NOWE TECHNOLOGIE

Transkrypt

1 NOWE TECHNOLOGIE IBM Dialog z przyrodą musi być prowadzony w języku matematyki, w przeciwnym razie przyroda nie odpowiada na nasze pytania. Michał Heller Koniec technologii krzemowej? Prawo Moora i jego konsekwencje (czyli o postępie technologicznym); Nanotechnologia I (czyli nano jest trendy) Kwanty, stany, pasma (czyli mechanika kwantowa dla początkujących); Nanotechnologia II, III, IV (studnie, druty, kropki; nanorurki i nanomaszyny); Spintronika stosowana; Dlaczego elektrony kręcą? (czyli o spinie); Kwantowa kryptografia i teleportacja I i II (czyli o splątaniu kwantowym oraz kodach i kluczach); Komputery kwantowe I i II (czyli o przyszłych informatykach oraz o przyszłych komputerach) Badania i postęp (czyli o finansowaniu badań); W smutnym kolorze blue (czyli o niebieskim laserze i białych diodach); Optoelektronika (czyli o manipulowaniu światłem); Nieliniowo, adaptacyjnie i femtosekundowo, czyli ekstremalnie w optyce; Czy komputer moŝe myśleć? Prezentacja prac studentów Uwaga: Wykład moŝe być zaliczony do godzin pozakierunkowych: przedmioty ogólnouniwersyteckie Wydziału Fizyki kod: -NT-OG Wykłady FUW M. Grynberg Eksperyment fizyczny w warunkach ekstremalnych (Czw..5-2.) Seminarium fizyki ciała stałego (Pt..5-2.) R. Stępniewski Fizyka ciała stałego (Pon..5-2.) T. Dietl, J. Majewski Physical foundation of nanotechnology (Śr..5-2.) D. Wasik, T. Stacewicz Wstęp do optyki i fizyki ciała stałego (Śr ) Cz. Radzewicz Wybrane zagadnienia optyki (Pt ), Optyka instrumentalna (Czw ) J. Dobaczewski Mechanika kwantowa I (Wt , Pt ) J. Baranowski Fizyka materiałów i nanostruktur I (Czw ) Electronic properties of solids (ang.) (Śr ) J. Tworzydło Wstęp do kwantowej teorii układu wielu cząstek Nowe technologie Zadania Studenckie Do zaliczenia wykładu wymagana będzie obecność na co najmniej zajęciach oraz KRÓTKIE sprawozdanie: Tematy sprawozdań zegarek, komputer, komórka, TV, Hi-Fi, samochód, dom za -2-3 lat co by było fajnie mieć (wehikuł czasu? tanie źródło energii? antygrawitację? działko na komary?...) co by warto zmniejszyć (powiększyć) i dlaczego? interface człowiek-maszyna za kilkanaście lat. pilot do TV przyszłości rozrywka w następnych dekadach problemy świadomych maszyn i ich relacje z ludźmi kuchnia przyszłości usługi sieciowe wyzwania technologii krzemowej (litografii, processingu, testow itp) synergie (czyli łączenie produktow/modeli): procesor+pamięć+video+..., komorka+komputer+palm+... drukarka+kopiarka+fax+..., TV+DVD+konsola+... nośniki danych łączność i lokalizacja id karty - uniwersalny dowód osobisty/prawo jazdy/karta płatnicza/i co jeszcze? zagroŝenia prywatności zagroŝenia: piractwo kontra copyright nowe usługi i modele biznesowe co moŝna zmieścić w zegarku? disruptive technologies dzisiaj Najlepsze sprawozdania studenci będą mogli zaprezentować na ostatnim wykładzie!

2 Nowe technologie l. Jak nie palę papierosów Jak palę papierosy Koniec technologii krzemowej? Prawo Moora i jego konsekwencje. a. b. Jak to działa i. Trochę logiki ii. iii. c. Prawo Moora Od bramki do bramki Jak działa tranzystor i. Nanotechnologia ii. iii. Domieszki koncentracja i statystyka Tunelowanie iv. Chłodzenie Amara's law is a maxim stating: We tend to overestimate the effect of a technology in the short run and underestimate the effect in the long run.. Początek XIX w. ok.. 8 Francuz Joseph Jacquard i jego krosna (sprzeciw w Lyonie). George Boole (85-865) Źródło: Prof.. Ryszard Tanas 2

