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