Neden bu kadar çok transistöre ihtiyacımız var?

Transistörler bir elektrik devresinde, yani anahtarları, elektronik sinyalleri yükseltmek, akımı kontrol etmenize izin vermek için çeşitli amaçlara ...

Bununla birlikte, son zamanlarda Moore yasasını okudum, diğer rastgele internet makalelerinin yanı sıra, modern elektronik cihazların milyarlarca olmasa da modern elektronikte bulunan transistörlerin milyonlarca aralığında olduğu çok sayıda transistör var.

Bununla birlikte, neden birileri bu kadar çok transistöre ihtiyaç duyuyor? Eğer transistörler anahtar vb. Olarak çalışıyorsa, neden bu kadar saçma büyük miktarda bunlara modern elektronik cihazlarımızda ihtiyacımız olsun? Şu an kullandıklarımızdan daha az transistör kullandığımız için işleri daha verimli yapamayız mı?

Transistörler anahtardır, evet, ancak anahtarlar sadece ışıkları açıp kapatmaktan daha fazlasıdır.

Anahtarlar birlikte mantık kapılarına ayrılmıştır. Mantık kapıları birlikte mantık blokları halinde gruplandırılmıştır. Mantık blokları mantık fonksiyonlarına göre gruplandırılmıştır. Mantık fonksiyonları birlikte cips halinde gruplandırılmıştır.

Örneğin, bir TTL NAND geçidi tipik olarak 2 transistör kullanır (NAND geçitleri, NOR ile birlikte mantığın temel yapı taşlarından biri olarak kabul edilir):

^{bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik}

Teknoloji, TTL'den CMOS'a (şu anda fiili standart olan) geçiş yaparken, temelde bir transistör çiftlemesi vardı. Örneğin, NAND kapısı 2 transistörden 4'e geçti:

^{bu devreyi simüle et}

Bir mandal (bir SR gibi) 2 CMOS NAND geçidi, yani 8 transistör kullanılarak yapılabilir. 32 bitlik bir kayıt cihazı bu nedenle 32 flip-flop, yani 64 NAND geçit veya 256 transistör kullanılarak yapılabilir. Bir ALU'da birden fazla yazmaç olabilir, ayrıca çok sayıda başka kapı da olabilir, bu yüzden transistörlerin sayısı hızla artar.

Çipin yerine getirdiği işlevler ne kadar karmaşıksa, o kadar fazla kapıya ihtiyaç duyulur ve böylece daha fazla transistör olur.

Bugünlerde ortalama CPU'nuz, 30 yıl öncesine ait bir Z80 yongası söylemekten oldukça karmaşık. Yalnızca genişliğinin 8 katı olan kayıtları kullanmakla kalmaz, gerçekleştirdiği gerçek işlemlerin (karmaşık 3B dönüştürmeler, vektör işleme vb.) Eski çiplerin yapabileceğinden çok daha karmaşıktır. Modern bir işlemcideki tek bir komut, eski 8-bitlik bir hesaplamada birkaç saniye (ya da hatta dakikalar) ve sonuçta daha fazla transistöre sahip olarak yapılan işlemlerin hepsini alabilir.

Çeşitli yarı iletken cihazların yerel tedarikçilerini kontrol ettim ve sahip oldukları en büyük SRAM yongası 32Mbit'ti. 1 veya 0 değerinin depolanabileceği 32 milyon bireysel alan. "En az" 1 transistörün 1 bit bilgi depolaması için gerekli olduğu göz önüne alındığında, bu mutlak minimumda 32 milyon transistördür.

32 Mbits size ne kazandırır? Bu 4 Mbayt veya düşük kaliteli bir 4 dakikalık MP3 müzik dosyasının boyutu hakkında.

EDIT - googling'ime göre bir SRAM bellek hücresi şöyle gözüküyor: -

Yani, bu bit başına 6 transistör ve bahsettiğim çipte 192 milyon transistör gibi.

OP'nin bu kadar çok transistöre sahip elektronik cihazlarla karışabileceğini düşünüyorum . Moore Yasası öncelikle bilgisayarlar için endişe vericidir (CPU, SRAM / DRAM / ilgili depolama, GPU, FPGA vb.). Bir transistörlü radyo gibi bir şey (çoğunlukla) tek bir yonga üzerinde olabilir, ancak bu kadar fazla transistörden yararlanamaz. Öte yandan, bilgisayar cihazları, ek fonksiyonlar ve daha geniş veri genişlikleri için transistörler için doyumsuz bir iştah açıyor.