3 2. Połowa XIX w. Anglik Charles Babbage i jego maszyna analityczna. Skonstruowana w r. w Science Museum w Londynie. Urządzenie składa się z 4 części i waŝy ponad 3 tony. Podobnie jak i drukarka. komputer drukarka Źródło: Koniec XIX w. Herman Hollerith wynalazł maszynę liczącą, którą moŝna było programować przy pomocy kart. Wykorzystano ją w 89 r w spisie powszechnym w USA. W 9 r. Hollerith's Tabulating Machine Company łączy się z dwoma innymi Computing Scale Company of America oraz International Time Recording Company. Powstaje Computing-Tabulating-Recording Company (C-T-R). W 924 r. zmienia nazwę na International Business Machines Corporation IBM. Źródło: IBM 945 ENIAC lampowa maszyna licząca, zawierała 8 lamp próŝniowych, 7 oporników oraz 5 milionów połączeń. ZuŜywała 6 kilowatów energii. Zaprojektowana przez Jouna Prospera Eckerta (99-995) i Johna Mauchly ego (97-98). WaŜyła 27 ton, zajmowała 46 m 3, i mogła dodać 5, numerów/s. 5. W połowie lat 4-tych John von Neuman wymyślił projekt maszyny EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) z pamięcią do przechowywania danych i programów oraz z centralną jednostką procesorową William Schockley, John Bardeen oraz Walter Brattain z Bell Labs wymyślają tranzystor (Nobel 956) 7. Rok października komputer ENIAC zostaje ostatecznie wyłączony i zdemontowany. Firma Semiconductor Laboratory, załoŝona przez Williama Shockley'a, jest pierwszą załoŝoną w Dolinie Krzemowej. 7. Lata 5 XX w. superkomputer IBM Lata 6 XX w. minikomputer Digital Equipment Corporation 9. W 969 r. Intel Corporation dostaje zamówienie na układ do japońskiego kalkulatora... J. Von Neuman, źródło Wikipedia Eniac - max. 6h Źródło: 3

4 Jak to działa? Trochę logiki NOT OR AND WEJŚCIE WYJŚCIE Sumator: = = = = = 2 = = 3 = = 4 = - Jak to działa? Trochę logiki NOT OR AND WEJŚCIE WYJŚCIE 2 Jak to działa? Trochę logiki Jak to działa? Trochę logiki NAND NOT OR AND XOR NOR NAND XNOR 4

5 Od bramki do bramki. AND OR AND OR Od bramki do bramki. Lampa próŝniowa jako przełącznik Potrzeba było przełączników: szybkich i niezawodnych. Na początku (r)ewolucji koszty, rozmiar, pobór mocy, łatwość obsługi, uniwersalność, skalowalność, kompatybilność nie miały duŝego znaczenia Eniac - max. 6h Jak działa tranzystor? 948 William Schockley, John Bardeen oraz Walter Brattain z Bell Labs wymyślają tranzystor (Nobel 956) Źródło:

