Syftet idag ELEKTRONIK ESS010. Viktor Öwall. Men först ett exempel? Något ni känner igen?

Transkript

1 ELEKTRONIK ESS010 Syftet idag Elektronik i vardagen Viktor Öwall Försöka sätta viss vardagselektronik i ett perspektiv Motivation till elektronik Gärna diskussion - Kanske är experten en av er? Institutionen för Elektro- och informationsteknik 1 2 Men först ett exempel? Något ni känner igen? V DD 10kΩ Efter denna kurs skall ni förstå och kunna bygga en sådan här! V DD 10kΩ Spänningsdelare v in 1kΩ v in 1kΩ i diod 0.47μF vut i diod 0.47μF vut 47Ω 47Ω -V EE 10kΩ -V EE 10kΩ 3 4

2 Ljud över ljus! RC-länkar: kommer snart V DD 10kΩ v in Ta bort DC U I Lägger till DC-komponent för dioden skall lysa hela tiden och ljuset moduleras. Foto- transistor Lysdiod i diod 47Ω -V EE I U 1kΩ HP filter 0.47μF U U vut 10kΩ R U in U ut U in U ut C R Lågpass Högpass -låga frekvenser passerar -höga frekvenser passerar Jämför tonkontroll på stereon. Grundläggande kopplingen otroligt viktig att förstå! Kan användas för att filtrera signaler som i opto-kopplingen. C 5 6 Men också... Men också......att ladda en kondensator tar tid....att ladda en kondensator tar tid. R Och vi har kapacitans även där vi inte vill ha dom! Parasiter! tid U in C U ut tid C SB Source C GS Gate Drain C GD C GD n + n + C G G C DB t ox Vad är detta? Var kan detta komma in och påverka vårt liv? 7 8

3 Klockning av processorer! Intel Pentium 4 (2000) 42 million transistors 018μm 0.18μm / 1.5GHz Och om vi har för mycket effekt och för lite kylning? Hur ser den ut här? Om jag skickar in en klocka här. Kanske så här. Och hur bra funkar datorn då? Ofta mer än 50% av effekten i att fixa till klockan Vad gör vi istället? Klockfrekvensen ökar inte längre Multi-core processorer där vi ökar beräkningskapaciteten utan att öka klockfrekvensen. ca. 1 miljard transistorer på ett chip idag! 11 Vi går till multipla kärnor, dvs parallel processning 12

4 Några Multi-core processorer Lite historia: Vad är detta? Intel KEROM dual core ISSCC 07, 290M trans. IBM/Sony/Toshiba Cell ISSCC 05, 234M trans. Fujitsu FR-V, 2005, 83M trans. Multi-core processorer där vi ökar beräkningskapaciteten utan att öka klockfrekvensen ESS010 ETI Elektronik - Föreläsning i vardagen Den första transistorn, 1947 Vad hade vi före det? Shockley Brattain Bardeen Nobelpriset

5 Den första elektroniska datorn Den första elektroniska datorn ENIAC rör, 30 ton, 150m 2,140kW 17 ENIAC rör, 30 ton, 150m 2,140kW 18 Den första elektroniska datorn "I think there is a world market for maybe five computers." -- Thomas Watson, chairman of IBM, 1943 "Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons." -- Popular Mechanics, forecasting the relentless march of science, 1949 Och allt på grund av denna! "640K ought to be enough for anybody." -- Bill Gates, 1981 ENIAC rör, 30 ton, 150m 2,140kW 19 20

6 Första integrerade kretsen (IC), 1958 Moores Lag 12 mm Kilbys IC: Phase-shift oscillator, 1.3MHz 5 komponenter varav 1 Transistor Jack Kilby Nobelpriset 2000 Antalet transistorer per chip dubbleras varje år. (1965) Ändrar 1975 till vartannat år. Bild i Noyce patentansökan Robert Noyce Co-founder of Intel 21 Gordon Moore En av Intels grundare >1 miljard transistorer på ett chip idag! 22 Originalartikeln, 1965: Cramming more components onto integrated circuits Antalet transistorer per chip dubblas varje år. Originalartikeln, 1965: Cramming more components onto integrated circuits Antalet transistorer per chip dubblas varje år ca : transistorer 23 I was just trying to get across the idea that chips were going to get more complex and because of that the cost per transistor was going to drop dramatically. Interview in

