Podstawy technologii komputerowych

Prezentacja na temat: "Podstawy technologii komputerowych"— Zapis prezentacji:

1 Podstawy technologii komputerowych
S. Kulesza & L. Błaszkiewicz

2 Technologia – całokształt wiedzy dotyczącej konkretnej metody wytworzenia jakiegoś dobra lub uzyskania określonego efektu przemysłowego lub usługowego. Technologie to także produkty działalności inżynieryjnej. Komputer (z ang. computer od łac. computare – obliczać, dawne nazwy: mózg elektronowy, elektroniczna maszyna cyfrowa, maszyna matematyczna) - urządzenie elektroniczne służące do przetwarzania wszelkich informacji, które da się zapisać w formie ciągu cyfr, albo sygnału ciągłego. Tak więc technologie komputerowe to sposób wytwarzania oraz zasada działania komponentów komputerowych (hardware i software) ale także metody i sposoby wykorzystania komputera w określonych działaniach.

3

4

5 Piwnice/k Torunia Centrum Astronomii

6 Historia rozwoju informatyki:
Odłamek kości datowany na około 8500 lat p.n.e. odkryty w Afryce, który prawdopodobnie ma wyryte karby przedstawiające liczby pierwsze 11, 13, 17 i 19 Pierwszym znanym nam mechanizmem obliczeniowym był abakus, wynaleziony prawdopodobnie przez Babilończyków w latach pomiędzy 1000 a 500 p.n.e., chociaż niektórzy mędrcy sądzą, iż w rzeczywistości wynaleźli go Chińczycy

7 The HPCx Supercomputer Facility at Daresbury

8

9

10

11 Historia rozwoju informatyki:
Odłamek kości datowany na około 8500 lat p.n.e. odkryty w Afryce, który prawdopodobnie ma wyryte karby przedstawiające liczby pierwsze 11, 13, 17 i 19 Pierwszym znanym nam mechanizmem obliczeniowym był abakus, wynaleziony prawdopodobnie przez Babilończyków w latach pomiędzy 1000 a 500 p.n.e., chociaż niektórzy sądzą, iż w rzeczywistości wynaleźli go Chińczycy

12 Mechanizm Antikythera
Historia Mechanizm Antikythera p.n.e Mechanizm zawierał około 30 kół z brązu zawierający inskrypcje astronomiczne. Urządzenie mogło liczyć położenie kilku gwiazd, Słońca i Księżyca oraz pomagać przewidywać pewne zjawiska (zaćmienia)

13 Notatniki te, datujące się na rok około 1500 n.e.
zawierały rysunki mechanicznego kalkulatora i na ich podstawie zbudowano działający model urządzenia da Vinci. Wiele źródeł podaje francuskiego matematyka, fizyka i teologa, Błażeja Pascala jako wynalazcę pierwszej mechanicznej maszyny liczącej, zwanej Maszyną Arytmetyczną. Jednakże, obecnie wygląda na to, iż pierwszy mechaniczny kalkulator mógł być obmyślony przez Leonarda da Vinci na sto pięćdziesiąt lat przed maszyną Pascala.

14 Na początku lat 1600 szkocki matematyk John Napier wynalazł narzędzie
nazwane Tabliczkami Napiera, które były tablicami mnożeń wyrytymi na pasach z drewna lub z kości. Napier wynalazł również logarytmy, bardzo przydatne przy obliczeniach arytmetycznych. W 1621 angielski matematyk i duchowny William Oughtred użył logarytmów Napiera jako podstawy działania suwaka logarytmicznego

15 1625 - Mechaniczny Kalkulator Wilhelma Schickarda
Do mnożenia użył on zbioru obracających się, cylindrycznych Kości Napiera. Dodawanie wykonywane było poprzez obracanie tarcz cyfrowych umieszczonych w dolnej części maszyny. Tarcze te połączone były z wewnętrznymi kołami za pomocą zębów umieszczonych na obwodzie i powodujących powstawanie przeniesień podczas przejścia tarczy z 9 na 0. Odejmowanie wykonywało się obracając tarcze wstecz.

