Как работает процессор на физическом уровне

Как работает процессор на уровне Физики? [закрыт]

Хотите улучшить этот вопрос? Переформулируйте вопрос так, чтобы он был сосредоточен только на одной проблеме.

Закрыт 6 лет назад .

Изучая C++ у меня возник вопрос, как устроен ПК и как так происходит, что он «понимает» данные ему команды? То есть как он понимает, что 2+2=4, он же не человек?

Отслеживать
51.4k 87 87 золотых знаков 267 267 серебряных знаков 508 508 бронзовых знаков
задан 26 мар 2018 в 21:49
129 1 1 серебряный знак 7 7 бронзовых знаков

Это слишком сложная для обсуждения здесь тема. Подробно можно почитать, например, в книге Таненбаума «Архитектура Компьютера»

26 мар 2018 в 22:00

В разных областях этого «куска железа» разная плотность электронов. Их перетекание из одной части в другую трактуется как смена 0 на 1 и наоборот. При этом «куски железа» соединены весьма хитроумно, так чтобы 0 и 1-ки в одних местах влияли (в соответствии с булевой логикой) на 1-ки и нули в других.

26 мар 2018 в 22:53
Не железа, а кремния. Куча хитрым образом соединённых транзисторов. (А их вроде в школе проходят)
27 мар 2018 в 5:12
29 мар 2018 в 8:49
29 мар 2018 в 9:11

1 ответ 1

Сортировка: Сброс на вариант по умолчанию

Если хотите узнать подробно, то советую почитать классический труд Тоненбаума — «Архитектура компьютера», где рассматриваются большинство уровней функционирования компьютера, начиная с самого низкого. Большинство схем ниже взяты оттуда.

В современных компьютерах есть такой электрический элемент, как транзистор. Он представляет из себя элемент с тремя ножками: коллектор, базу, эммитер. Но суть в том, что он умеет в зависимости от сигнала на базу, выпускать ток или нет.

Сигнал на базу поступает из различных внешних источников — намагниченная дорожка жесткого диска, проходящий луч лазера через CD-R или же замкнутый нажатой кнопкой на клавиатуре контакт. Не важно, главное, что у нас теперь есть два состояния — есть сигнал и нет сигнала.

А теперь самое интересное, мы может комбинировать эти транзисторы и получить различные результаты на основе входящих на их базы сигналов.

На самом деле вы же уже знакомы с булевой алгеброй, когда на вход подаются различные сигналы и получается в итоге другой? Ну так вот это оно и есть, это называется вентили.

А это значит, что теперь у нас есть целый конструктор! И на этом конструкторе мы может создавать различные схемы, которые будут давать разный результат. Подали на базы различные сигналы и получили на выходе результат.

Вот так выглядит схема сдвига и схема полусумматора. Объединив несколько полусумматоров, мы как раз получим побайтовое сложение чисел, о чем вы и спрашиваете в вопросе.

Есть даже схемы, которые умеют хранить значение, так называемые защелки выполняющие роль памяти (RS-триггер).

Как видите никакой магии, ну почти — на одном процессоре таких транзисторов умещается миллиарды. нет, не так — МИЛЛИАРДЫ! Это огромнейшее количество различных схем различной сложности и различного направления на паре квадратных сантиметров. Расчетом их упаковки на процессор как правило занимаются специальные программы, человеку это не под силу и создаются они с помощью высокоточной электроники. Сложно представимый научный прогресс в маленькой коробочке рядом с вами. В общем как-то так.

Как работает процессор?

Разбираемся в составляющих процессора и выясняем, как они работают

Все современное оборудование, от беспроводных наушников до сложнейших рабочих станций работает под управлением процессора. Каждый из нас знает, что процессор – это мозг устройства, он принимает команды от пользователя, делает вычисления и предоставляет результаты.

Но в тонкостях работы разбираются единицы. В этой статье мы постараемся доступно устранить подобный пробел в знаниях.

Транзисторы и кодирование информации

О том, что первые компьютеры занимали целые комнаты и даже отдельные здания, вы наверняка знаете. Вычисления они производили при помощи электромеханических реле и вакуумных ламп. Революция произошла в 60 годах, когда появились первые кремниевые транзисторы. Позже на их основе были разработаны интегральные монолитные схемы – прототипы современных процессоров.

