Nové technologie hardware pro PC

Prezentace na téma: "Nové technologie hardware pro PC"— Transkript prezentace:

1 Nové technologie hardware pro PC
Ing.M.Pfeffer,CSC Katedra fyziky nízkých teplot

2 Progres technologií aplikovaný v segmentu výpočetní techniky z hlediska uživatele výpočetní techniky
…aneb „ pokrok nezastavíš !“ Disky pevné disky (hardisky - HDD) – klasické (s točivými plotnami) - s polovodičovými pamětmi (SSD) interní – externí způsob připojení externích disků – USB (1.1,2.0,3.0), firewire

3 další druhy disků - USB Flash disk, paměťové karty, …..
metody zálohování dat ( pole Raid, …) spolehlivost disků ( v BIOSu „smart monitoring“)

4 Progres technologií aplikovaný v segmentu výpočetní techniky z hlediska uživatele výpočetní techniky
Procesory Displeje

5 Klasické disky s točivými plotnami

6 Metody zvýšení hustoty zápisu
Technologie kolmého zápisu Technologie kolmého zápisu má v originále možné označení Perpendicular Recording Technology, i když my si vzhledem ke zkratce vybereme spíše Perpendicular Magnetic Recording (PMR). Jedná se o nový způsob zápisu dat na pevné disky z hlediska fyzického provedení, který dnes postupně nahrazuje klasickou podélnou (longitudinal) technologii. O co se vlastně jedná? Jistě víte, že se na pevný disk zapisují data pomocí magnetizování povrchu plotny, kde orientace magnetického pole určuje, zda ono místo odpovídá 0 nebo 1. U klasické technologie se však materiál magnetizuje tak, aby bylo jeho pole orientováno podélně s povrchem plotny. Zato u PMR má zmagnetizovaný materiál orientaci pole kolmou na povrch plotny a od toho se odvíjí i název. Díky tomu se mohou jednotlivé 'bity' umístit blížeji k sobě, čímž se docílí vyšší kapacity. Obří (Giant) magnetorezistence Objev tohoto jevu byl velkým překvapením. Většina fyziků nevěřila, že podobný jev je fyzikálně možný. Původní experimenty byly prováděny za velmi nízkých teplot a s velmi silnými magnetickými poli. Zdálo se, že jeho komerční využití je nereálné. V IBM ale rychle pochopili, že tento jev otvírá brány zcela novým technologiím pro ukládání a čtení dat. Senzory založené na GMR umožňují podstatné zvýšení hustoty záznamu na magnetických médiích, například pevném disku. Na čtverečním centimetru bylo možno s klasickými senzory uložit maximálně asi 0,5 Gb, s GMR senzory se okamžitě hranice posunula na trojnásobek, kde se pochopitelně ale nezastavila. Prvním diskem s hlavou s GMR senzorem byl IBM Desktar 16GP s kapacitou 16,8 GB, uvedeným na trh před deseti lety. I současné velké disky využívají tohoto jevu.

7 Obří magnetorezistence a její využití
Nobelova cena za fyziku v roce 2007 Albert Fert (*1938) Peter Grünberg (*1939) Magnetorezistence – závislost elektrického odporu na vnějším magnetickém poli. Pokud má vodič magnetické vlastnosti, může směr vnějšího magnetického pole ovlivnit jeho elektrický odpor. Jev objevil William Thomson (lord Kelvin) v roce Tehdy šlo však jen o několikaprocentní hodnotu celkového odporu vodiče. Obří magnetorezistence – ovlivnění elektrického odporu látky interakcí spinu elektronu s magnetizací materiálu. Je-li materiál nanesen v několika nanovrstvách, může měnící se magnetizace některé z vrstev podstatnou měrou ovlivnit elektrický proud protékaný obvodem. Toho lze využít například ke čtení informace zapsané na harddisku. První čtecí hlava založená na tomto principu byla vyrobena v roce 1997.

