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Fabrizio Antonio Iadevito Alessandro Perfetto Alessandro

Storia dell’Informatica e del Calcolo Automatico (S.I.C.A.) S.I.C.S.I. Sez. Parthenope - A042 - IV ciclo. Fabrizio Antonio Iadevito Alessandro Perfetto Alessandro. La IV generazione: l’integrazione a larga scala (VLSI). Prof.ssa F.Perla. Anno 2004/2005. Prima dell’ANNO 1974.

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Presentation Transcript

  1. Storia dell’Informatica e del Calcolo Automatico(S.I.C.A.)S.I.C.S.I. Sez. Parthenope - A042 - IV ciclo Fabrizio Antonio Iadevito Alessandro Perfetto Alessandro La IV generazione:l’integrazione a larga scala (VLSI) Prof.ssa F.Perla Anno 2004/2005

  2. Prima dell’ANNO 1974 Costruzione dei primi IC (integrated circuits) I primi livelli di integrazione I successivi livelli di integrazione (1974 – oggi)

  3. IC • L'invenzione del circuito integrato (IC) si deve a tre ricercatori: Robert Noyce, coadiuvato da Gordon Moore della Fairchild Semiconductors e Jack Kilby della Texas Instrument, che quasi contemporaneamente brevettarono le loro intuizioni nell'estate del 1959.

  4. IC • Il loro scopo era quello di semplificare l'architettura dei circuiti a transistor: in effetti, malgrado i transistor garantissero elevata affidabilità, era necessario effettuare una fitta serie di collegamenti elettrici per poterli connettere fra loro: ma i collegamenti erano proprio le parti più soggette a rompersi, rendendo l'intero circuito inefficiente.

  5. IC • L'idea dei ricercatori fu pressappoco questa: invece di ricavare un transistor da una piastrina di silicio, perché non incidere su quella piastrina non un solo transistor ma più minuscoli transistor e persino i collegamenti elettrici necessari?

  6. IC In questo modo, invece di collegare i singoli transistor si sarebbero collegate le varie piastrine contenenti già un certo numero di transistor; e il miglioramento della solidità permettendo una semplificazione delle lavorazioni del circuito.

  7. IC • Il procedimento usato per sistemare più transistor e relativi collegamenti (detti componenti "discreti") sulla stessa piastrina (detta "monolite") è la fotolitografia.

  8. IC • In pratica il circuito viene disegnato ingrandito su una lastra fotografica, che poi viene proiettata rimpicciolita sopra la piastrina di silicio (chip), fotoincidendola. • In seguito sopra la piastrina vengono inserite le "impurità“ o "drogaggi" che costituiranno il transistor o gli altri componenti

  9. Esempi di integrazione • Obiettivo: miniaturizzare le dimensioni di circuiti e dispositivi elettronici Ingredienti: per i materiali, usare film sottili (spessore » 10 mm - 1 mm) per sagomarli, usare tecniche litografiche (ottiche o elettroniche, a seconda della risoluzione voluta) per il disegno e tecniche di film sottili per la rimozione selettiva delle varie parti del film

  10. Esempi di integrazione utilizzare vari strati, diversamente sagomati, uno sopra l’altro per ottenere la funzionalità voluta

  11. Un esempio: il circuito RC parallelo 1° passo: Realizzazione della resitenza R 2° passo: Realizzazione degli elettrodi metallici C1 3° passo: Realizzazione della dielettrico 4° passo: Realizzazione degli elettrodi metallici C2 Resistenza Condensatore 3° 2° 4° 1°

  12. Tecnologia per IC • Con l’esempio precedete si intuisce la difficoltà di poter integrare più componenti, attivi (transistor) e passivi (resistenze e capacità) in strutture sempre più piccole, da cui l’importanza della tecnica fotolitografica. Traendo la nomenclatura da quella dei due principali tipi di transistori in essi impiegati, si definiscono due categorie di IC: • Circuiti bipolari a giunzione • Circuiti MOS

  13. Tecnologia per IC Circuiti bipolari Nei quali i transistori sono di tipo bipolare a giunzione Circuiti MOS Nei quali i transistori sono di tipo a effetto di campo (FET field effect transistor) realizzati con la particolare tecnica MOS (metal oxide semiconductor). Quest’ultima tecnica risultò più indicata per aumentare l’integrazione dei circuiti