В основе каждого транзистора находится кремниевая структура. Поскольку кремний – материал, обладающий свойствами полупроводника, в зависимости от условий он может пропускать электрический ток или нет. Прошедший заряд – это единица, отсутствие заряда – ноль. Именно с помощью этих двух значений строится бинарный код, с помощью которого компьютер общается с пользователем. Другую информацию он воспринимать не способен.

И 1, и 0 – это 1 бит информации, 8 бит – составляют байт. При помощи 8-значной комбинации нулей и единиц можно закодировать любое число от 0 до 255. И уже при помощи этих комбинаций присвоить соответствующие коды любым понятиям, значениям и явлениям.

Для того, чтоб процессор понимал пользователя, были придуманы логические вилки (операторы). Мы все их знаем из курса информатики в школе: и/или, если/то/иначе. Такие команды позволяют компьютеру исходя из заданных условий принимать решения.

Что такое техпроцесс?

Производительность процессора в рамках одной серии или семейства напрямую зависит от количества транзисторов: чем больше транзисторов, тем больше комбинаций составляется в единицу времени, и тем больше вычислений производит устройство.

У первого процессора Intel 4004, вышедшего в 1971 году было 2250 транзисторов. Pentium 4 вмещал 42 млн транзисторов. Современные процессоры Epyc от AMD оснащены 39,54 миллиардами кремниевых транзисторов.

С размером транзисторов тесно связано понятие – техпроцесс.

Техпроцесс каждый из производителей диктует по-своему. Кто-то размером транзистора целиком, кто-то размером только одной части – затвора. Третий вариант, который будет самым правильным – размер шага при производстве, то есть минимальным размером элемента, которым может оперировать разработчик при построении схемы. Так же следует учесть, что производители указывают наименьший элемент, тогда как некоторые электронные элементы, от которых невозможно отказаться, могут иметь размеры в десятки раз больше.

Тактовая частота

Это понятие зачастую является определяющим при покупке процессора.

Заряды, проходящие через транзисторы, создает тактовый генератор. Количество импульсов в единицу времени определяет скорость работы процессора. Однако он есть не в каждом процессоре. Может встречаться и другая конфигурация: на плате есть один или несколько тактовых генераторов, и они же могут быть опционально включены в микропроцессоры.

Обязательный элемент каждого процессора – частотный резонатор, он дает корректный отклик на запрос в случае исправности, или не дает, что сообщает системе о неисправности элемента.

В основе каждого генератора имеется кварцевый кристалл. Он генерирует импульс с частотой около 100 МГц. На текущий момент могут еще довольно часто встречаться генераторы с частотой 33 МГц, особенно на дискретных контроллерах, например звуковых платах, sata/hba адаптерах и интерфейсных usb/com расширителях. Чтоб увеличить частоту, генерируемые кварцем колебания проходят через специальные узлы – множители. Они позволяют повысить частоты при пиковых нагрузках или снизить их, если нагрузка уменьшается или компьютер находится в простое.

Кстати, множители – это те самые узлы, которые отвечают за динамическое увеличение частоты в нагрузке и ее снижении в простое. Также они могут позволять разгон в случае отсутствия на них блокировки на повышение сверх штатного значения. Подробнее с этой темой можно ознакомиться в нашей статье.

У процессоров с разблокированным множителем пользователь по собственному желанию может увеличить тактовые частоты. Современные процессоры могут разгоняться на 20–30 % и даже больше.

Архитектура

Архитектура процессора – это компоновка транзисторов. Транзисторы объединяются в массивы – ядра. Каждое ядро в процессоре может независимо от других выполнять различные задачи, для этого регулярно повторяется следующий цикл действий:

• Получение информации.
• Раскодирование.
• Выполнение вычисления.
• Фиксация результата.

Вычисления выполняются по специальным алгоритмам и инструкциям, которые хранятся во временной памяти процессора.

Чтоб увеличить производительность процессора, современные компьютерные ядра делятся на 2 потока. Каждый поток занимается выполнением отдельных вычислений, обеспечивая процессору многозадачность и уменьшая очереди задач.

Кэш: зачем процессору собственная память?