8 Právě tento jev je využíván komerčně ve čtecích hlavách harddisků nebo v různých senzorech měnícího se magnetického pole. Jedna vrstva má pevně danou magnetizaci a druhá vrstva mění magnetizaci pohybem nad magneticky zapsanými daty. Protékající proud je tak indikátorem toho, jaká hodnota byla na disku zapsána. Tato metoda čtení je výrazně rychlejší než dříve používaná smyčka, ve které se indukoval elektrický proud proměnným polem disku. Čtecí hlava je navíc neporovnatelně menší a citlivější. Proto obří magnetorezistence přinesla průlom v technologii výroby harddisků a obecně miniaturních senzorů magnetického pole. Dnešní zařízení využívají sendviče z mnoha nanovrstev a jev obří magnetorezistence se využívá jak ke čtení, tak k zápisu dat. Ve skutečném GMR senzoru nebo čtecí hlavě prochází elektrický proud ve směru rovnoběžném s vrstvami, nikoli kolmo na ně. Tím se zvýší elektrický odpor součástky. Elektrony tekoucí velmi tenkou vodivou nemagnetickou vrstvou pronikají i do sousedních feromagnetických vrstev a právě tyto elektrony způsobí měřenou změnu odporu. Představme si sendvič dvou magnetických vrstev (1, 3) oddělených vodivou nemagnetickou vrstvou (2) o tloušťce několika nanometrů. A. Magnetizace obou vrstev na levém obrázku míří směrem vzhůru. Elektrony se souhlasně orientovanými spiny (nakresleny červeně) téměř nepodléhají rozptylu a oběma vrstvami bez problémů projdou. Elektrony s opačně orientovaným spinem (nakresleny bíle) jsou rozptylovány v obou vrstvách a sendvičem téměř neprojdou. Celkově touto konfigurací projde zhruba polovina původních elektronů. B. Magnetizace vrstev na pravém obrázku je opačná. Polovina elektronů (červeně) je rozptylována na vzdálenější vrstvě a druhá polovina (bíle) je rozptylována na bližší vrstvě. Elektrony jsou rozptylovány vždy v té vrstvě, kde má jejich spin směr proti magnetizaci vrstvy. Výsledkem je, že v tomto případě sendvičem neprojdou téměř žádné elektrony.

9 Disky na principu Flash paměti
Flash paměť se používá jako výměnné (přenosné) datové médium (vnější paměť) ve formě paměťových karet (CompactFlash, Memory Stick , Secure Digital ,xD-Picture Card ,MultiMediaCard ,SmartMedia Card ) Flash paměť se používá i v USB flash discích discích (pozor na rychlost čtení a zápisu!) Solid State Disc ( SSD ) Energeticky nezávislé paměti Data jsou ukládána v poli unipolárních trazistorů s plovoucími hradly, zvaných „buňky“, každá z nich obvykle uchovává 1 bit informace. Jedno hradlo je ovládací (CG - control gate), druhé je plovoucí (FG - floating gate), izolované od okolí vrstvou oxidu. Protože je FG izolované, všechny elektrony na něj přivedené jsou zde „uvězněny“. Tím je uložena informace. Když jsou na FG elektrony, modifikují (částečně ruší) elektrické pole přicházející z CG, což modifikuje prahové napětí (Ut) buňky. Buňka je čtená umístěním určitého elektrického napětí na CG, elektrický proud tranzistorem pak buď teče, nebo neteče, a to v závislosti na Ut buňky, které je závislé na počtu elektronů na FG. Tato přítomnost nebo nepřítomnost elektrického proudu je přeložena na 1 a 0, představující uložená data. Flash buňka je naprogramovaná (nastavená na specifickou hodnotu) spuštěním toku elektronů ze zdroje do odvodu. Přivedení velkého napětí na CG pak poskytne dostatečně silné elektrické pole pro jejich vysátí na FG. Pro vymazání flash buňky je velký napěťový rozdíl přiveden mezi CG a zdroj, což odvede elektrony pryč skrz kvantový tunel. Současné flash paměti jsou rozdělené do vymazatelných částí nazývaných buď bloky, nebo sektory. Všechny paměťové buňky v rámci jednoho bloku musí být vymazány současně. Při zápisu dat se přivede na příslušný adresový vodič záporné napětí -U a datový vodič buněk, do nichž se má zaznamenat hodnota 1, se uzemní. Tranzistor se otevře a vznikne v něm náboj, který vytvoří velké prahové napětí. Při čtení se přivede na adresový vodič záporný impuls. Tranzistor s malým prahovým napětím se otevře a vede elektrický proud do datového vodiče, zatímco tranzistor s velkým prahovým napětím zůstane uzavřen. Vymazání paměti se provádí kladným napětím +U, které se přivede na adresové vodiče. Tunelovaný náboj se tím zmenší a prahové napětí poklesne, čímž je paměť vymazána. CG FG

