SoCs: System On Chips

1. SoCs: System On Chips Le ultime sfide in fatto di nanotecnologie

2. Premessa: La Nanotecnologia • Creare minuscoli microchip manipolando gli atomi o esplorando nuove frontiere dell’elettronica nell’infinitamente piccolo grazie alle proprietà della fisica quantistica: sono le strade della tecnologia di domani su cui puntano già i più avanzati centri di ricerca, dai Bell Labs ai laboratori Ibm di Armonk. Anche la Silicon Valley sta vivendo una nuova stagione, lo testimonia la nascita di alucne prime start-up come Nantero (che produce memorie flash basate su nanotubi di carbonio).

3. Il computer quantistico • Si basa sui “qbit” (quantum bit), che permettono capacità di calcolo molto superiori a quelle del computer tradizionale. • Il “qbit” é una struttura che permette di far calcolo trovandosi in uno stato che è allo stesso tempo sia 1 sia 0. • Esso sfrutterà le proprietà elettroniche dei “nanotubi”, fogli di carbonio avvolti che hanno le stesse capacità di un transistor.

4. Le caratteristiche principali dei Nanotubi • Diametro: da 0,6 a 1,8 nanometri (le piste di un circuito stampato non sono di diametro inferiore ai 50 nanometri). • Corrente: la capacità di trasporto viene stimata in un miliardo di ampere per centimetro quadro (i cavi di rame fondono a un milione di ampere per centimetro quadro). • Calore: trasmettono 6000 watt per metro per kelvin (il diamante puro trasmette 3320 watt per metro per kelvin).

5. Le caratteristiche principali dei Nanotubi (2) • Densità: da 1,3 a 1,4 grammi per centimetro cubo (l'alluminio ha una densità pari a 2,7 per centimetro cubo). • Resistenza: 45 miliardi di pascal (la miglior lega di acciaio si frattura a 2 miliardi di pascal). • Stabilità: fino a 2800 gradi C nel vuoto (i microchip fondono fra i 600 e i 1000 gradi C). • Costi: 1500 dollari al grammo alla BuckyUSA di Huston (l'oro costa circa 10 dollari al grammo).

6. In Pratica… • Usando circuiti costituiti da nanotubi per costruire computer, si è calcolato che la frequenza operativa di una CPU potrà tranquillamente arrivare ad 1 TeraHertz (1000 GigaHertz) ed oltre. • Ricordiamo che un Pentium 4, oggi, arriva circa a 2 GigaHertz.

7. Luca Benini e Giovanni De Micheli • Sono due professori universitari che propongono degli standard da usare nella progettazione delle architetture dei SoC. Nel loro articolo si analizzano i problemi che dovranno affrontare i futuri designers e programmatori e cercano di delineare una soluzione semplice ma sicura.

8. I SoCs sono la soluzione alle future sfide riguardo: • Telecomunicazioni • Elettronica di consumo • Multimedia

9. Cosa è un SoC e che tecnologie usa • Un SoC è un chip che contiene al suo interno delle componenti microelettroniche che lavorano scambiandosi dati tra di loro. • I SoC sono attualmente formati da nanotubi, strutture in carbonio che hanno incredibili particolarità interessanti per l’informatica…

10. Analisi delle difficoltà • Fornire operazioni sicure e affidabili tra i componenti • Stando attenti ai limiti fisici dei collegamenti e delle dimensioni dei componenti • Occuparsi del controllo della correttezza del flusso informativo tra i componenti dei SoC

11. Analisi delle difficoltà (2) • Gestire il nondeterminismo delle operazioni e dello scambio di dati. Il modello da usare deve essere necessariamente Stocastico • Controllare il rumore elettronico

12. Soluzioni Prendere in prestito.. • nell’architettura i modelli di progettazione dei sistemi multiprocessore • nei protocolli i modelli di progettazione delle reti.

13. Reti dei SoC e Reti di telecomunicazioni

14. Considerazioni • Sull’energia: se la quantità di calcolo e di memoria usata diminuiscono, non si abbassa la quantità di energia richiesta. Anzi, da come dimostra “Wiring Delays”, l’attuale progettazione basata su tecniche di ottimizzazione dei ritardi chiederanno sempre maggior dispendio di energia. • Si teorizza che l’attenzione su come consumare meno energia aumenterà in futuro.