Жесткие и твердотельные диски, а также оперативная память работают недостаточно быстро, чтоб обеспечить все нужды процессора. Поэтому каждый микрочип оснащен собственной сверхбыстрой кэш-памятью, хранящей данные, с которыми в конкретный момент, работает процессор. Также в кэш-памяти размещаются инструкции по выполнению конкретных задач.

Что такое система на чипе?

Современные процессоры для телефонов, планшетов и ноутбуков уже давно перестали быть отдельными вычислительными центрами, специализирующимися на выполнении конкретных задач. Современный процессор – это целая система, которая включает собственно блоки для выполнения задач – ядра, а также модуль для отрисовки изображений – графический адаптер. Роль ядер выполняют исполнительные блоки, которых значительно больше, чем в CPU, и которые параллельно выполняют миллионы задач. Также некоторые системы могут содержать и дополнительные опции, например центр беспроводного соединения 5G или технологию передачи данных Thunderbolt.

• Все посты
• HDD диски (29)
• KVM-оборудование (2)
• Powerline-адаптеры (2)
• SSD диски (53)
• USB-носители (4)
• USB-хабы (3)
• Батареи к ИБП (4)
• Безопасность (3)
• Беспроводные USB адаптеры (2)
• Беспроводные роутеры (18)
• Блоки питания (15)
• Бумага (1)
• Веб-камеры (1)
• Вентиляторы корпусные (4)
• Видеокарты (58)
• Видеонаблюдение (6)
• Внешние диски (4)
• Гарнитуры (2)
• Графические планшеты (2)
• Дисковые полки (2)
• Док-станции (1)
• Звуковые карты (4)
• Инструменты (1)
• Источники бесперебойного питания (ИБП) (23)
• Кабели и патч-корды (9)
• Картриджи (1)
• Карты памяти (2)
• Клавиатуры (8)
• Колонки (3)
• Коммутаторы (13)
• Комплекты (клавиатура и мышь) (2)
• Компьютерная периферия (2)
• Компьютерные корпуса (15)
• Компьютерные кресла (2)
• Компьютеры (51)
• Контроллеры и адаптеры (8)
• Ленточные носители (2)
• Маршрутизаторы (3)
• Материнские платы (19)
• Мониторы (45)
• Моноблоки (9)
• МФУ (6)
• Мыши (9)
• Ноутбуки (42)
• Общая справка (64)
• Оперативная память (17)
• Оптические накопители (1)
• Панели (1)
• Планшеты (3)
• Плоттеры (1)
• Портативные аккумуляторы (1)
• Принтеры (6)
• Программное обеспечение (69)
• Процессорное охлаждение (18)
• Процессоры (56)
• Рабочие станции (6)
• Ретрансляторы Wi-Fi (4)
• Серверы (65)
• Сетевые карты (6)
• Сетевые фильтры (3)
• Системы распределение питания (1)
• Сканеры (2)
• СХД (9)
• Телевизоры (3)
• Телекоммуникационные шкафы (11)
• Телефония (4)
• Тонкие клиенты (2)
• Трансиверы (5)
• Умный дом (2)

Также вас может заинтересовать

Как работает процессор?

Кратко и доступно о том, как работает центральный процессор, регистры, память, инструкции и кэш, а также что такое УУ и АЛУ и зачем они нужны.

Инструмент проще, чем машина. Зачастую инструментом работают руками, а машину приводит в действие паровая сила или животное.

Компьютер тоже можно назвать машиной, только вместо паровой силы здесь электричество. Но программирование сделало компьютер таким же простым, как любой инструмент.

Процессор — это сердце/мозг любого компьютера. Его основное назначение — арифметические и логические операции, и прежде чем погрузиться в дебри процессора, нужно разобраться в его основных компонентах и принципах их работы.

Два основных компонента процессора

Устройство управления

Устройство управления (УУ) помогает процессору контролировать и выполнять инструкции. УУ сообщает компонентам, что именно нужно делать. В соответствии с инструкциями он координирует работу с другими частями компьютера, включая второй основной компонент — арифметико-логическое устройство (АЛУ). Все инструкции вначале поступают именно на устройство управления.

Существует два типа реализации УУ:

• УУ на жёсткой логике (англ. hardwired control units). Характер работы определяется внутренним электрическим строением — устройством печатной платы или кристалла. Соответственно, модификация такого УУ без физического вмешательства невозможна.
• УУ с микропрограммным управлением (англ. microprogrammable control units). Может быть запрограммирован для тех или иных целей. Программная часть сохраняется в памяти УУ.

