Mikroelektronik und Computer 1940-2010
Raúl Rojas
Freie Universität Berlin
Überblick
• Über Geschichte und Prognosen
• Evolution der Rechnerarchitektur
• Technology Roadmaps
• Prognose für die nächsten zehn Jahre
“I think there is a world market for maybe five computers”
Thomas Watson Senior, Chairman of IBM, 1943
“Some form of voice I/O will be in common use by 1978 at the latest!... A computer will interpret simple spoken sentences by 1975”
Navy Delphi Panel Bernstein, 1969
"Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons."
Popular Mechanics
Vorhersagen
• Nichts ist schwieriger vorherzusagen als die Zukunft !
• Jedoch kann die Geschichte Anhaltspunkte für eine Analyse bieten
• Technology push versus demand pull
• Netzwerkökonomien
• Inventing the future
Wie alles anfing ... USA
ENIAC
University ofPennsylvania
18,000Vakuumröhren
1945
Wie alles anfing ... Deutschland
Konrad Zuses „Z1“
erster programmierbarerRechner der Welt
ca. 2000 Relais
1936-1938
• 60er Jahre: Ära der Mainframes
• 70er: Timesharing und Minicomputer
• 80er: Personal Computer
• 90er: Vernetzte Systeme
Perioden und Basistechnologie
Transistor
Integrierte Schaltungen
Mikroprozessor
Telekom + Switching
60er: Die Ära der Mainframes
1964: System 360 1960: PDP-1
Mainframes: System 360
• Aufhebung der Trennung zwischen wissenschaftlichen und kommerziellen Rechnern - Kompatibilität
• Familie von Rechnern mit Leistungsspektrum 1:100 ! (360, 370, 3090, usw.)
• Emulation der vorherigen Rechnerfamilien
• Killer application (tool): FORTRAN, COBOL
Elektronikmarkt (USA)
Komponenten pro Chip
1994 1999 2004 2009
Gigabit-Chip
Moore Gesetz: Verdopplung alle 18 Monate
70er: Timesharing und der Minicomputer
1971: Die PDP-111971: Die PDP-10
Technology Push
“There is no reason anyone would want a computer in their home”
Ken OlsenPresident, Chairman and founder of Digital, 1977
Basistechnologie: VLSI chips
Linienbreite bei Speicherchips
Submikron-Bereich
1M 4M 16M 64 M
80er: Personal-Computer
Apple I: 1976 IBM PC: 1981
technology push demand pull
Transistoren pro Mikroprozessor
i4004
i8086
i80386
Pentium
i80486
i80286
SU MIPS
R3010
R4400
R10000
1000
10000
100000
1000000
10000000
100000000
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Tra
nsi
stor
s
i80x86
M68K
MIPS
Alpha
100 Mio
10 Mio
1 Mio
0,1 Mio
65 70 75 80 85 90 95 00 05
Die Logik des Marktes
technology push
„killer application“
demand pull
Apple II
VisiCalc
demand pull
IBM PC
Lotus 1-2-3
demand pull
Technology push + Demand Pull
Internet
World Wide Web
100 Millionen Benutzer
Performanz - Verdopplung alle 18 Monate
8/23/99 ©UCB Fall 1999CS152 /
Lec1.15Year
Per
form
ance
0
50
100
150
200
250
30019
82
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
RISC
Intel x86
35%/yr
RISCintroduction
Die Intel-Familie
1975 1980 1985 1990 1995 2000
10 M
1M
100K
10K
40048080
808680286
8038680486 Pentium
Pentium II
Pentium III
Ein neuer Prozessor alle 2-3 Jahre !
Der Aufwand wächst exponentiell
• 1974 erster Mikroprozessor: 0.75 Personen/Jahr
• 1994: Pentium - 600 Personen/Jahr und 5 Mrd. Dollar Investition
• Intel zahlt die großen Investitionen aus dem Massenverkauf
• Der Massenmarkt festigt die Technologie und fördert die Monopolbildung
Konvergenz der Technologie
8/23/99 ©UCB Fall 1999CS152 / Kubiatowicz
Lec1.14
Performance Trends
Microprocessors
Minicomputers
MainframesSupercomputers
1995
Year
19901970 1975 1980 1985
Lo
g o
f P
erf
orm
anc
e
90er: Globale Vernetzung
• Viele inkrementelle Verbesserungen
• Paket-Vermittlung
• Local Area Networks
• TCP/IP Protokoll
Konvergenz vonTelekommunikation undComputertechnologie
Netzwerkökonomien (externalities)
Ein Toaster
Der Gebrauchswert von Computern steigt von alleine !