16 1640 - Maszyna Arytmetyczna Błażeja Pascala
W roku 1640 Pascal rozpoczął projektowanie urządzenia, które miało pomóc jego ojcu w dodawaniu kwot pieniężnych. Pierwszy działający model, Maszyna Arytmetyczna, został przedstawiony w roku1642, a przez następne dziesięć lat Pascal wykonał jeszcze piętnaście takich urządzeń Urządzenie Pascala mogło jedynie dodawać i odejmować, natomiast operacje mnożenia oraz dzielenia były realizowane za pomocą serii dodawań lub odejmowań. W 1658 Pascal wywołał skandal, gdy pod pseudonimem Amos Dettonville wyzwał na pojedynek innych matematyków, a następnie nagrodę przyznał sobie samemu!

17 Gottfrieda von Leibniza
Rachmistrz Krokowy Gottfrieda von Leibniza Leibniz rozwinął pomysły Pascala i w roku 1671 przedstawił Rachmistrza Krokowego, urządzenie, które oprócz dodawania i odejmowania mogło mnożyć, dzielić oraz obliczać pierwiastki kwadratowe przy pomocy serii dodawań. Urządzenia Pascala i Leibniza były protoplastami dzisiejszych komputerów biurowych i na ich podstawie opierano wytwarzanie arytmometrów mechanicznych aż do początku lat 1970 gdy pojawiły się w końcu ich elektroniczne odpowiedniki o przystępnej cenie.

18 1800 - Perforowane Karty Jacquarda
Na początku 1800 roku Joseph-Marie Jacquard wynalazł metodę automatycznego sterowania układem wątku i osnowy nici na krosnach jedwabnych, która polegała na zapisie wzorów dziurek na zestawie specjalnych kart z wybitymi otworami.. Format 80 kolumnowej karty perforowanej systemu IBM.

19 1714 - Patent Na Pierwszą Angielską Maszynę do Pisania Henry Mill
Właściwie trudno opisać nam okoliczności wyboru układu klawiszy na klawiaturze, a przyglądnąwszy się mu bliżej, dochodzimy do wniosku, iż ten, który go dokonał, musiał być kompletnym idiotą. Więc dlaczego urządzenie tak często przez nas wykorzystywane na co dzień zostało skonstruowane w sposób doprowadzający do szału każdego nowicjusza, który tylko położy na nim swoje palce? Jest to jedno z tych pytań, na które odpowiedzi spowite są mgłą czasu. Maszyna Różnicowa Charlesa Babbage'a Pierwsze urządzenie, które można nazwać komputerem we współczesnym znaczeniu tego słowa, zostało obmyślone w 1822 roku przez ekscentrycznego, angielskiego matematyka i wynalazcę, Charlesa Babbage'a.

20 1822 - Maszyna Różnicowa Charlesa Babbage'a
Pierwsze urządzenie, które można nazwać komputerem we współczesnym znaczeniu tego słowa, zostało obmyślone w 1822 roku przez ekscentrycznego, angielskiego matematyka i wynalazcę, Charlesa Babbage'a.

21 Interesujące jest to, iż po ponad 150 latach od narodzin tej koncepcji zespół naukowców z Londyńskiego Muzeum Nauki w końcu zbudował według oryginalnych planów jedną z pierwszych Maszyn Różnicowych Babbage'a. Ostateczna maszyna, zbudowana z kutego żelaza, brązu i stali, składała się z 4000 komponentów, ważyła trzy tony oraz miała 10 stóp szerokości i 6 wysokości. Urządzenie to wykonało pierwszą serię obliczeń na początku lat 1990 i dało wyniki z dokładnością do 31 cyfr, co daleko wykracza poza dokładność zwykłego, kieszonkowego kalkulatora. Jednakże każde obliczenie wymaga, aby użytkownik kręcił korbą kilkaset razy, czasem nawet kilka tysięcy razy, więc osoba używająca tego urządzenia do czegokolwiek poza podstawowymi obliczeniami, stałaby się najbardziej wysportowanym operatorem komputera na powierzchni naszej planety. Z Babbage'em współpracowała Augusta Ada Lovelace, córka angielskiego poety, Lorda Byrona. Ada, będąc doskonałą matematyczką oraz jedną z niewielu osób w pełni rozumiejących wizję Babbage'a, napisała program dla Maszyny Analitycznej Babbage’a (Maszyna Analityczna miała używać pętli utworzonych z serii kart perforowanych Jacquard'a w celu sterowania automatycznym kalkulatorem, który mógł podejmować decyzje na podstawie wyników poprzednich obliczeń). Gdyby Maszyna Analityczna kiedykolwiek w rzeczywistości działała, program Ady mógłby obliczyć matematyczny ciąg, znany jako liczby Bernoulli'ego. Z uwagi na to dzieło, Ada jest obecnie uważana za pierwszą programistkę komputerów i w roku 1979 jej imieniem został nazwany nowoczesny język programowania - ADA.

22 1847 do 1854 - George Boole wymyśla Algebrę Boole'a
1857 – Wheatstone używa taśmy papierowej do przechowywania danych Do roku 1858 nadajnik wykorzystujący papierową taśmę Morse'a mógł pracować z szybkością do 100 słów na minutę.

23 1883 do 1906 - Wynalezienie lampy próżniowej
W roku 1879 legendarny amerykański wynalazca Thomas Alva Edison publicznie przedstawił po raz pierwszy swoją jasno świecącą żarówkęelektryczną. W roku 1906 amerykański wynalazca, Lee de Forest, wprowadził do lampy próżniowej trzecią elektrodę zwaną siatką. W wyniku powstała trioda, której można było używać zarówno jako wzmacniacza, jak i przełącznika, a de Forest zbudował wiele wczesnych nadajników radiowych wykorzystując właśnie te triody Triody De Foresta zrewolucjonizowały nadawanie audycji radiowych, lecz przeznaczone były do jeszcze wyższych celów, ponieważ ich zdolność do odgrywania roli przełączników miała ogromny wpływ na cyfrowe obliczenia.

24 Howarda Aikena (IBM ASCC)
1939 do Harvard Mark 1 Howarda Aikena (IBM ASCC) Automatyczny, Sterowany Sekwencyjnie Kalkulator IBM (the IBM automatic sequence controlled calculator - ASCC), częściej spotyka się określenie Harvard Mark 1. Mark I został zbudowany z przełączników, przekaźników, obracających się wałków i sprzęgieł, a opisano go, iż wydaje dźwięki jak "cały pokój szydełkujących kobiet". Mark I zawierał ponad elementów, miała długość 50 stóp, wysokość 8 stóp i ważyła ok. 5 ton! Maszyna ta była oparta na liczbach o długości 23 cyfr – kalkulator mógł dodać lub odjąć dwie takie liczby w ciągu trzech dziesiątych sekundy, pomnożyć je w ciągu czterech sekund i podzielić w dziesięć sekund.

25 1941 - Konrad Zuse i jego Z1, Z3 oraz Z4 Z3
Po zakończeniu II Wojny Światowej odkryto, iż w hitlerowskich Niemczech w roku 1941 ukończono budowę kalkulatora sterowanego programem o nazwie Z3, co oznacza, iż Z3 datuje się przed kalkulatorem Harvard Mark I Howarda Aikena. Z3 był bardzo wyrafinowany jak na swój okres, na przykład używał on do obliczeń systemu dwójkowego i mógł liczyć na liczbach zmiennoprzecinkowych W trakcie nalotu bombowego w 1944 oryginalny Z3 został zniszczony i dlatego nie przetrwał wojny (chociaż po wojnie w latach 1960 zrekonstruowano Z3 dla Deutsches Museum). Natomiast Z4 przetrwał okres wojny i do roku 1950 działał bezbłędnie w jednym z banków w Zurychu. Z3

