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01didel_intro - I blog di Unica

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Elettronica
Anno Accademico 2013/2014
Massimo Barbaro
Università di Cagliari
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
Laboratorio di Microelettronica e Bioingegneria (EOLAB)
Informazioni sul corso
Massimo BARBARO
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
Padiglione B, secondo piano
Tel. 0706755770 – Email: [email protected]
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
2
Programma del Corso

Introduzione al corso di Elettronica:


Dispositivi elettronici analogici:


Principio di funzionamento del diodo a giunzione e del transistor, BJT, JFET,
MOSFET e semplici circuiti integrati. L'amplificazione di tensione e di potenza.
La reazione e la controreazione. L'amplificatore operazionale. Analisi di circuiti
lineari e non lineari basati su A.O.
Dispositivi elettronici digitali:


Temi principali dell’elettronica. Circuiti analogici e digitali. Dispositivi e
componenti. Software di simulazione e di progettazione assistita.
Piccola scala di integrazione (porte logiche fondamentali, reti logiche
combinatorie, circuiti sequenziali). Media scala di integrazione (registri, contatori,
piccoli sistemi di codifica, decodifica, visualizzazione). Grande scala di
integrazione (memorie ecc.). Microprocessori: struttura e programmazione.
Progettazione e strumenti per la progettazione assistita:

Le fasi della progettazione. Dal progetto alla realizzazione: problemi e tecniche.
Utilizzazione del CAD per progettare, simulare e realizzare piccoli dispositivi
analogici e digitali. Il collaudo. La documentazione del processo progettuale e la
documentazione d'uso.
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
3
Struttura del Corso
Ore di lezione: 8
Ore di esercitazione: 10
Sito del corso: http://www.diee.unica.it/eolab2/corsi.html
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
4
Strumenti di studio

Simulatori:


PSpice: software per la simulazione di componenti
e circuiti
Kit sperimentali:



ASLK Pro (Analog System Lab Kit): kit per il test
di componenti e circuiti analogici della Texas
Instruments
Nexsys 2: kit per il test di circuiti digitali con logica
programmabile della Digilent
Galileo: kit per lo sviluppo di appicazioni su
piattaforma Arduino della Intel
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
5
Obiettivi



Conoscere gli strumenti di simulazione per
circuiti
Organizzare un’esercitazione di laboratorio con
componenti discreti
Organizzare un’esercitazione di laboratorio con
componenti programmabili
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
6
Sistemi Digitali
Modulo 1
Università di Cagliari
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
Laboratorio di Microelettronica e Bioingegneria (EOLAB)
Sistemi digitali

I concetti fondamentali che spiegano perché sia
importante conoscere i sistemi digitali sono
esemplificati dalle seguenti considerazioni



I sistemi digitali occupano ormai in maniera
pervasiva quasi ogni aspetto della realtà moderna
Sono alla base praticamente di ogni sistema di
elaborazione, conservazione o trasferimento
dell’informazione, qualunque sia la natura
dell’informazione stessa
Sono così diffusi che spesso li utilizziamo senza
neanche rendercene conto
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
8
Sistemi digitali


E’ importante sottolineare come l’elettronica digitale sia alla base di
un enorme numero di dispositivi che si utilizzano nella vita
quotidiana, anche quando meno ce ne rendiamo conto.
Usiamo un oggetto digitale quando:







Telefoniamo
Guardiamo un DVD
Preleviamo soldi dal bancomat
Lavoriamo al PC
Fotografiamo
Programmiamo il condizionatore d’aria
Guidiamo
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
9
Vantaggi dei sistemi digitali


Per comprendere a fondo le caratteristiche che hanno
fatto dell’elettronica digitale la tecnologia vincente di
questo secolo è bene sottolineare i vantaggi che essa
comporta. Questi non saranno chiari che alla fine di un
corso, ma è bene sottolinearli già dall’inizio per poi, con
esempi pratici durante tutto il corso, ribadire il concetto.
I vantaggi sono