Das schnelle Wachstum des Internet
InternettersInternetters
PCsPCs
TVs & TelephoneTVs & Telephone
WeltbevölkerungWeltbevölkerung10000
1000
100
10‘95 ‘96 ‘97 ‘98 ‘99 ‘00 ‘01 ‘02 ‘03 ‘04
““1 Gp in 20001 Gp in 2000””NegroponteNegroponteMill.
Mein Modell
Technology push - Ein Jahrzehnt zuvor
Killer application bewirkt Massenmarkt (demand pull)
Schnelle Entscheidung über Standards - Netzwerkökonomien fördern Monopolbildung
Paradigmenwechsel
Die nächsten zehn Jahre
Es ist eine revolutionäre Zeit ...
• Prozessoren: 30% mehr Komponenten pro Jahr, Verdopplung der Geschwindigkeit alle 1,5 Jahre
• Speicher: 60% mehr Kapazität pro Jahr
• Kosten: 25% niedriger pro Jahr
• Festplatten: 60% mehr Kapazität pro Jahr
K
Technology Roadmap
1997 1999 2002 2005 2008 2011 2014
250 180 130 100 70 50 35
64 M 256M 1G 4G 16G 64G 256G
11 21 76 200 520 1400 3620
Linien-breite (nm)
Speicher-chips
Mikro-prozessoren(high volume, Mill. Transistoren)
Die Halbleiterproduzenten synchronisieren ihre Produktzyklen !
I
Wafer-Durchmesser (cm)
1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012
20 30 30 30 30 45 45
M
Lithographie
Noch keinetechnische Lösungen !
Die Kosten der Chip-Fabriken
• Die Kosten einer Chipfabrik verdoppeln sich alle 4 Jahre.
• Chipfabrik in Albuquerque: 2,7 Mrd. Dls.
• Chipfabrik in Phoenix: 2,5 Mrd. Dls.
• 10 Mrd Dls. in 2008?
Der Mikroprozessor der Zukunft
100908070605040302010
0
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
IA-32 IA-64% IntelProzessoren
High-end Bereich
Die IA-64-Architektur
• 128 rotating integer Register• 128 floating-point Register• 8 branch Register• 64 predicate Register• Mit einem Pentium „dazu“• Superscalar - MMX - SIMD extensions• Pipeline: 10 Stufen• Cache Level L1, L2, L3
Festplatten
• 100 GB in 2005 (73 GB in 2000 !)
• 1 Terabyte in 2010
• 10 GB , Einstiegsmodell in 2001
• Ein begnadeter Schriftsteller 3,5 GB in 70 Jahren (a 100 Byte/Zeichen) -- 1000 CDs -- 280 Stunden Video
Inventing the Future
Geräte und Anwendungen der Zukunft
Information appliances - Die Post-PC Ära
• Einfach zu bedienen
• Modular aufgebaut und geschlossen
• Killer application: wireless Web tablet
• Low-end photography
• Low-end video and TV
Web Tablet
Das Ricochet-Netz: 24h connectivity
Alles wird in Cyberspace sein
Region/Region/IntranetIntranet
CampusCampusHeimHeim
KörperKörper
WeltWelt
KontinentKontinent
Das Teledesic Netz - 2004
288 Satelliten in 12 Ebenen
Smart Cars - 53 Millionen jährlich
• GPS Stadt-Informationssysteme
• Sonar cruise control
• High end:
• Spracherkennung
• automatische Überwachung des Fahrers
• Nacht-Sehsysteme
Smart homes
• Mehrere vernetzte Flachbildschirme
• 24-Stunden Verbindung
• Webcam für Sicherheit
• Alle Dateien zugriffsbereit: Bilder, Dokumente, Videos, Briefe
Student der Zukunft
Kopf-Display
wireless
24h Web-Zugriff
Intelligente Schuhe
Mein Fazit
60er: Mainframes
70er: Timesharing - Minicomputer
80er: der isolierte PC
90er: Globale Netz
2000er: Wireless Computing
Die physikalischeGrenzen werden bis2010 noch nicht erreicht
10-jährige Paradigmenwechsel3-jährige Zyklen der Basistechnologie
Ich sagte aber nichts über:
• Sicherheit und Kontrolle - Macht
Information overload
Müll und Recycling
Computer-Abhängigkeit