УУ на жёсткой логике быстрее, но УУ с микропрограммным управлением обладает более гибкой функциональностью.

Арифметико-логическое устройство

Это устройство, как ни странно, выполняет все арифметические и логические операции, например сложение, вычитание, логическое ИЛИ и т. п. АЛУ состоит из логических элементов, которые и выполняют эти операции.

Большинство логических элементов имеют два входа и один выход.

Ниже приведена схема полусумматора, у которой два входа и два выхода. A и B здесь являются входами, S — выходом, C — переносом (в старший разряд).

Схема арифметического полусумматора

Хранение информации — регистры и память

Как говорилось ранее, процессор выполняет поступающие на него команды. Команды в большинстве случаев работают с данными, которые могут быть промежуточными, входными или выходными. Все эти данные вместе с инструкциями сохраняются в регистрах и памяти.

Регистры

Регистр — минимальная ячейка памяти данных. Регистры состоят из триггеров (англ. latches/flip-flops). Триггеры, в свою очередь, состоят из логических элементов и могут хранить в себе 1 бит информации.

Прим. перев. Триггеры могут быть синхронные и асинхронные. Асинхронные могут менять своё состояние в любой момент, а синхронные только во время положительного/отрицательного перепада на входе синхронизации.

По функциональному назначению триггеры делятся на несколько групп:

• RS-триггер: сохраняет своё состояние при нулевых уровнях на обоих входах и изменяет его при установке единице на одном из входов (Reset/Set — Сброс/Установка).
• JK-триггер: идентичен RS-триггеру за исключением того, что при подаче единиц сразу на два входа триггер меняет своё состояние на противоположное (счётный режим).
• T-триггер: меняет своё состояние на противоположное при каждом такте на его единственном входе.
• D-триггер: запоминает состояние на входе в момент синхронизации. Асинхронные D-триггеры смысла не имеют.

Для хранения промежуточных данных ОЗУ не подходит, т. к. это замедлит работу процессора. Промежуточные данные отсылаются в регистры по шине. В них могут храниться команды, выходные данные и даже адреса ячеек памяти.

Принцип действия RS-триггера

Память (ОЗУ)

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, англ. RAM) — это большая группа этих самых регистров, соединённых вместе. Память у такого хранилища непостоянная и данные оттуда пропадают при отключении питания. ОЗУ принимает адрес ячейки памяти, в которую нужно поместить данные, сами данные и флаг записи/чтения, который приводит в действие триггеры.

Прим. перев. Оперативная память бывает статической и динамической — SRAM и DRAM соответственно. В статической памяти ячейками являются триггеры, а в динамической — конденсаторы. SRAM быстрее, а DRAM дешевле.

Команды (инструкции)

Команды — это фактические действия, которые компьютер должен выполнять. Они бывают нескольких типов:

• Арифметические: сложение, вычитание, умножение и т. д.
• Логические: И (логическое умножение/конъюнкция), ИЛИ (логическое суммирование/дизъюнкция), отрицание и т. д.
• Информационные: move , input , outptut , load и store .
• Команды перехода: goto , if . goto , call и return .
• Команда останова: halt .

Прим. перев. На самом деле все арифметические операции в АЛУ могут быть созданы на основе всего двух: сложение и сдвиг. Однако чем больше базовых операций поддерживает АЛУ, тем оно быстрее.

Инструкции предоставляются компьютеру на языке ассемблера или генерируются компилятором высокоуровневых языков.

В процессоре инструкции реализуются на аппаратном уровне. За один такт одноядерный процессор может выполнить одну элементарную (базовую) инструкцию.

Группу инструкций принято называть набором команд (англ. instruction set).

Тактирование процессора

Быстродействие компьютера определяется тактовой частотой его процессора. Тактовая частота — количество тактов (соответственно и исполняемых команд) за секунду.

Частота нынешних процессоров измеряется в ГГц (Гигагерцы). 1 ГГц = 10⁹ Гц — миллиард операций в секунду.

Чтобы уменьшить время выполнения программы, нужно либо оптимизировать (уменьшить) её, либо увеличить тактовую частоту. У части процессоров есть возможность увеличить частоту (разогнать процессор), однако такие действия физически влияют на процессор и нередко вызывают перегрев и выход из строя.

