電子情報機器学

電子情報機器学
金曜日 第2限 (10:15
(10:15-11:45)
11:45)
担当： 三田 准教授
江崎 教授
単位の取得には
• 三田先生の講義分 ： 演習
• 江崎の講義分 ： レポート
資料の置き場所
http://hiroshi1.hongo.wide.ad.jp/
p
g
jp
hiroshi/files/
U-Tokyo/2009-2H/
講義のゴ ル
講義のゴール
• 電子情報機器の全体構成とコンポ
電子情報機器の全体構成とコンポーネント
ネント
の構成を把握する。
• 「突然、xyzの機能を実現する機器を設計
「突然
機能を実 す 機 を 計
しなさい」と言われた時に、設計&実装&運
用を、自力で行うために必要な最低限の
知識(と経験)を身に着ける。
(
)
• CPUやOperating Systemだけでは、実際の
情報機器は、使い物にならない。 周辺機
器と情報機器の相互接続に必要な最低限
の知識を習得する。
講義の予定
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
イント & 情報機器の概要(江崎)
イントロ
情報機器設計の基本I (江崎)
(
)
二次記憶装置 (江崎)
情報機器設計の基本II (三田)
入出力装置の設計と制御I (三田)
入出力装置の設計と制御 (三田)
演習に向けた準備 (三田)
演習発表 (三田/江崎)
第1回
情報機器の概要
そもそも、情報機器って何 ?
•
結局は、コンピュータ。
コンピュータシステムは、ソフトウェアとハードウェ
ア 有機的 相 作用する複合体 ある。
アが有機的に相互作用する複合体である。
計算処理を行う(いわゆるコンピュ タ, e.g.,
計算処理を行う(いわゆるコンピュータ
e g PCやWS)
 実は、少数派である。
2 現実空間の制御を行う (e.g.,
2.
(e g AV機器、家電機器、自動
AV機器 家電機器 自動
車、FAシステム)
 組み込みシステム(Embedded System)
1
1.
((*)) はて、Banking
はて Banking Systemは どっちかなぁ ?
Embedded (組み込み) System
実(物理)世界
論理回路
プログラム
(演算機能)
出力
入力
I/F
(入
入出力)
論理世界
制御
観測
いろいろな機器
e.g.,
g モーター
実(時間)動作
設計に必要なステップ
1. 制御対象の同定
2. 制御戦略の作成 (=システム“要求”仕様)
3. 論理世界の設計
- システム仕様
- モジュール設計(= 肝は、インターフェース仕様)
- 通常系 と 異常系 処理
- 管理性 (検査 と 運用管理)
設計に必要なステップ (1/2)
1. 制御対象の同定 (何をどう したいのか)
(*) 製品の場合に、特に気にすべき点
- 製品寿命(e.g., 部品供給の継続性)
- メインテナンス性(e.g.,
メインテナンス性(
機能修正 保守体制)
機能修正、保守体制)
- コスト (まず、“常識” を疑うべし! )
なんか、ゲーム機は、全部
なんか、ゲ
ム機は、全部 “セル”化
セル 化 ?
2. 制御戦略の作成 (=システム“要求”仕様)
(
)
1. 観測/制御パラメータ
2. 観測/制御の要求精度
(1)Shannonのサンプリング定理(=観測粒度)
(2)制御理論(e.g.,フィルター理論)
設計に必要なステップ (2/2)
3. 論理世界の設計
A) システム仕様 (ソフトとハードは一体のもの。。。)
-
ハードウェア仕様 (CPU、メモリ、バス、チップセット etc.)
ソフトウェア仕様 (OS、API)
B) モジュール設計(= 肝は、インターフェース仕様)
-
拡張性(HW/SW)、e.g., アクセラレータ、ライブラリ
拡張性(HW/SW)
アクセラレ タ ライブラリ
管理性
C) 通常系 と 異常系 処理
-
ほとんど（70%以上）は、異常系処理
最近は、セキュリティ 対策 の考慮(SWサイド)
最近は、セキュリティー対策への考慮(SWサイド)
D) 管理性 (検査 と 運用管理)
-
デバッギングへの考慮
デバ
ギング の考慮
ソフトウェアアップデートへの考慮
情報機器って何 ?
• ということで、結局は、コンピュータ。
• さて、じゃぁ コンピュータって どんなもんよ ?
– データを入力、記憶、演算、制御、出力 する機械 (5つ
の基本機能)
– ハードウェア と ソフトウェア
– モジュール： 演算、制御、周辺
– モジュール間での情報交換
• バス(共用利用) 、 チャネル(専用利用)
• 転送プロトコル(コストとパフォーマンス)
– 割り込み処理は、とても、コストがかかる !!