26 ENIAC - 1946 Dla każdego działa biegły rachmistrz musiał wykonać
John Presper Eckert ENIAC Electronic Numerical Integrator And Computer John William Mauchly Miał on wysokość 10 stóp, zajmował obszar 1000 stóp kwadratowych podłogi i ważył w przybliżeniu 30 ton, zawierając ponad oporników, kondensatorów, 6000 przełączników i lamp elektronowych. Ostateczna maszyna zużywała 150 kilowatów energii elektrycznej, co wystarczało do oświetlenia małego miasteczka. Komputer ENIAC opracowany został na zlecenie Armii USA, która potrzebowała go do wykonywania żmudnych, tabelarycznych obliczeń dla nowo produkowanych dział. Dla każdego działa biegły rachmistrz musiał wykonać około rachunków, co zajmowało mu średnio trzy miesiące pracy. Po zastosowaniu ENIAC'a czas ten skrócił się do kilku minut.

27 rozmiar: 7.44 x 5.29 mm; 174,569 tranzystorów

28 Pierwszy Komputer Przechowujący Program - EDVAC
1944 n.e. do 1952 n.e. Pierwszy Komputer Przechowujący Program - EDVAC Electronic Discrete Variable Automatic Computer EDVAC zawierał ok.4000 lamp elektronowych i diod kryształkowych. Raport z roku 1956 pokazuje, iż bezawaryjny czas pracy komputera EDVAC wynosił około 8 godzin. Inna maszyna, zwana elektronicznym, automatycznym kalkulatorem z pamięcią opóźnioną (Electronic Delay Storage Automatic Calculator - EDSAC), wykonała swoje pierwsze obliczenia na Uniwersytecie Cambridge w Anglii w maju 1949 EDSAC zawierał 3000 lamp elektronowych i używał rtęciowych linii opóźniających jako pamięci. Programy wprowadzano przy pomocy taśmy papierowej a wyniki wyjściowe przekazywane były do dalekopisu

29 Pierwsze komputery a Astronomia
ENIAC - Uniwersytet Pensylwanii Edward Teller badał możliwości budowy bomby wodorowej opartej na reakcjach podobnych do tych we wnętrzu Słońca. Badano też promienie kosmiczne. MANIAC I - Los Alamos 0.01 MIPS, programowalny Teller i Stan Ulam prowadzili symulacje związane z budowa bomby wodorowej. Stirling Colgate, Richard White wraz z Archibaldem Wheelerem symulowali wybuchy supernowych i badali gwiazdy neutronowe i czarne dziury

30 Tranzystor i później wynaleziony układ scalony
muszą być z pewnością zakwalifikowane jako dwa największe wynalazki XX wieku. Pierwszy ostrzowy tranzystor germanowy na stole w Bell Laboratories – rok 1947 Pod koniec lat 1950-tych zaczęto produkcję tranzystorów bipolarnych z krzemu zamiast z germanu W roku 1959 szwajcarski fizyk, Jean Hoerni, wynalazł proces planarny, w którym używano optycznych metod litograficznych do dyfuzji bazy do kolektora, a następnie do dyfuzji emitera do bazy. Procesy opracowane przez Hoerni'ego i Noyce'a prowadziły bezpośrednio do nowoczesnych układów scalonych.

31 który zawierał kilkaset tranzystorów.
W lecie roku 1958 Jackowi Kilby'emu, pracującemu dla Texas Instruments, udało się wytworzyć kilka elementów elektronicznych na pojedynczym kawałku półprzewodnika. W roku 1961 firmy Fairchild i Texas Instruments ogłosiły dostępność pierwszych komercyjnych, planarnych układów scalonych zawierających proste funkcje logiczne W roku 1963 firma Fairchild wyprodukowała układ scalony pod nazwą 907, który zawierał dwie bramki logiczne złożone każda z czterech tranzystorów bipolarnych i czterech oporników. W roku 1967 firma Fairchild wprowadziła na rynek układ zwany Micromosaic, który zawierał kilkaset tranzystorów.