Выполнение инструкций

Инструкции хранятся в ОЗУ в последовательном порядке. Для гипотетического процессора инструкция состоит из кода операции и адреса памяти/регистра. Внутри управляющего устройства есть два регистра инструкций, в которые загружается код команды и адрес текущей исполняемой команды. Ещё в процессоре есть дополнительные регистры, которые хранят в себе последние 4 бита выполненных инструкций.

Ниже рассмотрен пример набора команд, который суммирует два числа:

1. LOAD_A 8 . Это команда сохраняет в ОЗУ данные, скажем, . Первые 4 бита — код операции. Именно он определяет инструкцию. Эти данные помещаются в регистры инструкций УУ. Команда декодируется в инструкцию load_A — поместить данные 1000 (последние 4 бита команды) в регистр A .
2. LOAD_B 2 . Ситуация, аналогичная прошлой. Здесь помещается число 2 ( 0010 ) в регистр B .
3. ADD B A . Команда суммирует два числа (точнее прибавляет значение регистра B в регистр A ). УУ сообщает АЛУ, что нужно выполнить операцию суммирования и поместить результат обратно в регистр A .
4. STORE_A 23 . Сохраняем значение регистра A в ячейку памяти с адресом 23 .

Вот такие операции нужны, чтобы сложить два числа.

Шина

Все данные между процессором, регистрами, памятью и I/O-устройствами (устройствами ввода-вывода) передаются по шинам. Чтобы загрузить в память только что обработанные данные, процессор помещает адрес в шину адреса и данные в шину данных. Потом нужно дать разрешение на запись на шине управления.

Кэш

У процессора есть механизм сохранения инструкций в кэш. Как мы выяснили ранее, за секунду процессор может выполнить миллиарды инструкций. Поэтому если бы каждая инструкция хранилась в ОЗУ, то её изъятие оттуда занимало бы больше времени, чем её обработка. Поэтому для ускорения работы процессор хранит часть инструкций и данных в кэше.

Если данные в кэше и памяти не совпадают, то они помечаются грязными битами (англ. dirty bit).

Поток инструкций

Современные процессоры могут параллельно обрабатывать несколько команд. Пока одна инструкция находится в стадии декодирования, процессор может успеть получить другую инструкцию.

Однако такое решение подходит только для тех инструкций, которые не зависят друг от друга.

Если процессор многоядерный, это означает, что фактически в нём находятся несколько отдельных процессоров с некоторыми общими ресурсами, например кэшем.

Как разрабатываются и производятся процессоры: проектирование ЦП

Теперь, когда мы знаем, как работают процессоры на высоком уровне, настало время углубиться в разбор процесса проектирования их внутренних компонентов. Это вторая статья из серии, посвящённой разработке процессоров. Рекомендую изучить для начала первую часть, чтобы вы понимать изложенные ниже концепции.

Часть 1: Основы архитектуры компьютеров (архитектуры наборов команд, кэширование, конвейеры, hyperthreading)
Часть 2: Процесс проектирования ЦП (электрические схемы, транзисторы, логические элементы, синхронизация)
Часть 3: Компонование и физическое производство чипа (VLSI и изготовление кремния)
Часть 4: Современные тенденции и важные будущие направления в архитектуре компьютеров (море ускорителей, трёхмерное интегрирование, FPGA, Near Memory Computing)

Как вы возможно знаете, процессоры и большинство других цифровых устройств состоят из транзисторов. Проще всего воспринимать транзистор как управляемый переключатель с тремя контактами. Когда затвор включён, электрический ток может течь по транзистору. Когда затвор отключён, ток течь не может. Затвор похож на выключатель света в комнате, только он гораздо меньше, быстрее и может управляться электрически.

Существует два основных типа транзисторов, используемых в современных процессорах: pMOS (PМОП) и nMOS (NМОП). nMOS-транзистор пропускает ток, когда затвор (gate) заряжен или имеет высокое напряжение, а pMOS-транзистор пропускает ток, когда затвор разряжен или имеет низкое напряжение. Сочетая эти типы транзисторов комплементарным образом, мы можем создавать логические элементы КМОП (CMOS). В этой статье мы не будем подробно разбирать особенности работы транзисторов, но коснёмся этого в третьей части серии.