• 可能な限り
可能な限り、周辺で勝手に(自律的に)処理させたくなる。
周辺で勝手に(自律的に)処理させたくなる
(e.g., DMA、アクセラレータ)
コンピュータの基本構成
処理装置
CPU/MPU
制御信号
データ
制御装置
演算装置
装
プログラム
デ
データ
入力装置
キーボード
マウス
スキャナ
マイク
イク
ネットワークカード
演算
結果
記憶装置
主記憶装置(メインメモリ)
(*) キャッシュはCPUまわり
補助記憶装置(ディスク)
出力装置
ディスプレイ
スピーカ
プリンタ
ネットワークカード
(*) AGP; Accelerated Graphics Port
PCI; Peripheral Component Interconnect
USB; Universal Serial Bus
<< PCの基本構成 >>
CPU/MPU
AGPスロ ト
AGPスロット
グラフィック
カ ド/チップ
カード/チップ
CPUバス
チップセット
ノ スブリ ジ
ノースブリッジ
メモリ
AGPバス
HDD
オンボードコントローラ
PCIバス
チップセット
サウスブリッジ
CD/DVD
ディスクドライブ
専 バ
専用バス
｛
ATAインタフェース
サウンド
チップ
USB
USBデバイス
PCIスロット
LAN
チップ
情報機器のキーコンポーネント
• ハードウェア
– マザーボード
•
•
•
•
CPU/MPU (含む キャッシュ構成)
メインメモリ(容量&速度)
チップセット
バス/チャネル
– ブートディスク
ブ トディ ク
– 補助記憶装置
– 入出力装置
• ソフトウェア
–
–
–
–
オペレーティングシステム(OS)
( )
デバイスドライバ
ライブラリー
開発環境 (e.g., デバッガー、コンバイラ、言語)
VLSIの設計と製造
• 素材
– GaAs, Silicon
• プロセス
– 配線幅
((*)) 最近
最近は、アナログ回路的CADが必要
、 ナ グ回路
必要
Everything is at RF(Radio Frequency)
(*) 実処理と理論の乖離
• 回路
– MOS、バイポーラ、etc.
• 設計と製造
– FPGA、カスタムチップ、汎用チップ
– マスク＋露光、電子銃
ちょっと Break (1)
• “常識
“常識“ と言われているものは、疑いなさい。
と言われているものは 疑いなさい
– ほとんどが、裏切られる。
– 専門家の意見ほど、危ない。
ちょっと Break (2)
• 変わってしまった “常識“
常識
– アナログ技術は不要になる。
– 電信(電報)で何でもできる。
– “A”
A には 知性 は要らない。
• A＝ AV機器、携帯電話、家庭用ゲーム機
– 半導体メモリで HDDもDVDも要らなくなる
– ネットワークには必要な時につなぐものだ。
– 大企業と国家は潰れない。
大企業と国家は潰れな
人を切らな
人を切らない
You have change
g the world
- some legacy and old conventional wisdoms 1. User and end-station is poor and stupid
2. Users’ terminal only turns on, when it’s needed
3 Fixed terminal is far major and superior than
3.
mobile nodes
4. “Service” must be provided either by provider or
byy enterprise.
p
5. Cost of transmission, store and copy, is not little,
but negligible
negligible.
ちょっと Break (3)
• ムーアの法則
ム アの法則 (Moor’s Law)
– 18ヶ月(1.5年) ： 処理能力/容量 2倍、コスト50%
• 3年 ： 4倍の性能が、25%のコスト
• 6年 ： 16倍の性能が、6%のコスト
– これも裏切られるかも。。。。。
• 実際
実際に、ネットワーク技術の進展は、ムーアの法則を
、ネッ
ク技術 進展 、
ア 法則を
超えている。
 ギルダー(Gilderの法則)
ちょっと Break (3)
• ムーアの法則
ム アの法則 (Moor’s Law)
– 18ヶ月(1.5年) ： 処理能力/容量 2倍、コスト50%
• 3年 ： 4倍の性能が、25%のコスト
• 6年 ： 16倍の性能が、6%のコスト
– これも裏切られるかも。。。。。
• 実際
実際に、ネットワーク技術の進展は、ムーアの法則を
、ネッ
ク技術 進展 、
ア 法則を
超えている。
 ギルダー(Gilderの法則)
Optical Networking at Double
Moore’ss Law
Moore
• Moore’s Law says that computer speed=2x every 18
months and the cost = 50%
months,
• John Roth, president and chief executive officer, says that
Nortel Networks is movingg at twice the speed
p
of Moore's
Law, doubling the capacity of its fiber-optic systems and
halving the cost every nine months.
• Networks: 3 years=16x capacity, % cost
– Computers: 3 years=4x speed, 25% cost
• Networks: 6 years=256x capacity, >% cost
– Computers: 6 years=16x speed, 6% cost
Source: HPCwire [email protected]>
さらに、、、、
• マルチ
マルチコア
ア CPU は どうして登場し
たか?