32 Quintor - uruchomiony w lutym 2004
Współczesne maszyny liczące Quintor - uruchomiony w lutym 2004 System Operacyjny: Solaris 9 259 SunFire V210s, z których każdy posiada: 2 x 1002 MHz UltraSPARC-IIIi procesory 1 MByte cache na procesor 2 GByte RAM (32 komputery mają 4 GByte RAM) ~40 GByte wspólnej przestrzeni dyskowej 2 Gbit łączność Łącznie RAM : GByte Łącznie dyski:  ~9   TByte

33

34

35 Technologie CMOS

36 Intel 4004, Intel 8008 Intel 8088 Intel 486 Pentium III
0.80 µm = 800 nm Intel 486 0.13 µm = 130 nm Pentium III 1 nanometr = 10 ^-9 metra :)

37 Tranzystory wytwarzane w nowej technologii 65 nm (nanometr to jedna miliardowa część metra) mają bramki (przełączniki, które włączają i wyłączają tranzystor) o wielkości 35 nm, to jest o około 30 procent mniejsze niż bramki w poprzedniej technologii 90 nm. Około 100 takich bramek zmieściłoby się na odcinku równym średnicy komórki ludzkiej krwi. 0.065 µm = 65 nm Każda komórka pamięci SRAM ma sześć tranzystorów upakowanych w obszarze 0,57 µm² (patrz zdjęcie poniżej). W jednym milimetrze kwadratowym (wielkość odpowiadająca wielkości kulki długopisu) może się zmieścić około 10 milionów takich tranzystorów.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     

38 Warto zauważyć, że odległość pomiędzy środkami kryształów
0.065 µm = 65 nm Warto zauważyć, że odległość pomiędzy środkami kryształów Krzemu jest równa nm, co oznacza, że tranzystor ma Rozmiar około 100 atomów !!!! Poważne problemy litograficzne - długość fali to 193 i 248 nm Istnieja już tranzystory 45 nm, a w latach powinna wejść Technologia 32 nm (testowe układy zaprezentowano we wrześniu 2007

39

40 Badacze z laboratorium IBM w Zurychu, poinformowali o udanej próbie wykorzystania pojedynczej cząsteczki wodoru jako przełącznika elektrycznego. Aktualnie trwają pracę nad wykorzystaniem innych cząsteczek oraz umożliwieniem współpracy ich kombinacji, co pozwoliłoby na stworzenie bramek logicznych. Tym samym kilka cząsteczek mogłoby spełniać zadanie pojedynczego układu scalonego - dzięki temu możliwe byłoby skonstruowanie procesora wielkości drobiny kurzu. Dodatkowo naukowcom z centrum badawczego Almaden w San Jose udało się opracować technologię pozwalającą na pomiar anizotropii magnetycznej - parametru umożliwiającego utrzymywanie określonego kierunku pola. To znaczący krok w stronę zapisu bitów informacji na poziomie atomowym. Według rzecznika koncernu, IBM przewiduje, że obie technologie trafią do masowego użytku w ciągu najbliższych 10 lat. Aktualnie najważniejszym zadaniem będzie opracowanie metody manipulacji pojedynczymi atomami na wielką skalę. Aktualnie inżynierowie korzystają skaningowych mikroskopów tunelowych (STM - Scanning Tunneling Microscope), zaś wszystkie operacje są wykonywane ręcznie przy użyciu bardzo precyzyjnych narzędzi. Eksperci twierdzą, że najbardziej oczywistą z metod byłoby wykorzystanie procesów samoporządkowania cząsteczek, w których w określonych warunkach tworzyłyby one konkretne struktury. Wśród naukowców powszechna jest opinia, że układy cyfrowe oparte na krzemie już niebawem osiągną granice rozwoju. Wykorzystywane dziś tranzystory krzemowe i układy scalone zostały opracowane w połowie ubiegłego wieku. Współczesne procesory pracują z częstotliwościami ponad tysiąc razy większymi niż pierwsze tego typu układy. Produkowane dziś układy scalone wykonywane są w technologii 90 lub 65 nanometrów, a już niedługo ruszy produkcja procesorów w technologii 45 lub nawet 32 nm. Jeden nanometr to jedna miliardowa metra. Z tego względu sam proces produkcyjny i projektowanie tak małych układów stają się bardzo kosztowne.