Programmabilità
Versatilità
Velocità
Precisione
Costo
Semplicità di progettazione
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
10
Sistemi Digitali

La definizione di sistema digitale è molto larga.
Bisogna sottolineare comunque, fin dall’inizio,
che gli aspetti caratteristici sono due:


Le informazioni vengono rappresentate in forma
binaria, utilizzando cioè solo due simboli (0 e 1)
L’elaborazione si basa sull’algebra di Boole (o
della commutazione), ossia sugli elementi della
logica
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
11
Segnali Digitali
Campionamento e quantizzazione
Università di Cagliari
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
Laboratorio di Microelettronica e Bioingegneria (EOLAB)
Segnali digitali



I concetti di campionamento e quantizzazione sono alla
base della possibilità di elaborare un segnale con un
dispositivo di tipo digitale
Anche se sono stati spiegati in altri corsi, questi due
concetti debbono essere ribaditi all’inizio di un corso
sull’elettronica digitale perché sono alla base del fatto
stesso di potere utilizzare i circuiti che si spiegheranno
per elaborare qualsiasi tipo di dato
Il fatto che ogni tipo di segnale possa essere (e venga)
rappresentato con dei numeri è molto meno immediato
di quanto si pensi ed è però il punto cruciale con cui si
può comprendere la semplicità ed eleganza di tutta
l’elettronica digitale
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
13
Segnali digitali

I segnali digitali sono



DISCRETIZZATI NEL TEMPO
DISCRETIZZATI IN AMPIEZZA
Questo significa che un qualsiasi segnale, che
sia esso un suono, un’immagine, una
temperatura o qualsiasi altra cosa, è
rappresentato da una sequenza di NUMERI:


Ogni numero rappresenta il valore del segnale in un
particolare istante (istante di campionamento)
Ogni numero può assumere un insieme discreto e
finito di valori possibili
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
14
Segnali digitali
Segnale
Il segnale originale varia con continuità
nel tempo e può assumere qualsiasi
valore in ampiezza
t
Campionamento
Si considera il valore del segnale solo
in determinati istanti di tempo chiamati
istanti di campionamento
t
Quantizzazione
Si suddivide l’intervallo di variazione
del segnale in un certo numero (finito)
di livelli di quantizzazione e si
discretizza il valore campionato, ossia
si memorizza solo l’intervallo di
appartenenza e non il valore esatto
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
t
M. Barbaro
15
Quantizzazione


Quantizzare significa discretizzare, passare cioè da un insieme continuo di
valori ad un insieme discreto.
Avendo, ad esempio, un segnale che può assumere valori fra 0 e 4,
discretizzare su 4 livelli significa dividere l’intervallo 0-4 in 4 sottointervalli:





Intervallo 0-1
Intervallo 1-2
Intervallo 2-3
Intervallo 3-4
A seconda dell’intervallo nel quale ricade il segnale, esso verrà
rappresentato con un numero associato a quel particolare intervallo. Tutti i
valori dello stesso intervallo vengono quindi rappresentati con lo stesso
numero
3.3
2.76
4
3
3
2
2
0.5
1
0
A.A. 2013/2014
Errore di quantizzazione
0
Elettronica - Intro
M. Barbaro
16
Campionamento e quantizzazione


E’ possibile dimostrare, matematicamente, che il
processo di campionamento, che permette di
trasformare un segnale continuo (come un suono) in una
sequenza di numeri NON comporta perdita di
informazione. E’ quindi sempre possibile, sotto
opportune condizioni, ricostruire esattamente il segnale
originale
Il processo di quantizzazione, invece, introduce un
errore (errore di quantizzazione) che non può più
essere recuperato (se rappresento sia 2.76 che 2.1 con
il numero 2 non saprò mai quale era il numero
originario). Se il numero di livelli di quantizzazione, però,
è sufficientemente elevato, l’errore diventa molto piccolo
e trascurabile. L’errore massimo è infatti pari
all’ampiezza del singolo intervallo, che risulta molto
piccola se si prende un gran numero di intervalli
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
17
Segnali digitali