6 Półprzewodniki dziury elektrony Nośniki: Domieszki: Akceptory (typ p) Donory (typ n) 955 Shockley Semiconductor pierwsza firma w Palo Alto (krzemowej dolinie) Rok 956 IBM tworzy pierwszy dysk twardy - RAMAC 35. Jego pojemność to 5MB,natomiast cena - milion dolarów. W laboratoriach MIT ukończony zostaje pierwszy komputer tranzystorowy. A. Newell, D. Shaw i F. Simon wynajdują IPL (Information Processing Language - język przetwarzania informacji). 957 Fairchild Semiconductor na skutek nieporozumień z Shockleyem odchodzą z firmy: Julius Blank, Victor Grinich, Gordon E. Moore, Robert W. Noyce, Jean Hoerni, Gene Kleiner, Jay Last, Sheldon Roberts ( zdradziecka 8-ka ). Ken Olsen i Harlan Anderson zakładają firmę DEC (Digital Equipment Corporation) Oficjalnie opublikowany zostaje język FORTRAN-, stworzony przez Johna Backusa i jego współpracowników z IBM. FORTRAN uŝywa zapisu podobnego do tego z algebry. Dlatego teŝ język ten stanie się popularny, szczególnie wśród naukowców i techników. 958 Pierwszy układ scalony (IC Integrated Circuit) wykonany przez Jack Kilby na germanie w Texas Instruments (2 Nagroda Nobla z fizyki). NiezaleŜnie Robert Noyce (Fairchild) zbudował IC na krzemie. Źródło: Prawo Moore a "The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year. Certainly over the short term this rate can be expected to continue, if not to increase. Over the longer term, the rate of increase is a bit more uncertain, although there is no reason to believe it will remain nearly constant for at least years." (Moore, Electronics 965) Ilość układów 2 Ok. rok i 5 mies Rok Źródło: Wikipedia, Intel, 8 lipca 968 Gordon E. Moore i Robert W. Noyce załoŝyli w kalifornijskim Mountain View w hrabstwie Santa Clara (zaledwie kilka mil od Palo Alto), firmę N M Electronics, wkrótce przemianowaną na Intel (Intel = Integrated Electronics). 969 r. Intel Corporation dostaje zamówienie na układ do japońskiego kalkulatora... i44 Data wprowadzenia:5 listopada 97 Ilość tranzystorów: Technologia: µm, PMOS Wielkość płytki krzemu:2 mm 2 Szybkość pracy Taktowanie rdzenia proc.:8 khz (.6 MIPS) Taktowanie magistrali sys.:jak rdzeń procesora Szerokość magistrali danych (wewn./zewn.):4 bity (adresów 2 bitów) i88 Data wprowadzenia:kwiecień 972 Ilość tranzystorów:3 5 Technologia: µm, PMOS Wielkość płytki krzemu:9 mm 2 Szybkość pracy Taktowanie rdzenia proc.:2 khz (.6 MIPS), magistrali sys.:2 khz Szerokość magistrali danych (wewn./zewn.):8 bitów Szerokość magistrali adresowej:4 bitów Źródło: Wikipedia, Intel, 6

7 Źródło: Altair (i jego klony) procesor Intel 88 Bill Gates i Paul Allen piszą wersję BASICa na Altair A gdzie jest ekran i klawiatura? Apple I (976) 386 (985) i88 (974) 286 (982) i888 (978) IBM PC Pentium (993) Pentium III (999) Źródło: Intel Pentium 4 (2) 42 tranzystorów technologia.8 mikrona. Zegar.5 GHz 6 warstw Rozmiar procesorów Intel (w skali) Nanotechnologia Core Duo Extreme X68 (26) 29 tranzystorów technologia 65 nm Zegar 2,93 GHz 8 warstw Moc 75 W Pentium D 9 (26) 376 tranzystorów technologia 65 nm Zegar 3,2 GHz 8 warstw Moc 5W AMD Athlon 64 FX-62 (26) tranzystorów technologia 9 nm. Zegar 2,8 GHz 9 warstw Moc 25W Źródło: Intel, µm = 9 nm Na czubku ludzkiego włosa zmieściłoby się obecnie ok..5 układu Intel 44 7

8 TRENDY: Pierwsze Prawo Moore a Źródło: Intel Nanotechnologia.2 nm SiO 2 9 nm generation transistor (Intel 23) Źródło: Intel Nanotechnologia TRENDY: Pierwsze Prawo Moore a Rozmiary Wirus Ebola 6 nm Średnica ludzkiego włosa nm Średnica krwinki czerwonej Ilość komponentów (tranzystory, połączenia, izolacje itd.) w IC podwaja się co około 8 miesięcy. Rozmiar liniowy komponentów równieŝ zmniejsza się wykładniczo w czasie. Dł. fali światła widzialnego Rhinowirus 3 nm Ebola Najnowszy tranzystor Intela nm Promień Bohra,5 nm Średnica DNA, nanorurek 2nm Źródło: 5-Processing_Technology Te trendy nie mogą być kontynuowane w nieskończoność. Co zastąpi technologię Si? Z czego będzie wynikała ta zmiana technologii? EKONOMIA Źródło: Intel 8