  14. Processo di realizzazione di transistor p-channel MOS • si parte da un substrato di Si drogato tipo n, posta inatmosfera d’ossigeno dove si ossida. • Aperte due finestre si fa eseguire una drogatura di tipo p • fra source e drain vi è un elettrodo di gate (metallo o polisilicio molto drogato) separato dal substrato da un sottile strato di ossido (capacità alta)

  15. Processo di realizzazione di transistor p-channel MOS • bisogna provvedere a delle connessioni metalliche ( o comunque conduttrici) per collegare source, drain e gate all’esterno • il canale fra source e drain è normalmente chiuso, si apre quando la tensione di gate realizza una inversione nel tipo di conduzione del substrato (qui, da n a p)

  16. due tipi di transistor (N-MOS e P-MOS) in serie nello stesso dispositivo questo impedisce che scorra corrente nel dispositivo in condizioni statiche, perché uno dei due transistor è sempre polarizzato inversamente; • solo quando vi è uno switch, c’è anche una piccola corrente dinamica • si modifica il substrato (tipo n nel disegno) inserendo una regione drogata di segno opposto e di spessore sufficientemente elevato • in questa zone, detta “well”, si costruisce il secondo transistor (nell’esempio, n channel MOS)

  17. Il livello di complessità raggiunto si valuta dalla figura , che mostra un chip IBM con interconnessioni in rame e tungsteno.

  18. I primi livelli di integrazione • Livelli di integrazione: • ZSI (Zero Scale Integration): un solo componente (tecnologia a valvole, dal 1945 al 1958). Nel 1959 Jack Kilby (Texas Instruments) e Robert Noyce (Fairchild Semiconductor) introducono il circuito integrato. • SSI (Small-Scale Integration, integrazione su piccola scala): fino a 100 componenti elettroniche per chip, corrispondenti ad una decina di porte logiche (vd. Logica booleana) . Nel 1961 i primi circuiti integrati commerciali.

  19. I primi livelli di integrazione • MSI(Medium Scale Integration, integrazione su media scala): da 100 ad un migliaio di componenti per chip (da una decina ad un centinaio di porte logiche, 1968 - 1970). • LSI (Large Scale Integration, integrazione su larga scala): da un migliaio ad una decina di migliaia di componenti (fino ad un migliaio di porte logiche). Nel 1971 il 4004 di Intel e' il primo processore integrato su un solo chip, con 2.300 transistor.

  20. I successivi livelli di integrazione • VLSI (Very Large Scale Integration, integrazione su larghissima scala): da 10.000 componenti fino a centinaia di migliaia di componenti (oltre un migliaio di porte logiche). Le CPU di Intel, l'8086 del 1978 e l'8088 del 1979, hanno 29.000 transistor. Nel 1982 Intel introduce il processore 80286 con 134.000 transistor.

  21. I successivi livelli di integrazione • ULSI (Ultra Large Scale Integration, integrazione su scala ultra larga): oltre il 1.000.000 di componenti. Nel 1991 Intel introduce il processore 80486 con 1.200.000 transistor, nel 2004 il Pentium 4 Prescott ne ha 125.000.000. • WSI (Wafer Scale Integration) Dispositivi di dimensioni sub-micrometriche, decine di milioni di dispositivi su un singolo chip.

  22. Lynn Conway Lynn Conway e' una ben conosciuta pioniera della progettazione di microchip

  23. Lynn Conway Le sue innovazioni durante gli anni Settanta al centro di ricerca Xerox di Palo Alto (PARC) hanno avuto un impatto globale nei metodi di progettazione dei chip. Migliaia di progettisti di chip hanno imparato le basi della propria professione nel libro di testo Introduction to VLSI Systems, scritto da Lynn e il professor Carver Mead del Caltech. http://ai.eecs.umich.edu/people/conway/LynnsStory-Italian.html