7 Moores Original artikel, 1965: Cramming more components onto integrated circuits Processors Intel 4004 (1971) 2300 transistors 10μm/108kHz Intel Pentium 4 (2000) 42 million transistors 0.18μm / 1.5GHz approx. Integrated circuits will lead to such wonders as home computers... and personal portable communications equipment If automobile speed had increased at the same speed as clock frequency, you could now drive from San Francisco to New York in about 13 seconds! times more transistors t in 29 years! Transistorerna blir bara mindre... Så vart är vi på väg? 70 nm 30 nm 20 nm Courtesy of Intel 27 28

8 ..och gate-oxiden blir tunnare. En jämförelse Source Gate Drain Gate Gate-oxid 10nm Substrat 10nm guld partikel vid Z-DNA antibody Mänskligt hårstrå (ej skalenligt, ca 2500ggr) Courtesy of Intel Några exempel och tekniker Ljudåtergivning från Edison till MP3 3 elektronikprylar som förändrat våra liv? Digital musik Digitalkameran Mobiltelefonen och tekniker som gjort detta möjligt: elektroniken, dvs Moores lag minnena sensorerna algoritmerna Vad är skillnaden mellan analogt och digitalt ljud? CDn? Vad är MP3? Varför MP3? Vilken teknikutveckling har gjort detta möjligt? 31 32

9 First Audio Recording Ljudåtergivning olika delar Thomas Edison is credited with creating the first device for recording and playing back sounds. A diaphragm directly controlled a needle, and the needle scratched an analog signal onto a tin foil cylinder. First recorcing: "Mary had a little lamb" Analog wave stored mechanically on tin foil cylinder. Needle Diaphragm Horn Storage Digital Processing Processing AD-Conversion DA-Conversion Amplification Amplification Filtering Filtering Analog Från analogt till digitalt Nyquists Samplingsteorem Vi tar snapshots av (samplar) en kontinuerlig (analog) signal som vi omvandlar till 1 och 0 och sätter ihop till en serie. Jämför med en filmsekvens: Om vi gör det tillräckligt ofta och har många färger märker vi ingenting. Om man samplar en analog signal med en bandbredd, BW signal, med en signal samplingsfrekvens f > 2BW sample > signal kan den analoga signalen återskapas. f sample > 2BW signal BWsignal f ESS Elektronik i 35 vardagen ESS Elektronik i 36 vardagen

10 CD Vad Vad brukar brukar anges anges som som det det mänskliga mänskliga örats örats frekvensområde? frekvensområde? Samplingshastighet 44.1 khz Noggrannhet 16-bitar ESS Elektronik i 37 vardagen ESS Elektronik i 38 vardagen CD Compact Disc The CD player Om vi kunde sträcka ut spåret på en CD skulle det vara ca 5 km microns 1.6microns As the laser moves outwards, the speed is reduced from 500rpm to 200 rpm The bumps travel past the laser at a constant speed data comes off the disc at a constant rate 39 40

11 Reading the CD Bumps and pits reflects light differently, thus 1s and 0s. Tracking makes sure that the laser hits the center of the digit it by adjusting the speed, e.g. three detectors. t Data is encoded to avoid long stretches without bumps which would make the laser loose track Felkorrigerande koder Data är kodad så att om det finns begränsade fel så kan dom bli rättade. Felkorrigering ökar antalet bitar. Man kan borra ett litet hål i CDn och fortfarande spela den. Smuts och repor längs spåret är värre än diagonalt, fler efterföljande bitar är påverkade. 43 MP3 mer i följande föreläsning Compression can be Loss-less - exact data can be retrieved Lossy (MP3) - information is lost MP3 has a constant coding rate independent of input. Led Zeppelin: Full CD - 45MBytes MP3 56kbits/s - 1.8MBytes 25times MP3 16kbits/s - 05MBytes 0.5MBytes 90times MP3 8kbits/s MBytes 180times Schubert: Full CD - 47MBytes MP3 56kbits/s - 1.9MBytes MP3 16kbits/s - 0.5MBytes MP3 8kbits/s MBytes 44