Daha önce belirtildiği gibi, SRAM, bit başına 6 transistör gerektirir. Önbelleklerimizi genişlettikçe (verimlilik amacıyla), daha fazla transistöre ihtiyacımız var. Bir işlemci gofretine bakıldığında, önbelleğin bir işlemcinin tek bir çekirdeğinden daha büyük olduğunu görebilirsiniz ve çekirdeklere daha yakından bakarsanız, içinde de önbellek olan iyi organize edilmiş parçalar göreceksiniz (muhtemelen veri ve talimat L1 önbelleğe). 6 MB önbellek ile 300 milyon transistöre ihtiyacınız var (artı adresleme mantığı).

Ancak, daha önce de belirtildiği gibi, transistörler, transistör sayısını artırmak için tek neden değildir. Modern bir Core i7'de, saat periyodunda ve çekirdek başına 7 taneden fazla talimatınız vardır (tanınmış dhrystone testini kullanarak). Bu bir şey ifade ediyor: Son teknoloji ürünü işlemciler çok fazla paralel hesaplama yapıyor. Aynı anda daha fazla işlem yapmak, bunu yapmak için daha fazla birime ve planlamak için çok daha akıllı bir mantık gerektirir. Akıllı mantık çok daha karmaşık mantıksal denklemler ve bunu gerçekleştirmek için çok daha fazla transistör gerektirir.

Detaylardan biraz uzaklaşmak:

Bilgisayarlar karmaşık dijital anahtarlama cihazlarıdır. Karmaşıklık katmanı üzerinde katman katmanı vardır. En basit seviye, tartışıldığı gibi NAND kapıları gibi mantık geçitleridir. Sonradan ekleyicilere, vardiya yazmaçlarına, mandallara vb. . (Saklanan veri bitinde birkaç transistör gerektiren bellekten bahsetmeyin)

Bu seviyelerin her biri, önceki ve karmaşıklık seviyelerindeki pek çok parçayı kullanıyor ve bunların tümü, çok sayıda ve temel mantık kapılarına dayanıyor.

Sonra eşzamanlılık ekleyin. Daha hızlı ve daha hızlı performans elde etmek için, modern bilgisayarlar aynı anda birçok şey yapacak şekilde tasarlanmıştır. Tek bir çekirdekte, adres kod çözücüsü, aritmetik ünite, vektör işlemci, önbellek yöneticisi ve diğer çeşitli alt sistemler, hepsi kendi kontrol sistemleri ve zamanlama sistemleriyle aynı anda çalışır.

Modern bilgisayarlarda ayrıca daha büyük ve daha fazla sayıda ayrı çekirdek bulunur (bir yonga üzerinde birden fazla CPU).

Her seferinde bir soyutlama katmanına çıktığınızda, daha fazla karmaşıklık derecesine sahip olursunuz. En düşük seviyede karmaşıklık bile binlerce transistöre sahiptir. CPU gibi yüksek seviyeli alt sistemlere çıkın ve en az milyonlarca transistörden bahsediyorsunuz.

Sonra GPU'lar var (Grafik İşleme Birimleri). Bir GPU, vektör matematiği için optimize edilmiş bir THOUSAND ayrı kayan nokta işlemciye sahip olabilir ve her alt işlemcide birkaç milyon transistör olacaktır.

Belirli öğeler için kaç tane transistör gerektiğini tartışmaya çalışmadan CPU, aşağıdakiler dahil daha fazla yetenek için daha fazla transistör kullanır:

• Daha karmaşık komut setleri
• Daha fazla çipte ön bellek olduğundan RAM'den daha az veri alınması gerekir
• Daha fazla kayıt
• Daha fazla işlemci çekirdeği

RAM, önbellek, yazmaçların artan ham depolama kapasitelerinin yanı sıra, daha fazla hesaplama çekirdeği ve daha geniş veriyolu genişlikleri (32 - 64 bit, vb.) Eklenmesinin yanı sıra, CPU'nun giderek daha karmaşık olması nedeniyle.

CPU'lar diğer hesaplama birimlerinden oluşan hesaplama birimleridir. Bir CPU talimatı birkaç aşamadan geçer. Eski günlerde, bir aşama vardı ve saat sinyali tüm mantık geçitlerinin (transistörlerden yapılmış) yerleşmesi için en kötü durum olan zaman kadar olurdu. Ardından CPU'nun aşamalara bölündüğü boru hattını icat ettik: talimat getirme, kod çözme, işleme ve yazma sonucu. Bu basit 4 aşamalı işlemci, orijinal saatin 4 katı bir saat hızında çalışabiliyordu. Her aşama, diğer aşamalardan ayrıdır. Bu, saat hızınızın yalnızca 4x'e (4x kazançta) artması anlamına gelmez, aynı zamanda şimdi CPU'da 4 komut (veya "boru hattı") gösterilmesini sağlayabilir ve bu da 4x performansına neden olur. Ancak şimdi “tehlikeler” yaratılıyor, çünkü gelen bir talimat önceki talimatın sonucuna bağlı olabilir, çünkü boru hattında, süreç aşamasına girerken diğeri işlem aşamasından çıkarken elde edemez. Bu nedenle, bu sonucu proses aşamasına giren talimata iletmek için devre eklemeniz gerekir. Alternatif, performansı düşüren boru hattını durdurmaktır.