  24. ANNO 1974 Intel 8080

  25. Lo scenario Il primo annuncio pubblicitario al mondo di un “personal computer” figura su una rivista statunitense. Gary Kildall (1942-1994), docente alla Naval Post Graduate School in California realizza il CP/M (Control program/monitor) il primo sistema operativo universale in grado di girare su diversi tipi di computer. Fino a quando verrà sostituito dall'Ms/Dos di GATE nel 1980, il Cp/M è comunque il sistema operativo che ha permesso inizialmente di sviluppare e far decollare il software nei primi computer. 1974

  26. Intel 8080 • Uno dei più innovativi microprocessori • Versione migliorata dell’ 8008 • Primo a 8 bit realizzato dalla Intel. • Può sommare due numeri ad 8-bit in 2.5 milionesimi di un secondo. • Tecnologia: • Intel i8080: PMOS • Intel i8080A: NMOS (Negative-channel MOS) più veloce del PMOS • Transistor: • Intel i8080: 4500 • Intel i8080A: 4000

  27. ANNO 1976 Nascita dello Zilog Z-80

  28. Lo scenario Compare il primo vero supercomputer del mondo: il Cray-I, progettato da Seymour R. Cray Viene commercializzato il primo “word processor” chiamato: Electric Pencil La pubblicista americana Portia Isaacson inventa il termine “Personal Computer” che si impone sui vari appellativi fino ad allora coniati Federico Faggin inventa lo Z-80 Faggin è da considerare: l'inventore del primo microcomputer a 4 bit, il 4004 prodotto dalla Intel, tra il 1969 e il 1971; l'inventore del più famoso microprocessore della storia dell'informatica, lo Z80, tra il 1974 e il 1976; l'inventore del più semplice dispositivo di puntamento dai tempi del mouse: il touchpad, tra il 1992 e il 1994. 1976

  29. Zilog • Federico Faggin rielabora il chip Intel 8080 e inventa lo Zilog Z-80. • L’architettura si basa su 3 microprocessori ad 8 bit: • L’ 8080 • L’ 8228 • L’ 8224 • Confezionato in un unico contenitore a piedini; • 50 istruzioni di base • Lo Zilog Z-80 si rivelerà più veloce del concorrente Intel 8080

  30. ANNO 1978 Nasce l’era dei 16-Bit: Intel lancia sul mercato l’8086 .

  31. Lo scenario Con l’uscita sul mercato di una stampante ad aghi con alte capacità grafiche nasce in Giappone il marchio Epson (Seiko) Viene lanciato sul mercato il primo modulatore-demodulatore di segnali digitali in analogici e viceversa per la trasmissione di dati attraverso linee telefoniche: il Micromodem 100 1978

  32. Intel 8086 • L'Intel 8086 si basa sul disegno del 8080 e 8085, con un register set simile, ma espanso a 16 bit. • È il primo processore, di questa casa, con architettura a 16 bit • Può indirizzare fino a 1Mb di memoria avendo a disposizione un bus indirizzi a 20 bit • Contiene 29.000 transistor. • Tecnologia NMOS (MOS di tipo n) a 3.0 micron http://www.windoweb.it/edpstory_new/eh1975.htm

  33. ANNO 1979 INTEL annuncia il microprocessore 8088 La versione “Lite" dell'8086

  34. Lo scenario Nasce Wordstar, il primo potente software per il trattamento dei testi destinato ai personal computer La Olivetti presenta il modello M10, uno dei primi personal computer portatili Nasce il linguaggio ADA (Augusta ADA Byron) Derivato dal Pascal, usato principalmente dai militari. 1979

  35. Intel 8088 • La INTEL annuncia il microprocessore 8088. • Rappresenta un passo indietro nell'evoluzione: • mantiene il set di istruzioni dell’8086 • stesse dimensioni dei registri dell'8086 (architettura a 16 bit), • ma il bus dei dati è ridotto a otto bit, contro i sedici del processore precedente. continua

  36. 29.000 transistor stipati sopra un frammento di silicio che usa la tecnologia a 3.0 di micron. • l'Intel 8088 fu prodotto in due versioni: • una con una velocità di clock di 5 MHz • capace di 0.33 MIPS (millioni di istruzioni per secondo) • l'altra con una clock a 8 MHz e 0.75 MIPS. • Questo microprocessore, avendo un bus degli indirizzi a 20 linee, era capace indirizzare 1 megabyte di memoria. • Ancora in tecnologia NMOS (MOS di tipo n).