9 PROBLEM: Drugie Prawo Moore a Koszt pojedynczego komponentu maleje wykładniczo o ok. 35% na rok. ALE: Koszt fabryki produkującej chipy rośnie takŝe wykładniczo! W 225 roku fabryka procesorów kosztowałaby bilion USD ( 2 USD) Ten trend w oczywisty sposób równieŝ nie moŝe być kontynuowany! (Arthur Rock s law) Źródło: Intel Myślimy, Ŝe tranzystor jest zbudowany tak. Asen Asenov, Glasgow David Williams Hitachi-Cambridge Granice miniaturyzacji? 25 nm MOSFET Produkcja od 28 4,2 nm MOSFET Produkcja??? IEEE Trans Electron Dev 5(9), 837 (23) NO EXPONENTIAL IS FOREVER... BUT WE CAN DELAY FOREVER International Technology Roadmap for Semicond. SEMATECH: międzynarodowe konsorcjum producentów półprzewodników określa cele, opłaca badania nad rozwiązaniem problemów dotyczących wszystkich, w jego skład wchodzą: AMD, Agere Systems, Hewlett-Packard, Hynix, Infineon Technologies, IBM, Intel, Motorola, Philips, STMicroelectronics, Texas Instruments Stara się zdefiniować wyzwania technologiczne, określić dalsze cele i przewidzieć ich specyfikację, koszt, wydajność, czas wdroŝenia itp. Tranzystor Elementy pamięci Gordon Moore, 23 Źródło: Intel, Sematech 9

10 PROBLEM (?): Zjawiska kwantowe Źródło: Intel, Sematech PROBLEM: Statystyka domieszek 22 atomów Si 7 domieszek Rozmiar tranzystora 5 nm Średnia ilość domieszek 2.5 PROBLEM: Tunelowanie PROBLEM: Chłodzenie Z roku na rok układy wymagają większej mocy do wykonywania operacji logicznych. Power (Watts) Mainframe Chips (liquid cooled) P6 Pentium proc Year

11 7 tranzystorów pracujących z częstością.5 GHz zuŝywa 3 W. Zakładając, Ŝe na tej samej powierzchni za jakiś czas będzie pracować 8 tranzystorów z częstością GHz otrzymamy gęstość mocy na poziomie kw/cm 2 (porównywalną gęstość mocy ma silnik rakietowy!) Film PROBLEM: Chłodzenie Gęstość mocy rośnie dramatycznie. PROBLEM: PodłoŜa Krzem 23, wafer 3 mm: Wymagane jest nie więcej niŝ 2 cząstek < nm na wafer Dokładność polerowania 3 nm Krzem 27, wafer 3 mm: Wymagane jest nie więcej niŝ 77 cząstek < nm na wafer (jak to zmierzyć?) Dokładność polerowania 65 nm Krzem 26, wafer 45 mm: Wymagane jest nie więcej niŝ 77 cząstek < nm na wafer (jak to zmierzyć?) Dokładność polerowania 22 nm (jak to zmierzyć?) PROBLEM: Litografia PROBLEM: Litografia Litografia 23, Długość fali światła 248 nm Kanał FET 9 nm: Wymagane jest nie więcej niŝ 2/m2 < nm Fluktuacje granic rezystu 7 nm Litografia 27, Długość fali światła 93 nm (?) 53 nm (?) X-ray (?) Kanał FET 35 nm: Wymagane jest nie więcej niŝ 5/m2 < nm Fluktuacje granic rezystu 3 nm Litografia 26, Długość fali światła X-ray (?) Kanał FET 9 nm: Wymagane jest nie więcej niŝ 5/m2 < nm Fluktuacje granic rezystu nm Prawdopodobnie koniec epoki polimerowych rezystów (cząstki polimerów są zbyt duŝe!) week9

12 PROBLEM: itd... itd... itd... itd... NOWE TECHNOLOGIE Przeprojektowanie CMOS (np. wertykalne, FIN, MOSFET z podwójną bramką) Urządzenia alternatywne (np. na pojedynczych elektronach) Urządzenia hybrydowe (np. FET z nanorurek) Nowe architektury (np. samonaprawiające się, defect-tolerance, automaty komórkowe) Zupełnie nowe architektury (np. komputery molekularne, komputery kwantowe) NOWE TECHNOLOGIE Jacek.Szczytko@fuw.edu.pl Dialog z przyrodą musi być prowadzony w języku matematyki, w przeciwnym razie przyroda nie odpowiada na nasze pytania. Michał Heller IBM Nanotechnologia (I) a Koniec technologii krzemowej? Prawo Moora i jego konsekwencje (czyli o postępie technologicznym); Nanotechnologia I (czyli nano jest trendy) Kwanty, stany, pasma (czyli mechanika kwantowa dla początkujących); Nanotechnologia II, III, IV (studnie, druty, kropki; nanorurki i nanomaszyny); Spintronika stosowana; Dlaczego elektrony kręcą? (czyli o spinie); Kwantowa kryptografia i teleportacja I i II (czyli o splątaniu kwantowym oraz kodach i kluczach); Komputery kwantowe I i II (czyli o przyszłych informatykach oraz o przyszłych komputerach) Badania i postęp (czyli o finansowaniu badań); W smutnym kolorze blue (czyli o niebieskim laserze i białych diodach); Optoelektronika (czyli o manipulowaniu światłem); Nieliniowo, adaptacyjnie i femtosekundowo, czyli ekstremalnie w optyce; Czy komputer moŝe myśleć? Prezentacja prac studentów Uwaga: Wykład moŝe być zaliczony do godzin pozakierunkowych: przedmioty ogólnouniwersyteckie Wydziału Fizyki kod: -NT-OG b a,b,c < nm c 2