15. Progettazione della rete • I modelli di progettazione della rete da usare nei SoC devono provenire da quelli usati nei sistemi multiprocessore per elaborazione in parallelo. • 3 tipi di reti: • Reti a mezzo condiviso (Shared medium networks) • Reti Dirette e Indirette (Direct - Indirect) • Reti Ibride (Hybrid networks)

16. Reti a mezzo condiviso (Shared medium networks) • Tutti i componenti condividono il mezzo trasmissivo • Supporto completo del broadcast • Comunicazione asimmetrica (meno ricevono, più trasmettono) • Meccanismi di arbitrio del BUS • Scalabilità ristretta • Alto costo energetico

17. Reti Dirette e Indirette (Direct - Indirect) • Dirette (reti punto-punto) • Superano il problema della scalabilità • Uso dei router nelle microunità computazionali (stessi meccanismi delle reti di telecomunicazioni) • Indirette • L’adattatore di rete associato ad ogni nodo si connette alla porta di uno switch • Gli switches non fanno operazioni nel processare i dati, ma creano solo un percorso che può cambiare nel tempo.

18. Hybrid Networks • Combinano accoppiando le caratteristiche delle reti a mezzo condiviso con quelle Dirette e Indirette.

19. Algoritmi di controllo della rete • I protocolli da utilizzare devono provenire dall’esempio delle reti, che sono già ottimizzate per fornire un servizio affidabile e sicuro.

20. I componenti di un SoC dialogano tra di loro, sfruttando una rete che per essere amministrata potrà usare un micronetwork stack, un adattamento del protocol stack. Software Application System Architecture and Control Transport Network Data Link Physical wiring

21. Micronetwork Control • Esistono 3 livelli di architettura delle microreti: Data Link Transport Network

22. Data Link Layer • Si occupa della sincronizzazione (meccanismi di arbitrio del bus), cerca di rendere meno nondeterministico il sistema e contiene protocolli che limitano gli errori e permettono il recupero delle informazioni perse.

23. Network layer • Questo livello implementa il controllo della consegna dei dati nelle reti punto punto. Contiene gli algoritmi di routing, gestisce i router e gli switch.

24. Transport layer • Si occupa della pacchettizzazione dei dati, suddividendo il messaggio in partenza e riassemblandolo all’arrivo.

25. Sviluppi Futuri • Crediamo che le architetture e i protocolli possano essere “ritagliati e incollati” in vari modi, per distinguere tra le classi di un’applicazione, o la configurazione di un sistema.

26. Software layers • Le architetture di rete e gli algoritmi di controllo costituiscono le infrastrutture e forniscono servizi a tutti i nodi. Questi servizi sono programmabili, e il software creato può essere di due tipi: • Software di Sistema • Software Applicativo.

27. Conclusione • Nonostante le numerose sfide, noi crediamo che gli siluppatori troveranno soluzioni adeguate ai problemi della progettazione delle reti SoCs. Allo stesso tempo, crediamo che l’unica via percorribile sia quella di seguire le linee guida qui esposte, per amministrare la complessità dei sistemi SoCs negli anni a venire.

28. La Legge di Moore • I transistor in silicio più veloci oggi disponibili, sono stati realizzati dai ricercatori di Intel. Grazie a questi transistor verso il 2007 Intel sarà in grado di realizzare microprocessori contenenti un miliardo di transistor e operanti a 20 GHz e a meno di 1 volt. • Gerald Marcyk, Director del Components Research Lab nel Technology and Manufacturing Group di Intel: "La nostra ricerca sui transistor dimostra che siamo in grado di prolungare la crescita prevista dalla Legge di Moore per almeno altre tre generazioni oltre le attuali tecnologie".

29. Tutt’oggi: • Sono 3 i fronti verso cui si sta orientando la ricerca: • Le nanotecnologie • Il computer ottico • Il computer quantistico

30. Ma quella che si affermerà prima sarà probabilmente la nanotecnologia • “Perché permettono di usare le stesse architetture dei chip tradizionali, ma con un ingombro che sarà mille volte minore. Il limite fisico del transistor di silicio è di dieci nanometri. Si potranno mettere cento volte di più componenti in un centimetro quadrato e si comincerà a utilizzare la terza dimensione, costruendo chip cubici, a più strati. ” <Federico Faggin>

31. Bibliografia • Networks on Chips: A New SoC Paradigm – Luca Benini, Giovanni De Micheli • Dalle nanotecnologie al computer quantistico – Federico Faggin • I transitor oggi più veloci – Intel Pressroom • Il prodigioso futuro: dalla Microelettronica alla Nanotecnologia – Ernesto Hoffman(IBM Italia)