Her boru hattı aşaması ve özellikle işlem bölümü, daha fazla aşamaya alt bölümlere ayrılabilir. Sonuç olarak, boru hattındaki tüm bağımlılıkların (tehlikelerin) üstesinden gelmek için çok miktarda devre yaratırsınız.

Diğer devreler de geliştirilebilir. "Dalgalanma taşı" toplayıcı olarak adlandırılan önemsiz bir dijital toplayıcı, en kolay, en küçük, ancak en yavaş toplayıcıdır. En hızlı toplayıcı, "ileriye bakma" toplayıcıdır ve çok büyük bir üstel devre alır. Bilgisayar mühendisliği dersimde, 32-bitlik bir ileri görüşme toplayıcı simülatörümde hafızam bitti, bu yüzden bir dalgalanma-taşıma konfigürasyonunda 2 16-bit CLA eklentisini yarıya indirdim. (Toplama ve çıkarma, bilgisayarlar için çok zordur, kolay çarpma, bölme çok zordur)

Tüm bunların bir yan etkisi, transistörlerin boyutunu küçültmemiz ve aşamaları bölmemizdir, saat frekansları artabilir. Bu işlemcinin daha fazla çalışmasını sağlar, böylece daha sıcak çalışır. Ayrıca, frekansları arttırdıkça yayılma gecikmeleri daha belirgin hale gelir (bir boru hattı aşamasının tamamlanması için geçen zaman ve sinyalin diğer taraftan ulaşması için geçen süre) Empedans nedeniyle, yayılımın etkin hızı nanosaniye başına yaklaşık 1 ft'dir (1 GHz). Saat hızınız arttıkça, 4 GHz'lik bir çipin maksimum boyutu 3 inç olduğundan çip düzeni giderek önem kazanıyor. Şimdi, çipte dolaşan tüm verileri yönetmek için ek otobüsler ve devreler dahil etmeye başlamanız gerekir.

Ayrıca her zaman cipslere talimat ekleriz. SIMD (Tek talimat çoklu veri), güç tasarrufu vb. Hepsi devre gerektirir.

Son olarak, çiplere daha fazla özellik ekleriz. Eski günlerde, CPU ve ALU'nuz (Aritmetik Mantık Birimi) ayrıydı. Onları birleştirdik. FPU (Kayan nokta birimi) ayrıydı ve bunlar da birleşti. Günümüzde USB 3.0, Video Hızlandırma, MPEG kod çözme vb. Ekliyoruz. Yazılımdan donanıma giderek daha fazla hesaplama yapıyoruz.

Majenko'nun transistörlerin nasıl kullanıldığı konusunda büyük bir cevabı var. Öyleyse bunun yerine farklı bir yaklaşım vektöründen geçeyim ve verimlilikle ilgileneyim.

Bir şey tasarlarken, olabildiğince az sayıda transistör kullanmak verimli midir?

Bu, temel olarak, bahsettiğiniz verimlilikten kaynaklanıyor. Belki de mümkün olduğunca az transistör kullanmanızın gerekli olduğunu savunan bir dinin üyesisiniz - bu durumda cevap hemen hemen verilir. Belki de ürün üreten bir şirketsiniz. Birden, verimlilik hakkındaki basit bir soru, maliyet - fayda oranı hakkında çok karmaşık bir soru haline gelir.

Ve işte şimdi geliyor - Entegre devrelerdeki transistörler son derece ucuz ve zamanla daha ucuz hale geliyorlar (SSD'ler, transistörlerin maliyetinin nasıl düşürülmesine harika bir örnektir). Öte yandan, emek, son derece pahalıdır.