12 Varför MP3? Viktigaste teknikerna? CD: 44,100 samples/second * 16 bits/sample * 2 channels 1,411,200 bits per second Om en låt är 3 minuter och 1.4 Mbits per sekund 252 Mbits Med ett 56kbits/s modem skulle det ta >1timme att ladda ner en låt. En bra motivering för kodning! 56kbit/s modem är ju ganska gammalt men samtidigt laddar vi ner mer, kanske framförallt filmer. Utvecklingen av elektroniken dvs att det går att göra litet och energisnålt Utvecklingen av algoritmerna digital signalbehandling Utvecklingen i minnesteknologi vilket vi återkommer till Digitala kameran Digital Cameras Digitalkameran i var mans hand! Viktigaste tekniken? Olika sensorer? Ingen film en sensor konverterar ljuset till elektriska signaler. The sensor: CCD Charge Coupled Device CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor same technology as the digital circuits Advanced image processing: auto-focus sharpening, etc komprimering; RAW vs JPEG dvs Moores lag igen! 47 48

13 Varför CMOS? Integration Historia: EITs första digital kamera Kodak DC x504 high resolution =0.38MPixel 1 picture every 5 sec 8 with flash Minnet Utvecklingen av minnen Data lagras oftast i halvledarminnen. Dessa är oftast så kallade Flash-minnen, till exempel SmartMedia cards, CompactFlash eller Memory Stick. Samma som MP3. Andra möjhligheter är CD eller hårddisk, dvs optisk respektive magnetisk lagring

14 Utvecklingen av minnen Hard drive 5GB GB US$199 magnetic recording - easily erased and rewritten The platters - typically spin at 3,600 or 7,200 rpm 170MB GB US$179 The arm - from hub to edge and back up to 50 times per second First Hard Disk: IBM 1956 Vad är ett Flashminne? Halvledarminnen: 5 Mbyte storage >1 ton The world's first hard drive, first introduced in IBM's 5MB Random Access Memory Accounting: RAMAC, magnetic-disk memory storage. It stored information on fifty disks, which spun at 1,200 rpm. These disks are mounted so as to rotate about a vertical axis, with a spacing of three tenths of an inch between disks. This spacing permits two magnetic heads to be positioned to any one of the 100 concentric tracks which are available on each side of each disk. Each track contains 500 alphanumeric characters. Total storage capacity: 5,000,000 characters. The two recording heads are mounted in a pair of arms which are moved, by a feed-back control system, in a radial direction to straddle a selected disk. 55 ROM Read Only Memory data är statisk ti finns kvar när strömmen slås ifrån RAM Random Access Memory data kan både läsas och skrivas försvinner när strömmen slås ifrån FLASH data kan både läsas och skrivas finns kvar när strömmen slås ifrån 56

15 En vanlig transistor. Flash minnen floating ggate transistors MOS transistor (Metal Oxide Semiconductor) Gate Source Drain Gate-oxid (isolerande) Floating gate n + n + Control gate WL BL n + n + p - substrat I ett Flash-minne har vi en speciell transistor. Alla platser i minnet har en transistor men vi kan elektriskt kontrollera funktionaliteten av minnescellen. WAFER 57 EPROM, EEPROM och Flash har olika sätt att styra transistorn. 58 Living in the stage of 20GB memory after passing through the dark-age of 1GB in Vad är detta?...det är fullt! 3kHz from GHz 60

16 Utvecklingen av radiokommunikation Generationer Mobiltelefonin Ericsson: The Harry Hotline campaign, about Vad är: NMT, GSM, GPRS, EDGE, 3G, UMTS, WCDMA, LTE, Bluetooth, WLAN, IEEE802.11a/b/g/n, WiFI, WiMAX......och vad har gjort allt detta möjligt? 63 64

17 Vi behöver antenner...men vart tog den vägen?...men tyvärr energin.? Alessandro Volta in 1800 silver zinc papper socked in salt water En modern telefon har redan fyra eller fem antenner Batterier har inte haft samma utveckling som elektroniken Tack! 67