1. 熱問題
• SONY PS3 の話。。。。
• 目玉焼き 実験
2. バッテリー容量問題
ッテリ 容量問題
• 携帯電話は、マルチコア
CPUの熱密度の推移
10,000
太陽の表面
ロケットの噴射口
1,000
熱密度
(W/cm2) 100
核反応炉
8086
10
ホット
プレート
286
8008
4004 8080 8085
1
1970
1980
486
386
1990
年代
2000
2010
さらに、、、、
• マルチ
マルチコア
ア CPU は どうして登場し
たか?
1. 熱問題
• SONY PS3 の話。。。。
• 目玉焼き 実験
2. バッテリー容量問題
ッテリ 容量問題
• 携帯電話は、マルチコア
コンピュータの携帯型への進化
年代
形式
式
１９６０ １９７０ １９８０ １９９０ ２０００
カ ド
カード
据付 オフコン
オ
ミニコン パソコン
パ
CPU
（MIPS)
０ １
０．１
１
１０
１００
１０００
メモリ
(GB)
０．０１
０．１
１
１０
１００
重量
(Kg)
１０００
１００
１０
１
０．１
携帯度 １０**-12１０**-9 １０**-6 １０**-3
１
携帯度＝MIPS ｘ GB ÷ 重量 （１０**3 ずつ減少）
26
ネットワーク速度のロードマップ
bps
バンド幅
1Z
1E
1P
WAN
1T
LAN
1G
１０Gbps
Ethernet
1M
70
80
90
2000
2010
西暦
１００Gbps
Ethernet
2020
2030
2040
2050
FLOPS
コンピュータ速度の動向
30
10
Grape DR
2 PFLOPS
27
10
並列コンピュータ
並列コンピュ
タ
1Y
京速計算機
10PFLOPS
地球
シミュレータ
40TFLOPS
1Z
1E
1P
プロセッサ・チップ
1T
1K
256
1G
64
16
1M
70
80
90
2000
2010 2020
2030
2040
2050
西暦
FLOPS
1E
BlueGene/P ?
GRAPE-DR ?
1P
ASCI-RED
1T
Cray XMP/4
/
1G
CDC6600
SR-8000
SR
8000
SX-2
1M
70
80
90
2000
2010
2020
2030
2040
西暦
Supercomputer Peak Performance
1E+17
multi-Petaflop
Peak Spee
ed (flops)
1E+14
1E+11
1E+8
1E+5
Petaflop
Blue Gene/L
Thunder
Red Storm
Earth
Blue Pacific
ASCI White, ASCI Q
SX-5
ASCI Red Option
ASCI Red
T3E
SX-4
NWT
CP-PACS
CM-5
Paragon
T3D
Delta
SX-3/44
i860
(MPPs)
Doubling time = 1.5 yr.
VP2600/10
SX 2
CRAY 2 SX-2
CRAY-2
S-810/20
X-MP4 Y-MP8
Cyber 205
X-MP2 (parallel vectors)
CRAY-1
CDC STAR-100 (vectors)
CDC 7600
ILLIAC IV
CDC 6600 (ICs)
IBM Stretch
1E+2
1940
IBM 7090 (transistors)
IBM 704
IBM 701
UNIVAC
ENIAC ((vacuum tubes))
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
Year Introduced
東京大学戦略ソフトウェア創造特別講義資料による
George Chiu （IBM T.J.Watson Research Center)
Top500の動向
www.top500.org による
おまけ、地球シミュレータ
ハードウェアのパフォーマンスとコストの関係
• 利用目的に応じたハードウェアの選択
コスト
•単価
•排熱量
排熱量
•消費電力
•機器の大きさ
高度な
シミュレーション
ある程度限定された
アプリ / デバイス
PDA
個体識別
Super
Computer
PC
多様なアプリ /
多様なI/Oデバイス
ICカード
RFIDタグ
EMタグ
存在確認のみ
演算 /
アプリ動作
•演算速度
演算速度
•ストレージの容量
•I/Oデバイスの多様さ
I/Oデバイスの多様さ
パフォーマンス
RFIDとは ?
• Radio Frequency IDentification
• 非接触個体認識技術
– 数cm-数mの検出が可能
数cm 数mの検出が可能
– IDの取得、データの読み書き
– ものや人がどこに存在するかを把握
が
典型的なパッシブタグ、リ ダ、ライタ
典型的なパッシブタグ、リーダ、ライタ
•
•
•
電力およびクロックは搬送波によってリーダからタグへ供給
タグは、ICおよびアンテナのみを備え、起動後にリーダと相互通信
リーダから、タグへIDおよびいくつかのデータが供給される
1. 電力、クロックの供給
リーダ・ライタ
リ
ダ ライタ
電源、
クロック
アンテナ
タグ
ID
2. コマンド
ID
3. IDおよびデータ
おもちゃが沢山