  37. ANNO 1980 Motorola presenta il chip 68000 Coprocessore matematico intel 8087

  38. Lo scenario Travolgente avanzata del personal computer in America L’editore statunitense Ashont-Tate lancia “dBase” un sistema di gestione di data base Viene creata la rete Ethernet con l’aiuto tecnologico di: Xerox Intel Digital A Roma entra in funzione l’archivio computerizzato dell’agenzia AnNSA Sony Electronics introduce il floppy disk a 3.5" e il relativo drive. Microsoft compra per 50000$ i diritti del sistema operativo QDOS dalla Seattle Computer Products; viene rielaborato e adottato il nome di MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System) verrà installato sui pc IBM 1980

  39. Motorola 68000 • La Motorola presenta il chip 68000, • chiamato così dal numero dei transistor che lo componevano (sessantottomila) • Processore a 16 bit che più tardi verrà installato sui Macintosh. • Considerato a 16 bit, presenta un'architettura interna e alcune prestazioni da 32 bit

  40. Coprocessore matematico intel 8087 • Immesso nel mercato nel 1980, fu prodotto per lavorare con i microprocessori a 16-bit: • 8086 • 8088 • Date le limitazioni della tecnologia a 3.0 micron del 1980 (decine di migliaia di transistor su un chip) già sfruttata al massimo, era più pratico per i costruttori di circuiti a semiconduttore omettere le funzioni di matematica avanzate nella progettazione dei microprocessori . continua

  41. Le funzioni matematiche furono così relegate ad un elemento separato: • Il coprocessore matematico 8087 • A due anni dalle prime vendite dell’ 8086 Intel mise sul mercato il circuito integrato di grande potenza e più complesso fabbricato commercialmente. • Il simbolo “i” ad di sopra del package, indicava che Intel aveva prodotto quel chip, non un suo concorrente. Una sorta di primo marchio contro la contraffazione.

  42. ANNO 1981 Intel crea il processore: 80186 80188

  43. Lo scenario La maggiore industria informatica del mondo, l’IBM, entra nel settore di mercato dei personal computer È immesso sul mercato l’Osborne-I il primo pc moderatamente portatile: Pesava 11 Kg Esce sul mercato il Commodore Vic-20 La Microsoft lancia la prima versione del Multiplan, il primo “foglio elettronico” della casa statunitense. 1981

  44. Intel 80186 • Nato migliorando la tecnologia dell' 8086 • poco diffuso • Caratteristiche: • 16 bit per il bus dati. (interni ed esterni); • 20 bit per il bus indirizzi; • Package: • 40 pin CERDIP (CERamic Dual In-line Package). • Tecnologia: • 1.5 micron • Frequenza di clock: • Dai 6 ai 16 Mhz a seconda delle versioni

  45. Intel 80188 • Versione economica dell' 80186, l'unica differenza infatti che ha con quest'ultimo sono gli 8-bit del bus dati esterno anzichè 16. • I vari modelli si differenziano per le stesse caratteristiche dell'80186.

  46. ANNO 1982 Intel crea il processore: 80286 Nasce la seconda generazione di processori

  47. Lo scenario Viene fondata Sun Microsystem Compare sul mercato il Commodore 64 Microsoft realizza MS-DOS 1.1 per IBM. Supporta dischetti a doppia faccia da 320 kb. Microsoft inoltre realizza MS-DOS 1.25, similare all'1.1 ma per gli IBM compatibili. Viene prodotto il primo clone di IBM-PC, l'MPC, realizzato da Columbia Data Products Mouse Systems produce il primo mouse commerciale per PC 1982

  48. Intel 80286 • Inizia in agosto la produzione del processore Intel 80286 a 16 bit, che viene inserito nel PC IBM "AT". • Vero salto da un punto di vista tecnologico: • 134.000 transistor • frequenze di clock tra 6 e 20 Mhz • Tecnologia: • 1.5 micron

  49. ANNO 1984 Motorola crea il processore MC68020

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