IC'lerin yeni başladığı zamanlarda, gereken bileşen miktarını mümkün olduğunca düşük tutmak için belirli bir baskı vardı. Bunun nedeni, nihai ürünün maliyetini (aslında ürünün genellikle maliyetinin çoğu olduğu) önemli bir etkiye sahip olmalarıydı ve bitmiş, "kutulanmış" bir ürün oluştururken, işgücü maliyeti. Yaptığın tüm parçalara yayıldı. İlk IC tabanlı bilgisayarlar (video oyunlarını düşünün) mümkün olduğu kadar küçük parça başı maliyete yöneldi. Ancak, sabit maliyetler (parça başına maliyetlerin aksine), satabileceğiniz miktardan büyük ölçüde etkilenir. Sadece bir çift satacak olsanız, parça başına maliyetleri düşürmek için çok fazla zaman harcamak büyük ihtimalle değmezdi. Öte yandan, çok büyük bir pazar oluşturmaya çalışıyorsanız,

Önemli bir bölüme dikkat edin - yalnızca seri üretim için bir şey tasarlarken "verimliliği" geliştirmek için çok zaman harcamak mantıklı geliyor. Temel olarak "endüstri" nin ne olduğu - esnafla birlikte, vasıflı işgücü maliyetleri, bitmiş ürünün temel maliyetidir, bir fabrikada, maliyetlerin çoğu malzemelerden ve (nispeten) vasıfsız işgücünden gelir.

PC devrimi için hızlı ileri alalım. IBM tarzı PC'ler ortaya çıktığında, çok aptaldılar. Son derece aptalca. Onlar genel amaçlı bilgisayarlardı. Hemen hemen her iş için daha iyi, daha hızlı ve daha ucuz bir cihaz tasarlayabilirsiniz. Başka bir deyişle, basit verimlilik görüşünde, onlar son derece verimsizdi. Hesap makineleri çok daha ucuzdu, cebinize oturdu ve uzun bir süre pil kullandı. Video oyun konsollarının, oyun yaratmada onları çok iyi yapmak için özel bir donanımı vardı. Sorun şu ki, başka bir şey yapamıyorlardı. PC her şeyi yapabilirdi - çok daha kötü bir fiyat / çıktı oranına sahipti, ancak bir hesap makinesi ya da 2D sprite oyun konsolu yapmak için demiryoluna girmediniz. Neden Wolfenstein ve Doom (ve Apple PC'lerde) Maraton) genel amaçlı bilgisayarlarda görünür, oyun konsollarında değil? Konsollar 2D sprite tabanlı oyunlar (tipik JRPG veya Contra gibi oyunlar hayal edin) konusunda çok başarılı oldukları için, ancak verimli donanımdan uzaklaşmak istediğinizde, başka bir şey yapmak için yeterli işlem gücünün olmadığını öğrendiniz!

Dolayısıyla, görünüşe göre daha az verimli olan yaklaşım size bazı çok ilginç seçenekler sunar:

• Size daha fazla özgürlük verir. Eski IBM bilgisayarlarıyla eski 2B konsolları ve eski 3B grafik hızlandırıcıları, yavaş yavaş kendi başına genel amaçlı bilgisayarlar haline gelen modern GPU'larla karşılaştırın.
• Son ürünler (yazılım) bazı yönlerden "zanaatkar" olmasına rağmen seri üretim verimliliğini artırıyor. Bu nedenle Intel gibi şirketler, iş birimi maliyetini tüm dünyadaki geliştiricilere göre çok daha verimli bir şekilde düşürebilirler.
• Gelişimde daha fazla soyutlama için daha fazla alan sağlar, böylece daha iyi üretim için daha düşük geliştirme ve test maliyetlerine olanak sağlayan hazır çözümlerin daha iyi tekrar kullanılmasına izin verir. Bu temelde, her okul çocuğunun veritabanı erişimi ve internet bağlantısı ile tam teşekküllü bir GUI tabanlı uygulama yazması ve her zaman sıfırdan başlamak zorunda olmanız halinde geliştirmesi son derece zor olabilecek diğer şeyler yazmasının nedenidir.
• PC'lerde, bu, uygulamalarınızın temelde girişiniz olmadan zaman içinde daha hızlı hale geldiği anlamına gelir. Ücretsiz öğle yemeği zamanı çoğunlukla bitti, çünkü bilgisayarların ham hızını arttırmak gittikçe zorlaşıyor, ancak bilgisayarın ömrünün çoğunu şekillendirdi.

Bütün bunlar transistörlerin "israfı" ile geliyor, fakat gerçek atık değil, çünkü gerçek toplam maliyetler basit "mümkün olduğunca az transistör" için zorladığınızdan daha düşük .

"Çok sayıda transistör" hikayesinin bir başka yanı, bu transistörlerin ayrı ayrı bir insan tarafından tasarlanmadığıdır. Modern bir CPU çekirdeği 0,1 milyar transistöre sahip ve hiçbiri doğrudan bu transistörlerin tasarımını yapmıyor. Bu mümkün olmazdı. 75 yıllık bir ömür sadece 2,3 milyar saniyedir.