Un’immagine fissa, ad
esempio, è
rappresentata da una
matrice di numeri che
rappresentano
l’intensità luminosa
39
49
58
42
54
35
31
68
52
36
74
27
48
56
53
61
50
22
51
69
94
89
36
22
48
73
65
40
53
38
30
32
27
28
30
31
Un video è rappresentato da una sequenza di immagini fisse, quindi
un insieme di immagini ognuna presa in un certo istante di
campionamento
39
49
31
68
48
56
51
69
48
30
58
48
48
52
53
42
39
31
36
54
49
61
74
50
Elettronica - Intro
58
27
54
22
68 52 74
89 4836 5622 39
48 56 53 61 50
73 65 40 4853 5638 31
51 69 94 89 36
32 27 28 4830 5631 53
48 73 65 40 53
51 69 94
30 32 27 28 30
48 73 65
94
30
A.A. 2013/2014
35
M. Barbaro
32
27
35
27
49
22
68
22
61
38
89
31
40
28
58
35
52
27
50
22
36
22
53
38
30
31
18
Segnali digitali

Un documento di testo è
rappresentato da una sequenza
di numeri, ognuno dei quali
rappresenta una lettera e le
eventuali sequenze di controllo
(a capo, tabulazione, etc.)
secondo un sistema di codifica
detto ASCII
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
73
I
110
n
115
s
116
t
97
a
108
l
108
l
105
i
110
n
103
g
19
Rappresentazione dei numeri
Rappresentazione binaria dei segnali
campionati e discretizzati
Università di Cagliari
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
Laboratorio di Microelettronica e Bioingegneria (EOLAB)
Sistemi digitali

Proprio il fatto che le informazioni sono
rappresentate sempre come numeri ha dato il
nome ha questo tipo di sistemi


DIGIT : Termine inglese per CIFRA
Non tutti i sistemi elettronici sono sistemi digitali,
ad esempio


Musicassette
Televisione terrestre analogica
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
21
Rappresentazione dei numeri

Come vengono rappresentati, a loro volta, i numeri?

Utilizzando la notazione posizionale
N = b3r3+b2r2+b1r1+b0r0
b3b2b1b0
Cifra (può assumere
un valore compreso
fra 0 e r-1)
Base (radix, in
inglese)
In una rappresentazione decimale, ovviamente, r=10 e
le cifre sono comprese fra 0 e 9
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
22
Rappresentazione binaria

In generale, in un sistema digitale la base
utilizzata è 2 (numeri binari) in quanto si hanno
a disposizione solo due cifre (0 e 1)
b3b2b1b0
D = b323+b222+b121+b020
Esempio:
10112
D = 1x23+0x22+1x21+1x20= 1110
Il pedice in basso a destra indica la base della notazione
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
23
Rappresentazione dei numeri

Generalizzando rispetto al numero N di cifre utilizzate, la
formula per ricavare l’equivalente decimale di un
numero binario è:
Word (N bit)
b0
bN-1
0
1
1
0
1
0
0
1
Bit (bi)
N 1
D   bi 2
i 0
A.A. 2013/2014
i
b0 bit meno significativo (estrema
destra)
bN-1 è il bit più significativo (estrema
sinistra)
Elettronica - Intro
M. Barbaro
24
Rappresentazione binaria
La rappresentazione fisica
avviene per mezzo di
grandezze elettriche.
A disposizione ci sono
fondamentalmente 3
grandezze da utilizzare
(tensione, corrente, carica).
V (volt)
5
3.5
1 (vero)
1.5
Normalmente la scelta cade
sulla tensione, che è più
facile da maneggiare e
misurare.
A.A. 2013/2014
0
Elettronica - Intro
0 (falso)
M. Barbaro
25
Rappresentazione binaria
A ciascun simbolo, quindi,
viene associato un intervallo
di valori di tensione e non un 5
singolo valore.
I due intervalli sono separati
da una banda proibita di
3.5
valori di tensione che non
dovrebbero MAI essere
raggiunti.
1.5
La presenza di disturbi
(rumore) quindi non altera i
dati a meno che l’intensità
del rumore stesso non causi 0
un salto da un intervallo
all’altro.
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
V (volt)
Il dato non cambia valore
V1
V2
Il dato cambia valore
M. Barbaro
26
Rappresentazione binaria



