
§ Performance  and  transistor  density  have  doubled  every  two  years
[K.  Roy  et.  al.,  Leakage  Current  Mechanisms  and  Leakage  Reduction  Techniques  in  Deep-­Submicrometeer CMOS  Circuits,  
Proceedings  of  the  IEEE,  2003]