10

11 Solid State Disc ( SSD ) SSD disky ukládají data elektronicky a neobsahují žádné mechanické části, které by mohly do tohoto procesu negativně zasáhnout. Jejich výhodou je i to, že dokáží zapisovat data simultánně do většího množství flashových čipů a mají opravdu rychlou přístupovou dobu. Flashové SSD disky jsou většinou rychlé a jejich výhodou je i to, že nemají mechanické komponenty. Špatně nastavený operační systém Windows však nemusí umět výhody SSD disků využít, a může je dokonce poškodit. ( Windows 7 již mají zabudovány protokoly pro práci s SSD.) Problém: SSD disky se při mazání opotřebovávají Flashová paměťová buňka má omezenou životnost, co se týče množství zápisů. Kdykoliv však chce řadič umístit nová data na použitou buňku SSD disku, musí ji nejprve vymazat. Na rozdíl od magnetických pevných disků ale neumí SSD přepisovat stará data přímo při zápisu dat nových. Dnes je optimální použít jako systémový disk SSD, pro data klasický točivý HDD (lépe v RAIDu).

12 Srovnání klasických HDD s SSD
Modelové označení Travelstar 5K160 HTS541616J9AT0 kapacita 160 GB velikost bufferu 8 MB rozhraní Ultra ATA/133 otáčky za minutu 5400 počet ploten 2 počet hlaviček 4 prům. přístupová doba - seek 11 ms max. 5V spin-up (W) 5 spotřeba - R/W (W) 1,8 spotřeba v klidu (W) 0,8 operační teploty °C operační tepl. gradient - max. operační otřes 325 G - 2 ms max. neoperační otřes 1000 G - 1 ms hlučnost 25 dB idle 27 dB seek Modelové označení X25-M - SSDSA2MH080G1GN kapacita 80 GB rozhraní SATA 3 Gbps formát 2,5" rychlost sekv. čtení 250 MB/s rychlost sekv. zápisu 70 MB/s seek - čtení 85 mikrosekund spotřeba 150 mW při práci 60 mW v klidu technologie Intel Multi-Level Cell MTBF 1,2 mil. hodin max. operační otřes 1000 G / 0,5 ms operační teploty °C hlučnost 0dB

13 Raidová pole – spolehlivé zálohování dat
Jak tedy RAID1 funguje? No, hodně napoví jeho lidštější jméno: mirror/zrcadlo. Použijeme příklad se dvěma disky. Pokud přijde požadavek na uložení dat, ovladač diskového pole vrátí systému zprávu o úspěšném uložení až poté, co dostane potvrzení od obou disků v poli. Pokud některý z disků vyhlásí problém, ovladač ho odepíše, data mu už nesvěří, ale vy je máte na druhém disku nebo oddíle. RAID1 je možné realizovat jen na stejně velkých oddílech a nebo discích, pokud nějaký disk/oddíl přečuhuje, použije se velikost menšího jako základ. Nezapomeňte na SmartDrive

14 Procesory ( CPU ) CPU „80486“, 32bit,66MHz, 1 milion transistorů
Vývoj od sedmdesátých let, kdy pan Kilby sestrojil první integrovaný obvod …první CPU „4004“ s 2300 transistory CPU pro první osobní počítač PC „8080“ , 8 bit, 4 MHz CPU „80486“, 32bit,66MHz, 1 milion transistorů

15 Blokové schéma dnešního PC
Centrální řídící procesor Severní můstek Jižní můstek

16 Dnešní stav – vícejádrové CPU
Vývoj a výroba CPU pro PC v zásadě záležitostí dvou firem - Intelu a AMD Zběsilá honba za výkonem – zvyšování kmitočtu – ale tím potíže s energetickou náročností a odvodem tepla (první CPU příkon řádově jednotek wattů – nepotřebovaly chlazení, dnešní CPU příkon až 150W, složité chladiče).Dnes se ukazuje jako slepá ulička. Vývoj CPU pro notebooky – mobilní CPU – až dnešní generace „ Atom“ – zpátky příkon jednotek wattů Pokroky technologie ve zjemňování struktur masek ( dnes 45 nm ) – s tím související zmenšování příkonu Dnešní stav – vícejádrové CPU Snaha umístit do jednoho pouzdra více CPU, více vyrovnávací rychlé „cash“ paměti,řadiče paměti, grafický subsystém atd přináší enormní zvýšení počtu transistorů – dnes asi 820 milionů pro čtyřjádro , asi polovina pro dvoujádro.To vše na ploše asi 100 mm čtverečních.Podpora „dynamického přidělování prostředků“ – tedy aktivování potřebného počtu jader a potřebného taktu (kmitočtu) CPU na základě potřeby požadavku aplikace. Přechod na 32 nm architekturu.