La rappresentazione binaria è quindi
un’astrazione logica che consente di
dimenticare i dettagli fisici (il segnale in realtà è
una tensione quindi un segnale analogico) per
concentrarsi sugli aspetti logici del sistema
L’esistenza di soli 2 simboli, inoltre, rende più
semplice realizzare i circuiti perché il rumore
influenza molto meno il comportamento dei
dispositivi
Le operazione logiche seguono le regole
dell’algebra di Boole (della commutazione)
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
27
Rappresentazione binaria



L’aspetto cruciale di tutto questo discorso sta nel fatto che
l’informazione (qualsiasi informazione) può essere rappresentata da
una sequenza di DUE SOLI SIMBOLI
La rappresentazione fisica di questi simboli può cambiare da
dispositivo a dispositivo ma l’informazione che essi portano è
sempre la stessa!
Esiste una marea di esempi facilmente ottenibile dalla vita reale che
possono essere usati per chiarire questo concetto:




L’informazione nei circuiti elettronici di un PC (RAM, processore,
periferiche) è rappresentata con una tensione
L’informazione contenuta nella memoria flash di una scheda USB, o
di una fotocamera digitale o di un lettore MP3 portatile è invece
rappresentata da una carica elettrica (intrappolata o meno in un
capacitore)
L’informazione contenuta in un disco rigido è rappresentata da uno
stato magnetico
L’informazione rappresentata in un CD o un DVD è di tipo ottico (un
fascio laser che viene riflesso o meno)
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
28
Elaborazione di segnali digitali
Richiami sull’algebra di Boole
Università di Cagliari
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
Laboratorio di Microelettronica e Bioingegneria (EOLAB)
Algebra di Boole


L’algebra di Boole o della commutazione è lo
strumento che si usa per l’elaborazione
dell’informazione binaria.
L’algebra di Boole si basa su 2 simboli (0/1) e i 3
operatori: somma (+), prodotto (•) e negazione
(‘).
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
30
Algebra della commutazione


L’algebra della commutazione è definita su un
insieme di due elementi (0 e 1), che sono gli
elementi con cui abbiamo costruito la
rappresentazione delle informazioni e che
corrispondono al FALSO e VERO dell’algebra
inizialmente sviluppata da Boole
Gli operatori sono 3, gli stessi di Boole:



PRODOTTO LOGICO
SOMMA LOGICA
NEGAZIONE
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
(AND, ·)
(OR, +)
(NOT, ‘)
M. Barbaro
31
Funzioni logiche

Una funzione logica è una relazione algebrica
ingresso/uscita che lega un numero N di
ingressi con l’uscita.
x1
x2
F(x1,x2,…,xN)
F
xN
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
32
Rappresentazione di funzioni logiche

Una qualsiasi funzione logica può essere
rappresentata in svariati modi.




Tabella di verità: la tabella di verità ha tante righe
quante sono le possibili combinazioni degli ingressi
e per ogni riga viene indicato il valore della funzione
Espressione logica: la funzione è rappresentata
per mezzo di un’espressione algebrica contenente
le variabili di ingresso e gli operatori logici di base
Mappe di Karnaugh: rappresentazione grafica
basata sulla visualizzazione delle combinazioni di
ingressi per cui la funzione vale 1 (o 0), utilizzata
per la minimizzazione della funzione stessa
Schematico: rappresentazione grafica per mezzo di
simboli
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
33
Principali funzioni logiche
NOT
Espressione
algebrica
Z=X’
Tabella di verità
X
Z
0
1
1
0
Simbolo grafico
OR
Z=X+Y
A.A. 2013/2014
X
Y
Z
X
Y
Z
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
Elettronica - Intro
AND
Z=X•Y
M. Barbaro
34
Principali funzioni logiche
NOR
Z=(X+Y)’
XOR
Z= X•Y’ + X’•Y
A.A. 2013/2014
X
Y
Z
X
Y
Z
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
X
Y
Z
X
Y
Z
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
NAND
Z=(X•Y)’
XNOR
Z=X’•Y’+X•Y
Elettronica - Intro
M. Barbaro
35
Implementazione di funzioni logiche

E’ dimostrabile che qualsiasi funzione logica
può essere implementata con i soli operatori di
somma, prodotto e negazione e con solo 2 livelli
di logica. Ossia con somme di prodotti o prodotti
di somme.
1° livello
2° livello
A’
B
F
C’
D
Somma di prodotti
A.A. 2013/2014
1° livello
2° livello
A
B’
F’
C
D’
Prodotto di somme
Elettronica - Intro
M. Barbaro
36
Insieme funzionalmente completi



L’insieme AND, OR, NOT è dunque
funzionalmente completo perché avendo a
disposizione solo tali operatori è possibile
implementare ogni funzione logica
Anche il solo insieme AND, NOT è
funzionalmente completo, grazie al teorema di
DeMorgan che consente di trasformare una
somma in un prodotto
Per dualità è completo anche il solo insieme
OR, NOT
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
37
Insieme funzionalmente completi

Il solo operatore NAND (il simbolo della NAND è
) è un insieme funzionalmente completo, infatti:

Con una NAND si può implementare l’operatore
NOT:


Con la NAND si può implementare il prodotto


AB = (AB)’’ = (A  B)’ = (A  B)  (A  B)
Con la NAND si può implementare la somma


A’ = (AA)’ = A NAND A
A+B = (A+B)’’ = (A’B’)’ = (A  A)  (B  B)
Analogamente si può mostrare che la sola NOR
è un insieme funzionalmente completo
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
38
Implementazione con operatori NAND
A’
B
F
C’
D
(X•Y)’=NAND(X,Y)
A’
B
Per il teorema di DeMorgan è
possibile trasformare la somma
di prodotti in modo da avere
solo operatori NAND
(X’+Y’)=(X•Y)’=NAND(X,Y)
F
C’
D
A’
B
F
C’
D
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
39
Implementazione con operatori NOR
A’
B
F
C’
D
(X+Y)’=NOR(X,Y)
A’
B
Analogamente è possibile
realizzare il prodotto di somme
con soli operatori NOR
(X’ • Y’)=(X+Y)’=NOR(X,Y)
F
C’
D
A’
B
F
C’
D
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
40
Realizzazione fisica di sistemi digitali
Evoluzione tecnologica dei sistemi di
elaborazione digitali
Università di Cagliari
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
Laboratorio di Microelettronica e Bioingegneria (EOLAB)
Sistemi digitali


Il concetto stesso di elaborazione digitale ha
avuto un drammatico impatto sull’evoluzione
della società moderna portando allo sviluppo
della tecnologia con maggiore tasso di crescita
mai prodotta nella storia dell’umanità
Una rapida carrellata sulla storia della
realizzazione di sistemi digitali e della tecnologia
di realizzazione fisica dei dispositivi integrati
consente di meglio comprendere gli aspetti
peculiari della progettazione ed utilizzazione di
sistemi di questo genere
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
42
Il primo calcolatore

La prima macchina calcolatrice
paragonabile ad un moderno
elaboratore non è un dispositivo
elettronico ma bensì meccanico,
il “Difference Engine I” realizzato
da Babbage nel 1832




Macchina in grado di compiere
operazioni elementari in
sequenza arbitraria
Sistema di numerazione
decimale
Composto da più di 25000
componenti meccanici
Costo di 17470 sterline
dell’epoca
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
M. Barbaro
43
Elettronica digitale



La svolta, nella realizzazione
di sistemi di calcolo
automatici, avvenne con il
passaggio all’elettronica che
consentiva costi minori e
minore complessità costruttiva
Inizialmente si trattava
comunque di dispositivi basati
su valvole (vacuum tubes),
quindi ancora ingombranti e
dispendiosi in termini di
energia
I primi elaboratori ebbero uso
militare (ENIAC, usato nella II
Guerra Mondiale per il calcolo
delle traiettorie balisistiche
dell’artiglieria americana)
A.A. 2013/2014
Elettronica - Intro
ENIAC - 1946
18000 valvole
Dimensioni di una stanza
M. Barbaro
44
Il transistor


Data la complessità della
tecnologia valvolare non era
possibile aumentare la
potenza di calcolo degli
elaboratori a valvole (l’ENIAC
aveva meno capacità di
calcolo di quella contenuta in
un telefonino GSM)
La svolta avviene nel 1947
con l’invenzione del transistor
(Bell Telephone Laboratories).

Il transistor implementa le
stesse funzionalità di una
valvola in forma integrata (a
stato solido) quindi
occupando meno spazio,
utilizzando meno potenza e
raggiungendo velocità
enormemente superiori
A.A. 2013/2014
1947 – Transistor a giunzione
Elettronica - Intro
M. Barbaro
45
Circuiti integrati


Lo sviluppo della tecnologia
porta rapidamente alla
capacità di integrare più
transistor sullo stesso pezzo
di materiale dando il via allo
sviluppo dei circuiti integrati e
l’esplosione delle capacità di
elaborazione implementabili
su un singolo pezzo di silicio
(chip)
Il primo circuito integrato è
realizzato da Jack Kilby nel
1958 (Texas Instruments)
Porta logica ECL a 3 ingressi
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Il transistor MOS
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
L’ultima svolta di rilievo nella tecnologia
elettronica è stata l’introduzione del transistor
MOS, alla fine delgi anni ’60 (anche se l’idea di
base risale al 1925, ma limiti tecnici di
produzione impedirono la realizzazione)
Il transistor MOS, con la sua incredibile capacità
di scalare (diminuire in dimensione) al migliorare
della tecnologia ha permesso l’esplosione del
mercato elettronico e la miniaturizzazione
estrema dei circuiti integrati
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Legge di Moore (1965)
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Nel 1965 Gordon Moore predisse che il numero di transistor
contenuti in un circuito integrato sarebbe aumentato in modo
esponenziale, ossia che sarebbe DUPLICATO ogni 18 mesi
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Legge di Moore aggiornata


Più volte è stata annunciata l’impossibilità di mantenere il passo dettato da
tale legge, eppure risulta valida ancora oggi
La legge di Moore è diventata quasi un pungolo per l’intera industria
elettronica che si sente obbligata a rispettarla
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Scaling

L’aumento del numero di transistor contenuti in
un circuito integrato è legato principalmente alla
miniaturizzazione del singolo transistor (scaling)
che consente di ottenere:



Circuiti più compatti
Più veloci
Meno dispendiosi in termini di energia per
commutazione (1->0 o 0->1)
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Aumento della frequenza

Lo scaling ha permesso il continuo aumento della
velocità dei processori
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Legge di Moore e grafici



E’ importante stabilire un nesso fra gli aspetti
teorici e la realtà quotidiana
Questo è molto facile nel campo dell’elettronica
digitale perché tutti fanno uso di dispositivi come
il PC e conoscono le sigle dei principali
processori
Nei grafici è quindi bene sottolineare
l’introduzione dei processori più noti (per il
momento il Pentium) sottolineando il progresso
tecnologico che è stato necessario per arrivare
fino a tale risultato
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Legge di Moore e frequenza
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

Altro aspetto fondamentale è l’aumento delle frequenza
di funzionamento (la caratteristica forse più conosciuta
del processore)
Tale aumento non sarebbe possibile senza la capacità
di realizzare dispositivi sempre più piccoli
Il motivo è facilmente spiegabile con l’analogia familiare
dei mezzi di locomozione: è evidentemente più facile
fare prendere velocità ad una macchina che non ad un
autoarticolato, questo perché la massa (è l’inerzia) è
proporzionale in parte alle dimensioni. Nello stesso
modo a transistor più piccoli corrispondono dispositivi
più veloci perché la “massa” (la capacità, come si vedrà
in seguito) è più piccola
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Limiti all’aumento dell’integrazione

Uno dei maggiori limiti all’aumento dell’integrazione non è solo
tecnologico ma anche pratico: all’aumento dei componenti
integrati aumenta la dissipazione di potenza sul chip
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Aumento della potenza
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L’aumento della potenza presto renderà impossibile diminuire la
quantità di calore sviluppata dal singolo chip
Può essere solo parzialmente corretto a livello di progettazione
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Legge di Moore e potenza

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Anche in questi grafici è possibile sottolineare
aspetti pratici, in particolare la flessione del
consumo di potenza avviene in corrispondenza
dell’introduzione delle logiche CMOS che poi
verranno studiate
E’ bene quindi sottolineare che le cose che si
imparano hanno una effettiva corrispondenza
commerciale: l’introduzione del CMOS dà luogo
ad una evidente flessione nei grafici della
densità di potenza visto che la principale
proprietà delle logiche CMOS è l’eliminazione
del consumo di potenza statica
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Punti chiave dell’evoluzione tecnologica
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La rappresentazione digitale non comporta
necessariamente l’elaborazione elettronica (Babbage =
sistema meccanico)
L’elaborazione elettronica non comporta
necessariamente la miniaturizzazione (ENIAC =
computer delle dimensioni di una stanza)
Il primo snodo fondamentale è l’invenzione del transistor
(che elimina le valvole)
Il secondo snodo fondamentale è l’invenzione del
circuito integrato (mettere più transistor nello stesso
pezzo di silicio)
Il terzo snodo fondamentale è l’introduzione del MOS
(riduzione della potenza)
Senza questi elementi non sarebbero stati possibili i
sistemi digitali moderni
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Riassumendo
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I sistemi digitali costituiscono la grandissima
maggioranza dei sistemi elettronici
I segnali digitali sono campionati e quantizzati
La rappresentazione delle informazioni è binaria
I simboli binari sono rappresentati elettricamente da
intervalli di tensioni
L’elaborazione delle informazioni si basa sull’algebra di
Boole
Esistono vari metodi per rappresentare una funzione
logica
Il rapido sviluppo della tecnologia del silicio ha
permesso una crescita vertiginosa delle capacità di
elaborazione di un qualsiasi sistema digitale
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Legge di Moore e didattica
Esempi tratti dalla vita pratica possono servire a mettere in
evidenza dei paradossi per rendere ancora più evidenti
alcuni concetti che sono così quotidianamente utilizzati da
non essere facilmente distinti
Questa sequenza di strisce tratta da vecchi numeri di
Topolino, ad esempio, può dare rapidamente il senso
stesso dell’evoluzione della tecnologia.
Si parla infatti di una storia dei primi anni 80 (quindi
relativamente recente) ambientata nel futuro. La visione del
futuro è così lontana dalla realtà da far comprendere quanto
sia stata rapida ed impensabile l’evoluzione prodotta in soli
20 anni.
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Legge di Moore
“Topolino nel mondo di Eta Beta”
29 Novembre 1981
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Legge di Moore
Un transistor che non lascia passare corrente
è un paradosso in una tecnologia integrata
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Legge di Moore
5000 transistor sono un numero ridicolo in un mondo
dove nel solo Pentium sono presenti milioni di transistor
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Legge di Moore
In una tecnologia integrata non si sostituisce
il singolo transistor
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