Bu yüzden, bu kadar büyük tasarımları mümkün kılmak için insanlar, cihazın fonksiyonelliğini, bireysel transistörlerden çok daha yüksek bir soyutlama seviyesinde tanımlamaya katılıyorlar. Bireysel transistörlere dönüşüm, devre sentezi olarak bilinir ve büyük CPU üreticileri ve dökümhaneler arasında bir araya gelerek, yıllar içinde geliştirmek için bir milyar doların toplu olarak toplanmasına mal olan çok pahalı, özel araçlarla yapılır.

Devre sentezi araçları mümkün olan en az sayıda transistöre sahip tasarımlar üretmez. Bu, birçok nedenden dolayı yapılır.

İlk olarak, en temel durumu ele alalım: herhangi bir karmaşık devre, daha basit, belki seri bir CPU ile yeterli belleğe sahip olabilir. Bir Arduino'ya yeterince seri RAM bağladığınızda, kesinlikle bir i7 yongasını mükemmel bir hassasiyetle simüle edebilirsiniz. Böyle bir çözüm, gerçek CPU'dan çok daha az transistöre sahip olacak ve 1kHz ya da daha az etkili bir saat hızı ile, aşırı yavaş çalışacak. Transistör sayısının azaltılmasının o kadar ileri gitme niyetinde olmadığı açıktır .

Bu yüzden kendimizi belirli bir tasarım-transistör dönüşümleri sınıfıyla sınırlandırmalıyız: orijinal tasarıma inşa edilen paralel kapasiteyi koruyanlar.

O zaman bile, en az sayıda transistörün optimizasyonu büyük olasılıkla mevcut herhangi bir yarı iletken işlemi kullanılarak üretilemeyen tasarımlar üretecektir. Niye ya? Çünkü gerçekten yapabileceğiniz cipsler 2B yapılardır ve bunun için bir kilo metal gerektirmeden bu transistörleri birbirine bağlayabilmeniz için biraz devre fazlalığı gerektirir. Transistörlerin ve sonuçtaki kapıların fan girişi ve çıkışı önemlidir.

Son olarak, araçlar teorik olarak mükemmel değildir: genellikle üretilebilir bir yonganın kısıtı verilen transistör sayıları açısından küresel olarak minimum çözümler üretmek için çok fazla CPU zamanı ve belleği gerektirir.

OP'nin bilmesi gereken şeyin 'basit bir anahtarın' çoğu zaman birkaç transistöre ihtiyacı olduğunu düşünüyorum. Niye ya? Pek çok nedenden dolayı. Bazen ekstra transistörlere ihtiyaç duyulabilir, böylece güç kullanımı 'açık' veya 'kapalı' durum için düşüktür. Bazen, transistörlere voltaj girişlerindeki veya bileşen özelliklerindeki belirsizliklerle baş etmek için ihtiyaç duyulur. Bir çok sebep var. Ama konuya minnettarım. Bir OP-AMP için devre şemasına bakın ve birkaç düzine transistör göreceksiniz! Fakat devreye bir amaç sunmasaydı orada olmazlardı.

Temel olarak tüm bilgisayar anlarsa 0s ve 1s .. bu anahtarlar tarafından karar verilir. Evet, transistörlerin fonksiyonları anahtarlardan daha fazladır. Bu nedenle, eğer bir anahtar, çıkışın 0 mı yoksa 1 mi (tek bi çalışma olarak kabul edilirse) olması gerektiğine karar verebilirse, bit sayısı o kadar fazla olur. daha fazla transistör .. neden milyonlarca transistörü tek bir mikroişlemciye yerleştirmemiz gerektiğine şaşmamalı .. :)

Teknoloji çağında akıllı cihazlara ihtiyacımız var (küçük, hızlı ve verimli). Bu cihazlar no içeren dahili devrelerden (IC) oluşur. Transistörlerin IC'yi daha akıllı ve hızlı hale getirmek için daha fazla transistöre ihtiyacımız var çünkü elektronik cihazlarda, bir IC'deki her devre bir toplayıcı, alt traktör, çarpan, bölücü, mantık geçitleri, kaydediciler, çoklayıcılar, flip floplar, sayıcılar, kaydırıcılar, anılardan yapılır ve cihazlarda herhangi bir mantık uygulamak için mikroişlemciler vs. Transistörlerin yardımıyla herhangi bir mantığı uygulayabiliriz. Bu yüzden daha fazla transistöre ihtiyacımız var .....