17 Co z toho vyplývá pro uživatele?
- správný výběr CPU pro aplikace ( nová řada čtyřjader Intel i7 zvyšuje výpočetní výkon oproti předchozím CPU asi dvojnásobně ). - pro kancelářské aplikace vhodnější použití tzv. mobilní CPU , energeticky nenáročné - u notebooků nové řady s extrémně energeticky nenáročnými CPU přináší prodloužení doby provozu na jedno nabití aku až na cca 12 hodin - volit správné nstavení BIOSu v PC (možnosti aktivování počtu jader (Active Procesor Cores), volba rychlosti CPU (Speed Step Tech) řízená i operačním systémem, další možnosti – např. TurboMode Tech, VirtualizationTech, Hyper-Treading Tech a další Techy … a hlavně – nezoufejte, bude to ještě horší !

18 Displeje

19 Parametry displejů Rychlost odezvy Barevné rozlišení (Gamut)
Pozorovací úhly Rozměry panelů (16:10 !) Připojení k PC

20 TN technologie LCD Pozorovací úhly: do 176° horizontálně a 170° vertikálně. Obvykle jsou ovšem nižší a rozdílné v horizontálním a vertikálním směru. Bohužel i když jsou uvedeny například 170°, je tato hodnota naprosto nepoužitelná (především ve vertikálním směru - zespoda monitor výrazně tmavne a barvy přechází do inverze, pohled shora má za následek naopak zesvětlání obrazu). Horizontální směr je dnes už celkem slušný, ale barvy výrazně žloutnou. Jas a kontrast výrazně klesá. Odezva: přestože je udávaná odezva například 2 ms, reálné hodnoty jsou zcela jinde. Z praktických testů vyplývá, že 3ms TN panel je stejně rychlý jako 6ms S-IPS. Tzn. že odezva je dost nevyrovnaná v různých tónech. Reálné hodnoty mohou být i 4x-5x větší než papírová hodnota. Barevné podání: je většinou špatné (obvykle dokáží zobrazit pouze barev – 6-bitů na barvu), zbytek do 16,2 milionů barev je dopočítán ditheringem. Mrtvý pixel svítí! 1- Zdroj bílého světla 2- Polarizační desky 3-Polarizované světlo 4- Elektrody 5- Tekuté krystaly 6- Polarizované světlo Základní stav v TFT – nulové napětí, světlo prochází druhým polarizačním filtrem, plný jas - bílá. Po sepnutí napětí je světlo pohlceno druhým polarizačním filtrem – černá.

21 Další technologie LCD PVA / MVA IPS
Pozorovací úhly: jsou také kolem 178° v obou směrech, avšak při pohledu ze strany nedochází k tak velkému barevnému posunu jako u ostatních technologií. Odezva: je nejvyrovnanější ze všech technologií, a tak je papírově stejný monitor výrazně rychlejší, než jak tomu je u ostatních technologií. Barevné podání: Barvy jsou plně 8-bitové a v porovnání s MVA/PVA jsou daleko živější a věrnější. S-IPS matrice se vyznačuje namodralým nádechem při pohledu ze strany. Rozlišení barev v tmavých tónech je lehce horší než u VA monitorů. Mrtvý pixel je černý. Pozorovací úhly: jsou kolem 178° v obou směrech a v praxi je pohled opravdu ze všech stran stejný. Při pohledu ze strany dochází k zežloutnutí obrazu, ale v menší míře než u TN. Jas a kontrast také klesá méně. Odezva: je více vyrovnaná ve všech tónech, a tak je papírově stejně rychlý monitor lepší než TN, avšak vyrovnané rychlosti S-IPS panelu nedosahuje. Barvy: jsou již 8-bitové (reálných 16,77 milionů), ale stále to obvykle není ono. Najdou se však výjimky, které jsou lepší než IPS. Mrtvý pixel je černý. PVA / MVA IPS

22 Podsvícení panelů

23 Displeje Spočítejme si , kolik tranzistorů má 17" resp. 19" panel. Rozlišení takovéhoto monitoru je 1280×1024, což vyjadřuje počet pixelů ( pixelů). Toto číslo ale musíme vynásobit třemi, protože každý pixel je složen ze tří subpixelů. Dostáváme se tedy k číslu tranzistorů. V poslední době se rozšiřují také panely s rozlišením 1920 x 1200 a technologií S-IPS (dvojnásobný počet pixelů), schválně si spočítejte, kolik tranzistorů je přítomno u takového panelu. Není se tedy čemu divit, když sem tam nějaký ten pixel (popř. subpixel) odmítne poslušnost.

24 OLED

25 K O N E C