Логический элемент — это простое устройство, получающее входные сигналы, выполняющее какую-то операцию, и выводящее результат. Например, элемент И (AND) включает свой выходной сигнал тогда и только тогда, когда включены все входы затвора. Инвертор, или элемент НЕ (NOT) включает свой выход, если вход отключён. Можно скомбинировать эти два затвора и получить элемент И-НЕ (NAND), который включает выход, тогда и только тогда, когда не включён ни один из входов. Существуют другие элементы со своей логической функциональностью, например ИЛИ (OR), ИЛИ-НЕ (NOR), исключающее ИЛИ (XOR) и исключающее ИЛИ с инверсией (XNOR).

Ниже показано, как из транзисторов собраны два простых элемента: инвертор и NAND. В инверторе pMOS-транзистор (сверху) соединён с питанием, а nMOS-транзистор (снизу) соединён с заземлением. На обозначении pMOS-транзисторов есть небольшой кружок, соединённый с затвором. Мы сказали, что pMOS-устройства пропускают ток, когда вход отключен, а nMOS-устройства пропускают ток, когда вход включен, поэтому легко заметить, что сигнал на выходе (Out) будет всегда противоположным сигналу на входе (In). Взглянув на элемент NAND, мы видим, что для него требуется четыре транзистора, и что выход всегда будет отключен, если выключен хотя бы один из входов. Соединение подобным образом транзисторов для образования простых сетей — это тот же процесс, который используется для проектирования более сложных логических элементов и других схем внутри процессоров.

Строительные блоки в виде логических элементов так просты, что трудно понять, как они превращаются в функционирующий компьютер. Процесс проектирования заключается в комбинировании нескольких элементов для создания небольшого устройства, способного выполнять простую функцию. Затем можно объединить множество таких устройств, чтобы создать нечто, выполняющее более сложную функцию. Процесс комбинирования отдельных компонентов для создания работающей структуры — это именно тот процесс, который используется сегодня для создания современных чипов. Единственное отличие заключается в том, что современный чип состоит из миллиардов транзисторов.

В качестве небольшого примера давайте возьмём простой сумматор — 1-битный полный сумматор. Он получает три входных сигнала — A, B, и Carry-In (входной сигнал переноса), и создаёт два выходных сигнала — Sum (сумма) и Carry-Out (выходной сигнал переноса). В простейшей схеме используется пять логических элементов, и их можно соединить вместе для создания сумматора любого размера. В современных схемах этот процесс усовершенствован оптимизацией части логики и сигналов переноса, но фундаментальные основы остаются теми же.

Выход Sum равен или A, или B, но никогда обоим, или есть входящий сигнал переноса, и тогда A и B или оба включены, или оба выключены. Выходной сигнал переноса немного сложнее. Он активен, когда или A и B включены одновременно, или есть Carry-in и один из A или B включен. Чтобы соединить несколько 1-битных сумматоров для создания более широкого сумматора, нам просто нужно соединить Carry-out предыдущего бита с Carry-in текущего бита. Чем сложнее становятся схемы, тем запутанней получается логика, но это самый простой способ сложения двух чисел. В современных процессорах используются более изощрённые сумматоры, но их схемы слишком сложны для подобного обзора. Кроме сумматоров процессоры также содержат устройства для деления, умножения и версий всех этих операций с плавающей точкой.

Подобное объединение последовательностей элементов для выполнения некой функции над входными сигналами называется комбинаторной логикой. Однако это не единственный тип логики, используемый в компьютерах. Не будет особой пользы, если мы не сможем хранить данные или отслеживать состояние. Для того, чтобы иметь возможность сохранять данные, нам нужна секвенциальная логика.

Секвенциальная логика строится аккуратным соединением инверторов и других логических элементов так, чтобы их выходы передавали сигналы обратной связи на вход элементов. Такие контуры обратной связи используются для хранения одного бита данных и называются статическим ОЗУ (Static RAM), или SRAM. Эта память называется статическим ОЗУ в противовес динамической (DRAM), потому что сохраняемые данные всегда напрямую соединены с положительным напряжением или заземлением.

