INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system...
Transcript of INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system...
![Page 1: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/1.jpg)
INF1400 – Kap 0
Digitalteknikk
![Page 2: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/2.jpg)
Hva betyr digital ?
Digitale signaler: Sekvenser av binære tall i tid. Hvert tall kan bestå av ett eller flere ”bit”
• Binære tall (ord):
– Tall som kun er representert ved symbolene 0 og 1 (bit’s). Nøyaktighet gitt av antall bit. (avrundingsfeil)
• Digitale system:
– System som håndterer digitale signaler
Bit11
0
1 ,01
1 ,00
1 ,11
1 ,
0
0---
tid
Binært tall
![Page 3: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/3.jpg)
Den digitale revolusjon I
Digitale systemer
• CPU
– Datamaskinen
– Internett
![Page 4: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/4.jpg)
Den digitale revolusjon II
Digitale systemer tar over analog signalbehandling
• Eksempler:
– Stereoanlegg (CD / vinylplate)
– Video (DVD / VHS)
– Foto (digitale kamera / 35mm)
– Mobiltelefon (GSM / NMT)
– osv...
![Page 5: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/5.jpg)
Den digitale revolusjon III
Trådløse sensorsystemer
• Eksempler:
– Sensorer/display i klær/stoffer/bøker
– ”Intelligent støv”
– Militær etteretning
– Kroppsmonitorering
– osv...
Millioner av små hardware-”duppeditter”- online (internett)
Micron: pillekamera
Trådløs sensornode
![Page 6: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/6.jpg)
Den digitale revolusjon IV
Silisium er
biokompatibelt !!!
6Neuron / µchip”Braingate” USA
![Page 7: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/7.jpg)
Hvorfor er digitale system bedre enn
analoge system?
Tapsfri signalbehandling
• Tapsfri lagring av signaler
• Kraftigere muligheter for manipulering (filtrering)
• Enklere design
• Billigere…
![Page 8: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/8.jpg)
Det digitale ”egget”
Verden vi lever i er ”stort sett” analog
ADC DAC
Skal vi bruke digitale system til å håndtere analoge fenomen trenger vi en Analog-til-Digital konverter + en Digital-til-Analog konverter
Analogt signal inn Analogt signal ut
Analog verden
Digitalt System
![Page 9: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/9.jpg)
Eksempel: Lydinnspilling
![Page 10: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/10.jpg)
Eksempel: Lydavspilling
• Platespiller
• CD-spiller
![Page 11: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/11.jpg)
MikroelektronikkDen egentlige årsaken til teknologiutvikling
Integrerte kretser
Texas Instruments – 1958
germanium
Fairchild
Første kommersielle krets i silisium
Intel – 1968
Første mikroprosessor i 1971
Jak S. Kilby
Andy Grove
Robert Noyce
Gordon Moore
Kanskje tidenes mest imponerende og viktigste industrielle revolusjon
![Page 12: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/12.jpg)
Intel 4004, mikro-chip
12
1971
2300 transistorer
108kHz klokke
max 648 byte minne
4 bit bus
![Page 13: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/13.jpg)
Pentium 4
>42 000 000
transistorer
>3GHz
klokke
![Page 14: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/14.jpg)
Sun UltraSPARC
![Page 15: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/15.jpg)
Digital krets, ca. 10 000 x zoom
90nm
Transistor
![Page 16: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/16.jpg)
16
![Page 17: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/17.jpg)
Nanoteknologi
17
Transistordimensjoner på atomnivå
5 atomlag
![Page 18: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/18.jpg)
Moores lov
Moores lov: Maksimalt antall transistorer på en chip dobles hvert andre år
![Page 19: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/19.jpg)
Single-chip memory
19
2006 - Samsung NAND flash
• 16 000 000 000 transistorer på samme chip(16Gb memory)
Flash mikrochipEksempel på NAND
flash pakke
![Page 20: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/20.jpg)
Multi core-prosessorer
20
![Page 21: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/21.jpg)
Multi core-prosessorer
![Page 22: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/22.jpg)
Noen kommentarer
Vi står overfor en betydelig oppdeling av faget i spesialiserte retninger
”Mikrochip-design er ikke hva det engang var”
![Page 23: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/23.jpg)
Sammenligning
23
• Synkron binær logikk • Asynkron binær logikk
• Elektrisk strøm styrt av transistorer
• Elektrisk strøm styrt av nevroner
Virkemåte: Virkemåte:
Digital logikk anno 2010 Den menneskelige hjerne
>10 000 000 000 nevronerProsessor (single chip):
• > 1 000 000 000 transistorer
Memory (single chip):
• >16 000 000 000
transistorer
![Page 24: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/24.jpg)
DefinisjonerVLSI (Very-Large-Scale-Integrated-Circuits)
Mer enn 100 000 porter på samme chip
• LSI (Large-Scale-Integrated-Circuits)
– Noen få 1000 porter på samme chip
• SSI (Small- Scale-Integrated-Circuits)
– Noen få porter på samme chip
![Page 25: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/25.jpg)
Digitale designmetoder I
25
Hardware-basert design:
– Strømforbruk / hastighet / areal / spesialfunksjoner / pris / kombinert analog-digital / andre spesielle formål
• FPGA (Field Programmable Gate Array)
– Programmerbar logikk, eks. Xilinx, Altera, osv..
• ASIC (Application Specified Integrated Circuit)
– Skreddersydd logikk (designer på transistor nivå)
• SSI design
– Setter sammen SSI pakker på kretskort
![Page 26: INF1400 – Kap 0 Digitalteknikk · ”Braingate” USA Neuron / µchip. Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri signalbehandling •Tapsfri lagring av signaler](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060719/607f288b39a52375a3059ff0/html5/thumbnails/26.jpg)
Digitale designmetoder II
• MicroController (uC)
– Mikroprosessor med tilhørende I/O og memory på en brikke (datamaskin på en brikke)
• DSP (Digital Signal Processor)
– Microcontroller spesialbygd for rask signalbehandling, eks. video, audio, osv..
• PC / mobiltelefon / PDA …
– Digitale operasjoner kan utføres ved hjelp av passende I/O
Software/hardware-basert design: