(音樂) 好 那我們今天就開始我們正式上課 上次introduction 現在今天正式開始上課 我們今天要介紹的這個單元 就是computer abstraction and technology 好 我們看一下 在這個單元裡面 我們要介紹哪些東西 就在後面 助教是不是那個 講義就在那個後面 OK 好 那有三個部分 第一個部分呢 就是我們要看看computer 發展的歷史 看它怎麼從最開始演進到現在 它整個歷史的過程是怎麼樣 再過來呢 我們會介紹一下abstraction abstraction的意思就是說 在每一個層級 我們可以把下面的detail complexify hide住 然後我們只探討那一層 這樣的話比較容易了解 那我們從不同的角度 來看這個computer abstraction 那再過來第三個單元是technology 我們會看說 這個隨著technology的發展 然後我們這個 再去衡量一個computer 它的好還壞呢 我們要定一些這個performance 就是訂一些這個指標 來看看說這個到底是好還是壞 那我們知道這個computation的time CPU time是很重要的一種指標 那另外power也是一個很重要的指標 那我們會再教各位同學 有了這些指標之後 那我怎麼樣去這個 衡量一個computer的好跟壞 我們所謂profiling benchmarking的動作 那最後我們要看看說這個cost 這個cost performance跟cost 當然是一個相對的對不對 你cost越高可能performance越好 或一個trade-off 那這是這個單元 我們會介紹的三個主題 那今天我們先專注在第一個主題 就是它的歷史上的演變 computer怎麼來的 那電腦到底什麼時候發展出來的呢 我們看 大概在1300多年前 其實中國就已經有什麼了 就有算盤 對不對 算盤就可以幫我們做計算了 對不對 那它是不是一個computer呢 算盤是不是一個computer 我們沒講說算盤是一個computer對不對 為什麼它不是一個computer 它可以幫我們做計算啊 那是不是因為它沒插電 插一個電可以叫做computer 當然也不是 那computer到底是什麼呢 那根據一個字典 一個dictionary它告訴我們說 computer它是一個programmable 這句話很重要 它是可以隨著你的需求去改變它 所運作的動作的 programmable 它是一個electronic machine 它做高速的數學啊 邏輯的運算 或者把資料收集起來 儲存分析 那這樣的一個機器 我們叫做computer 好 那其實在真正的那一台computer出來之前 其實歷史上已經有很多的計算的裝置了 那這些裝置呢 它也許是一個general purpose is a special purpose 或者是programmable 或者non-programmable 或者是它做科學的運算 也許是說data processing 或者是機械的 或者機械電子的 或電子的各式各樣 那一些例子來看一下 比如像這台機器就是做difference的 這台就是做記帳的 那這邊還有一台也是很重要的 就是這個Harvard Mark I 這台機器 這台機器是一個general purpose的一個機器 但它是機械跟電子的一個設備 那這台機器還有一個很重要的feature 就是說它的instruction跟data是分開儲存的 那這種structure以後 接到我們後面的architecture 在設計computer的時候 就是說如果像這種的設計 說你的instruction跟data是分開兩個地方擺的話 就叫作Harvard architecture 雖然它這麼早 1944年出來它也有貢獻 我們現在如果把instruction跟data 放在不同的memory的地方的話 就叫作Harvard architecture 好 那第一部 全電子式的 可以程式的 一般用途的電腦到底什麼時候發展出來的 好 那一般來講是說 這個是在這個叫作ENIAC 這部電腦是所謂第一台的 真的叫第一部的電腦 它是在1943年的時候 在University of Pennsylvania的一個project developed出來 它一直到1946年才完成 好 那先問同學一下 在這個期間 1943到1946年之間 在歷史上有什麼大事情發生 為什麼會要去發展一個computer (二戰) 欸 這很厲害的同學 因為在1939到1945 就是打第二次世界大戰 好 戰爭常常是 導引我們要發展很多technology 那個時候因為要 截取別人的密碼對不對 那就要很大的運算 所以就才有這個project 所以computer其實真的發生是 為了戰爭才有computer這個 這個project出來 那這個第一台這個電腦 它是長是25公尺 25公尺多長 我們跑步的時候100公尺對不對 那25公尺就四分之一了 那就很長囉 那高是2. 5公尺 你幾公分 170 170 它比你還高 2. 5公尺 170 2.
5公尺這麼高 那它主要是用什麼做成 是用真空管做它的switch 我們知道switch是一個很重要 做成你component的東西 這個就是一個真空管 它是用真空管做成的 那它的速度是怎麼樣 是每秒可以執行1900個加法 那很有趣的就是說 它的programming 不是像我們現在寫的或什麼方法 它是用人為的去把那個cable switch要用人去調整 去調整 這是第一台的電腦 我們看到下面有一個圖 你看這就是它的圖 它這麼長你看 這個25公尺高2. 5公尺 然後你看這邊 這個女士在這邊做programming 然後再做把這個cable跟switch 搬來搬去 這就是programming 這是第一台的computer 好 那在大概同一個時間 也發明了電晶體 電晶體就是transistor 那transistor它跟真空管比較起來 它是比較reliable 因為它是在 就是它是用第一個 放在silicon上面的transistor 就是實體在那邊了 所以它更reliable 這在大概同樣的一個時期 就發明了transistor 當作一個switch 那將來這個switch 有跟其他東西就變成IC 才會造成我們未來 後來的發展 我們待會再講 好 那之後 在50年代 剛剛是差不多40年代 我們就開始有computer 在50年代的電腦就開始商品化 那當然那時候的電腦是很貴的 很大台對不對 很貴 要專門的房間去擺它 那主要的用途就是在用在商務 辦公室自動化 或者是科學計算這些 因為每一台都非常貴非常貴 不是我們一般人所能夠使用的 那你可以看這個房間 大家在冷氣什麼的 溫度都很重要 那這50年代的時候 那在50年代 使用電晶體的電腦也出現 那這就是IBM1401 就是這台電腦 就是第一台使用電晶體的電腦就出現 那這個IBM其實是一個什麼樣的公司 IBM一開始它只是做那個punch card 我們知道 這其實在我在念書的時候 我們的要寫程式 或者要寫data輸進去 都不是用像你們現在有keyboard 很多input的device對不對 我們都要打卡片 一張一張的卡片 然後卡片就一個洞一個洞的 你要打一個洞或不洞 就是讓光透過去或不透過去 那IBM最開始是一個punch card的公司 它不是做電腦的 但在50年代它才開始做電腦 那這是它用電晶體做出來第一台電腦 所以這個 Blue的 所以我們常常IBM被稱為Big Blue 它是第一台電晶體電腦 所以在IBM產生的 做出來的 那在這個時期 就剛剛講的也很重要的叫做 integrated circuit的出現 integrated circuit是什麼東西呢 因為剛才我們說有transistor嗎 你發明了transistor 但是你要做成一個computer 你還要什麼電阻電容其他東西 那這些東西都是discrete 就是一個一個的component 一個一個的component 你如果要把它接起來 你的physical implementation 因為你要接起來就是 要有很大的空間 對不對 那integrated circuit是什麼東西呢 integrated circuit就是說 把這些所有的transistor resistor capacitor 全部在一個single的 single conductor裡面 就是當我們在做一個IC的時候 在做一個chip的時候 所有東西都一起做出來了 就不用再外接去把它連接起來 那這個的突破 這個IC這個發現 就造成後面以後 我們說我們的size可以一直shrink 對不對 後面我介紹說 我們已經手沒有辦法觸碰到 就是很小很小很小 那如果說你是discrete component 一個一個 那你要把它接起來 接起來的size一定要相當大 對不對 當你把這些所有的component 都integrate在chip裡面的時候 就可以變得很小很小 那這個的發明 導致於我們後面 我們computer發展這個 這個一日千里對不對 可以把更多的東西 device放在一個chip裡面 更多的device放在一個chip裡面的話 就表示更大的computation的power 這個是很重要的一個 發明這是在1958年的時候的發現 好 那在70年以後呢 當很多transistor放在一個IC之後 最重要的一個就是 在Intel 4004的micro processor 就是微處理器的這個產生 就是做成了微處理器 那第一個微處理主要是用在一個 計算機上面 主要是用在計算機上面 它也是business的考量 它本來是要12顆chip才可以做成 它把他們全部都整合在一顆chip 就便宜嘛 所以造就了第一顆的微處理器 micro processor 那有了micro processor之後呢 當然後面就有了 所謂的PC personal computer 在1977年的時候呢 Apple II就產生了 這是這個personal computer的開始 在1977年的時候 好 那在Apple出來之後 其實IBM的PC是晚了4年才出來 它是1981年的時候才出來的 那IBM其實我們之後 我們知道後來 這個Apple personal computer跟IBM 其實IBM更發揚光大對不對 大家大部分都是PC 用Intel的personal computer 當然現在又有人回到 Macintosh Apple的 但是它的量還是相對的少 那過去都是用這個PC personal computer 那當然有這個PC之後呢 我們也造就了微軟 它solve operating system 這兩個呢 在過1980年年代一直到2000年 都是dominate PC的市場 那現在有一個問題就問大家了 那之前我們說 其實這個Apple II 是很早就出來了對不對 那這個IBM的PC是晚了4年才出來 那為什麼後來大部分的PC 都是IBM的 就在這樣的架構之下 當然它不一定掛IBM的牌子 就是所謂personal computer 有沒有誰知道 理由 啊 便宜 便宜 相對便宜是不是 還有沒有別的理由 它為什麼可以便宜 對 它為什麼可以便宜 好來 知道嗎 知道 它跟Apple II最大的差異 它是一個open system 什麼叫open system 它把它的spec全部告訴你了 其實你要來 你要來參加通通都可以 所以也造就台灣的很多周邊的 這些零組件的這個發展 我只要滿足你的spec 我可以加一些feature在裡面 這樣 所以造成大家都可以賺錢啦 對不對 因為你只是open這個系統 對不對 每個人都可以contribute 你要貢獻 每個人都可以透過這個架構 得到賺到的錢 所以很多人就把 很多公司都在做這個研發 我要怎麼樣從這個地方賺錢 所以呢 因為大家更多人要賺錢 更多人可以做這件事情 那當然這個就 所謂便宜也是一個原因 對之後導致更便宜 更多人在就是拱這個 這個design 所以IBM PC就比這個Apple 這個這個Tool之後就成功 結果Apple就不然就沒有了這樣 那其實現在的手機 也有兩種狀況對不對 一種就是Android的系統 對不對 HTC啊Samsung啊 它大家都可以用啊 你的Android就是說 你跟它講好之後 你就可以在上面develop 那另外就是Apple 它是closed system 所以到底誰成功誰失敗還不知道 好 那在1970年代 還有一些很多的周邊的這個 這個這個發明 很了不起的發明 這主要其實你看是在Xerox的 Xerox不是做影印機的嗎 對不對 它有一個實驗的這個PC 叫這個Auto 它的Mouse啊 Ethernet啊 Graphics啊 Icon啊 Menu啊 還有What you see is what you get the editing 都是在這個地方 它就已經有prototyping了 所以我們現在很多 你現在用到的東西 其實在1973年在Xerox 這個實驗性的PC上就已經有了 那像local area networking laser printer 這些distributed computing 其實通通都是 在那時候就已經有 這個概念出來 prototyping裡面就有了 那最重要的是應用 剛剛講這麼多的發展 這樣過來對不對 有micro process 有PC出來 但是真正讓你好用的呢 並不是硬體 是軟體 是軟體 一定要有應用 要有應用程式 如果你光光有個硬體 在那邊很powerful 沒有用 一定要有軟體叫在上面 那讓PC真正成為最有用的東西 是它的應用軟體 在1979年的時候 第一個用電腦 我們把記帳的軟體做出來了 這麼好 這麼容易記帳 這麼容易處理這些 才變成真正的popular 之後有D-base 做database這些東西 所以軟體 有硬體沒有用 還要有應用 application 兩個加起來之後 才會讓你的這個越來越發展 好 那之後當然還有很多很多的device 就是加入 一直到80年代的時候 80年代比較重要的就是 有一個新的architecture 叫RISC的architecture 就進入這個 這個computer這個領域 那最主要原因是因為 到了80年代的時候 我們進入了所謂VLSI VLSI就是Very Large Scale Integration 就是我的transistor 在一個single chip裡面 已經可以有好幾十萬個transistor 所以你的computation power 已經變得非常非常的大了 進入這個VLSI的這個時代 那這三個人 IBM的Cocke UC Berkeley的Patterson Stanford的Hennessy 這兩個就是我們這本書的作者 對不對 他們就提出了這個 RISC的instruction set computer RISC就是reduced instruction set computer 那這個不只是學術 其實也是有很多的commercial的 之後很多commercial的processor 都是用這RISC的structure 但主要都是用在workstation Mips、Sum、IBM這些 那這個RISC相對應的是什麼 當然就是到了跟誰比 是跟CISC比 跟CISC叫complex intrusion set computer CISC就是用在哪裡呢 你說CISC用在哪 就是用在我們的PC 就Intel的那processor Intel的processor就是用CISC 它主要用在Intel X86系列的processor上面 好 那80年代之後 當然就是PC 我們就是一直 隨著時間一直 你就越來越high end 越來越速度越快 workstation就越來越少人在用 大家只要一個PC就好 那後來的Google 在計算機結構方面 就是到我們現在 比較沒有那麼多了 但是在後PC時代已經來臨了 就是說PC已經是 幾乎人人都有了對不對 但是發展什麼東西呢 我們現在發展的是 embedded computer 什麼是embedded computer呢 看到這邊 冰箱裡面也有computer 照相機 computer 攝影機手機手錶 各式各樣 無所不在對不對 computer已經不僅僅是一個 computation的工具 是我們PC 我們所有的 各式各樣的device 通通裡面都有一個computer 那剛才這些 這樣的一直發展過來 我們可以從40年代 對不對 開始有computer 到現在才多少年啊 不到60年對不對 我們computer發展非常非常的快速 那在這所有的 快速的發展的下面 有一個這個law 有一個law 來support這件發展 就是所謂Moore’s Law Moore’s Law說什麼東西呢 Moore’s Law說 每一年半呢 我們的transistor就可以double 在一個single chip上面 我的transistor就可以double 意思就是說每隔一年半 我同樣的面積 同樣的成本 我就可以有更強大的 computation power 一年半就double 一年半就double 一年半 這就是Moore’s Law 因為Moore’s Law的關係 你transistor可以double 就表示什麼 你的computation power更強大 而且怎麼樣 越便宜嘛 越便宜對不對 所以它可以 什麼地方都可以用到這個 這個computer 它讓你看computer 現在連車子裡面 也要裝這個micro process 對不對好多micro process 你的手機 當然一定有micro process在裡面 我們基因的research 要用到很多的computation去算 這個基因怎麼樣 也是要用到computation power world wild web search engine 到處都是computer在裡面 就是因為Moore’s Law 它一個prediction 那我們看什麼是Moore’s Law 剛剛已經講過 每一年半transistor就double 那為什麼可以double呢 我們用下面這個圖 來給大家做一個解釋 好 這個圖還記不記得 所以我們在一開始的時候說 transistor就長這個樣子 對不對 那它的運作怎麼運作 我們說我們這個 當你Gate有一個voltage 在這邊的時候 你下面會怎樣 形成一個channel 對不對 會形成一個channel 那這個channel呢 就是如果形成channel 那這是source跟drain drain之間就會怎麼樣 有什麼 電流可以通過去對不對 就形成一個什麼狀況 開的狀況對不對 形成一個開的狀況 那也就是說開跟關 就是要從這邊這個地方 到這個地方的距離 如果距離越短的話 我的速度怎麼樣 開 關就越怎樣 越快 對不對 那所以你是不是希望說 這邊的距離是越短越好 對不對 當然希望越短越好對不對 可是你可不可以 這個transistor可以 有辦法達到 你要多短就多短嘛 其實是跟你technology 有關係的 我當然希望它盡量的 越縮越短越好 但是你不見得能做到這麼短 所以這個呢 這個希望越短越好 這個距離呢 就叫做feature size 就隨著你的technology進步 現在呢 我一開始可能是100個micron 然後我進步可能到50個micron 到多少個micron 那就是就是說 我最短最短的technology 可以到哪裡 到哪 那個東西呢 我們就稱為叫做feature size 就是line width 也就是指從source drain之間這個長度 我們說長度 從這邊到這邊的距離是多少 就是feature size 當然feature size就是 跟你的technology有關 這樣了解了嗎 那feature size是什麼東西 它這裡是我的line width 它說我們看這張圖 它說也就是說你隨著technology進步 我希望越小越好 但是technology有限制對不對 但是呢 隨著technology一直進步 我的feature size一直的減小 從最早我們100micron 一直到現在 然後一直你看 一直減一直減一直減到現在 好 那前些日子呢 台積電 台積電是做fabrication的一個公司 對不對 他幫我們製造這個chip 對不對 你設計好就給它製造 那他已經宣布說他的這個什麼 多少個可以量產了 有同學知道嗎 好 有沒有知道 就台積電的technology 它可以做到多細 它一個chip的那個 剛說的feature size 可以做到多窄 量產是多少 多少 剛剛聽到2多少 20多少 28 對喔多少 28 28對 28奈米 nano 就是已經可以量產了 那28這個 奈米是多少 這個是0. 1micron對不對 28是0.
028 0. 028 那0. 028到底多小 我們看你的頭髮是多少 頭髮拿一根下來 你看的話 是100個micron 它100個micron 那你現在台積電量產的technology 是0.
028micron 你看它多麼的feature size 我們再回去看一下 就是說它一個transistor 它從這個 我要讓它導通 就形成一個switch 形成一個開關 它這個這麼窄 這邊窄是不是 0. 028micron 就28奈米 這麼窄這麼小 一個transistor 所以你可以放很多很多的transistor 在一個single chip上面 好 那就是 minimum feature size 我們看就是 一直往下 那一直往下 每一個technology 就一直shrink 一直shrink shrink到最後的結果是什麼呢 也就是我們每一年半 我就可以在一個chip上面 double它的transistor 那這個就稱為Moore’s law 我們可以看這張圖 這張圖這是時間對不對 這transistor數字 你看越來越多的transistor 可以放在我們一個single chip裡面 一個microprocessor裡面 那Moore’s law是怎麼樣的一回事呢 其實是一個prediction而已 Moore這個人 他是intel一個co-funder intel做microprocessor 對不對 他預測說 他在1965年就是說 他寫了一篇paper 他說觀看前面的10多年的 半導體的發展 他就預測說 它幾乎差不多都是一年半 就18個月就double transistor就可以double transistor就double 就是因為你的feature size 越縮越小越縮越小 他就預測說 那未來應該也是follow這個trend 所以他就預測說 Moore’s law就是每18個月transistor會double 所以知道什麼叫Moore’s law了嗎 知道到這邊 最重要就是這個Moore’s law 至少人家跟你講說什麼是Moore’s law 你要知道說 每18個月transistor會double 所以technology change就是 microprocessor capacity 是每1.