Стандартный способ реализации одного бита SRAM — это показанная ниже схема из 6 транзисторов. Самый верхний сигнал, помеченный как WL (Word Line) — это адрес, и когда он включен, то данные, хранящиеся в этой 1-битной ячейке передаются в Bit Line, помеченную как BL. Выход BLB называется Bit Line Bar; это просто инвертированное значение Bit Line. Вы должны узнать два типа транзисторов и понять, что M3 с M1, как и M4 с M2, образуют инвертор.

SRAM используется для построения сверхбыстрых кэшей и регистров внутри процессоров. Эта память очень стабильна, но для хранения каждого бита данных требует от шести до восьми транзисторов. Поэтому по сравнению с DRAM она чрезвычайно затратна с точки зрения стоимости, сложности и площади на чипе. С другой стороны, Dynamic RAM хранит данные в крошечном конденсаторе, а не использует логические элементы. Она называется динамической, потому что напряжение на конденсаторе может значительно изменяться, так как он не подключён к питанию или заземлению. Есть только один транзистор, используемый для доступа к хранящимся в конденсаторе данным.

Поскольку DRAM требует всего по одному транзистору на бит и очень масштабируема, её можно плотно и дёшево упаковывать. Недостаток DRAM заключается в том, что заряд конденсатора так мал, что его необходимо постоянно обновлять. Именно поэтому после отключения питания компьютера все конденсаторы разряжаются и данные в ОЗУ теряются.

Такие компании, как Intel, AMD и Nvidia, не публикуют схем работы своих процессоров, поэтому невозможно показать подобных полных электрических схем для современных процессоров. Однако этот простой сумматор позволит вам получить представление о том, что даже самые сложные части процессора можно разбить на логические и запоминающие элементы, а затем и на транзисторы.

Теперь, когда мы знаем, как производятся некоторые компоненты процессора, нам нужно разобраться, как соединить всё вместе и синхронизировать. Все ключевые компоненты процессора подключены к синхронизирующему (тактовому) сигналу (clock signal). Он попеременно имеет высокое и низкое напряжение, меняя его с заданным интервалом, называемым частотой (frequency). Логика внутри процессора обычно переключает значения и выполняет вычисления, когда синхронизирующий сигнал меняет напряжение с низкого на высокое. Синхронизируя все части, мы можем гарантировать, что данные всегда поступают в правильное время, чтобы в процессоре не возникали «глюки».

Вы могли слышать, что для повышения производительности процессора можно увеличить частоту тактовых сигналов. Это повышение производительности происходит благодаря тому, что переключение транзисторов и логики внутри процессора начинает происходить чаще, чем предусмотрено. Поскольку в секунду происходит больше циклов, то можно выполнить больше работы и процессор будет иметь повышенную производительность. Однако это справедливо до определённого предела. Современные процессоры обычно работают с частотой от 3,0 ГГц до 4,5 ГГц, и эта величина почти не изменилась за последние десять лет. Точно так же, как металлическая цепь не прочнее её самого слабого звена, процессор может работать не быстрее его самой медленной части. К концу каждого тактового цикла каждый элемент процессора должен завершить свою работу. Если какие-то части ещё её не завершили, то тактовый сигнал слишком быстрый и процессор не будет работать. Проектировщики называют эту самую медленную часть критическим путём (Critical Path) и именно он определяет максимальную частоту, с которой может работать процессор. Выше определённой частоты транзисторы просто не успевают достаточно быстро переключаться и начинают глючить или выдавать неверные выходные значения.

Повысив напряжение питания процессора, мы можем ускорить переключение транзисторов, но это тоже срабатывает до определённого предела. Если подать слишком большое напряжение, то мы рискуем сжечь процессор. Когда мы повышаем частоту или напряжение процессора, он всегда начинает излучать больше тепла и потреблять бОльшую мощность. Так происходит потому, что мощность процессора прямо пропорциональна частоте и пропорциональна квадрату напряжения. Чтобы определить энергопотребление процессора, мы рассматриваем каждый транзистор как маленький конденсатор, который нужно заряжать или разряжать при изменении его значения.

Подача питания — это настолько важная часть процессора, что в некоторых случаях до половины физических контактов на чипе может использоваться только для питания или заземления. Некоторые чипы при полной нагрузке могут потреблять больше 150 амперов, и со всем этим током нужно управляться чрезвычайно аккуратно. Для сравнения: центральный процессор генерирует больше тепла на единицу площади, чем ядерный реактор.