13 Kwanty, stany, pasma mechanika kwantowa dla początkujących. 2. Świat klasyczny i kwantowy 3. Czy dwa półprzewodniki dają cały przewodnik? Rys. źródło: IBM Rys. źródło: Internet Nanotechnologia (II) Półprzewodniki a.studnie i.studnie i ekscytony ii.lasery iii.dwuwymiarowe gazy b.druty i.półprzewodniki ii.organika iii.laser z drutów c.kropki i.kropki planowane i nie ii.tranzystor na pojedynczym elektronie Nanotechnologia (III) Spintronika. Miniaturyzujemy III i IV. a. Nanorurki i. Wegiel i nie tylko ii. Pokręcone zasady b. Nanomaszyny c. nano+bio d. molekuły 3

14 Kwantowa kryptografia i teleportacja. Splątanie kwantowe a. Poplątane stany. i. Eksperyment EPR. ii. Eksperyment Bella b. Star-Trec, czyli teleportujcie mnie! i. Co wlasciwie teleportujemy ii. Ile kosztuje ubezpieczenie c. Kryptografia kwantowa i. Czy są szyfry nie do złamania ii. Klucze duŝe i małe iii. Alice i Bob w świecie kwantów iv. Ewa chce posłuchać Dialog z przyroda musi byc prowadzony w jezyku matematyki, w przeciwnym razie przyroda nie odpowiada na nasze pytania. Michał Heller Kwantowa kryptografia i teleportacja. Splątanie kwantowe Jacek Szczytko, Wydział Fizyki UW a. Poplątane stany. i. Eksperyment EPR. ii. Eksperyment Bella b. Star-Trec, czyli teleportujcie mnie! i. Co wlasciwie teleportujemy ii. Ile kosztuje ubezpieczenie c. Kryptografia kwantowa i. Czy są szyfry nie do złamania ii. Klucze duŝe i małe iii. Alice i Bob w świecie kwantów iv. Ewa chce posłuchać Quantum Computer I (QC) Quantum Computer II (QC). Komputery kwantowe a. Logika bramek b. Kwantowe algorytmy c. Jak zbudować taki komputer?. Komputery kwantowe a. Logika bramek b. Kwantowe algorytmy c. Jak zbudować taki komputer? HARDWARE Świat Nauki

15 Dr Piotr Wasylczyk Nieliniowo, adaptacyjnie i femtosekundowo, czyli ekstremalnie w optyce. Wesołych Świąt BoŜego Narodzenia! W smutnym kolorze blue Optoelektronika Kryształy fotoniczne Juliette Binoche Źródło:

16 NOWE TECHNOLOGIE Środy 7:5-9: Sala DuŜa Doświadczalna IBM W następnym tygodniu: Nanotechnologia (I) b a,b,c < nm a c Nanotechnologie JAK? Top-down, czyli (nano)technologia Bottom-up, czyli samoorganizacja Top-down CO? Studnie, druty, kropki Nanorurki i nanomaszyny Vincent Laforet/The New York Times 6

17 How do we make information processing circuits now?. Silicon technology predominates 2. Current circuits ~ 9 - transistors 3. Wafers - 3mm, ~ 3 chips 4. Photolithography, deposition, etching etc 5. Typically ~2 mask steps, 5-2 process steps Bottom-up Nanorurki, nanowąsy i kropki TiO2 nanotube materials W następnym tygodniu: Nanotechnologia (I) ZnO nanocząstka Au a Nanorurka Si b DNA a,b,c < nm c 7