Тактовый сигнал в современных процессорах отнимает примерно 30-40% от его общей мощности, потому что он очень сложен и должен управлять множеством различных устройств. Для сохранения энергии большинство процессоров с низким потреблением отключает части чипа, когда они не используются. Это можно реализовать отключением тактового сигнала (этот способ называется Clock Gating) или отключением питания (Power Gating).

Тактовые сигналы создают ещё одну сложность при проектировании процессора: поскольку их частоты постоянно растут, то на работу начинают влиять законы физики. Даже несмотря на чрезвычайно высокую скорость света, она недостаточно велика для высокопроизводительных процессоров. Если подключить тактовый сигнал к одному концу чипа, то ко времени, когда сигнал достигнет другого конца, он будет рассинхронизован на значительную величину. Чтобы синхронизировать все части чипа, тактовый сигнал распределяется при помощи так называемого H-Tree. Это структура, гарантирующая, что все конечные точки находятся на совершенно одинаковом расстоянии от центра.

Может показаться, что проектирование каждого отдельного транзистора, тактового сигнала и контакта питания в чипе — чрезвычайно монотонная и сложная задача, и это в самом деле так. Даже несмотря на то, что в таких компаниях, как Intel, Qualcomm и AMD, работают тысячи инженеров, они не смогли бы вручную спроектировать каждый аспект чипа. Для проектирования чипов такого масштаба они используют множество сложных инструментов, автоматически генерирующих конструкции и электрические схемы. Такие инструменты обычно получают высокоуровневое описание того, что должен делать компонент, и определяют наилучшую аппаратную конфигурацию, удовлетворяющую этим требованиям. Недавно возникло направление развития под названием High Level Synthesis, которое позволяет разработчикам указывать необходимую функциональность в коде, после чего компьютеры определяют, как оптимальнее достичь её в оборудовании.

Точно так же, как вы можете описывать компьютерные программы через код, проектировщики могут описывать кодом аппаратные устройства. Такие языки, как Verilog и VHDL позволяют проектировщикам оборудования выражать функциональность любой создаваемой ими электрической схемы. После выполнения симуляций и верификации таких проектов их можно синтезировать в конкретные транзисторы, из которых будет состоять электрическая схема. Хоть этап верификации может и не кажется таким увлекательным, как проектирование нового кэша или ядра, он значительно важнее их. На каждого нанимаемого компанией инженера-проектировщика может приходиться пять или более инженеров по верификации.

Верификация нового проекта часто занимает больше времени и денег, чем создание самого чипа. Компании тратят так много времени и средств на верификацию, потому что после отправки чипа в производство его невозможно исправить. В случае ошибки в ПО можно выпустить патч, но оборудование работает иначе. Например, компания Intel обнаружила баг в модуле деления с плавающей запятой некоторых чипов Pentium, и в результате это вылилось в потери, эквивалентные современным 2 миллиардам долларов.

Сложно осмыслить то, что в одном чипе может быть несколько миллиардов транзисторов и понять, что все они делают. Если разбить чип на его отдельные внутренние компоненты, становится немного легче. Из транзисторов составляются логические элементы, логические элементы комбинируются в функциональные модули, выполняющие определённую задачу, а эти функциональные модули соединяются вместе, образуя архитектуру компьютера, которую мы обсуждали в первой части серии.

БОльшая часть работ по проектированию автоматизирована, но изложенное выше позволяет нам осознать, насколько сложен только что купленный нами новый ЦП.

Во второй части серии я рассказал о процессе проектирования ЦП. Мы обсудили транзисторы, логические элементы, подачу питания и синхронизирующих сигналов, синтез конструкции и верификацию. В третьей части мы узнаем, что требуется для физического производства чипа. Все компании любят хвастаться тем, насколько современен их процесс изготовления (Intel — 10-нанометровый, Apple и AMD — 7-нанометровый, и т.д.), но что же на самом деле означают эти числа? Об этом мы расскажем в следующей части.

Рекомендуемое чтение

• The History of the Microprocessor and the Personal Computer
• Display Tech Compared: TN vs. VA vs. IPS
• 4GHz CPU Battle: AMD 2nd-Gen Ryzen vs. Intel 8th-Gen Core
• What’s Thermal Throttling and How to Prevent It