Tại sao chúng ta cần rất nhiều bóng bán dẫn trong một con chip, và chúng được quản lý như thế nào?

Kiến thức của tôi rất mơ hồ vì tất cả những gì chúng ta có là sơ đồ trực quan, v.v., nhưng chúng ta có địa chỉ bộ nhớ và các thanh ghi, ALU là trái tim (rõ ràng). CPU lõi đơn xử lý một lệnh tại một thời điểm AFAIK và đa lõi có sự song song ở một mức độ nào đó. Vậy hàng triệu bóng bán dẫn đi vào đâu và làm thế nào để 32 thanh ghi quản lý mọi thứ. Chúng tôi có FPU tôi biết, có bao nhiêu bóng bán dẫn sẽ sử dụng khoảng. Bất kỳ cách nào để có được một ý tưởng khá đơn giản về những gì phần lớn các bóng bán dẫn làm, tại sao nhiều hơn có nghĩa là nhanh hơn và cách các thanh ghi 'quản lý' mọi thứ.

Đây là một câu hỏi rất lớn . Để trả lời đầy đủ, nó sẽ tốn nhiều dung lượng hơn bạn muốn đọc (không đề cập đến việc tôi nghi ngờ rằng có giới hạn về độ dài của bất kỳ câu trả lời SE nào), nhưng tôi sẽ cố gắng cung cấp cho bạn ý tưởng về những gì đang diễn ra trong CPU.

Đầu tiên, một bóng bán dẫn (khi được sử dụng trong CPU) về cơ bản là một công tắc, giống như một công tắc đèn ngoại trừ việc bạn không phải bật hoặc tắt thủ công. Thay vào đó, nó được điều khiển bởi một dòng điện. Điều quan trọng nhất cần hiểu là máy tính hiện đại là thiết bị hai trạng thái: điều duy nhất thực sự quan trọng là dây có dòng điện hay không.

Sau đó, người ta bắt đầu quá trình thiết kế chip bằng cách, ví dụ, quyết định cách thức một số nguyên (hoặc dữ liệu khác) sẽ được trình bày. Đối với các số nguyên, các nhà thiết kế chip thường quyết định cho họ bằng cách nối các dây với nhau theo một đơn vị logic, do đó, với bộ sưu tập bốn dây, có thể biểu diễn 16 mẫu có thể:$\mathtt{0000}, \mathtt{0001}, \dots \mathtt{1111}$, nơi một mô hình như $\mathtt{1101}$sẽ đại diện cho một điện áp trong dây 1, 2 và 4, và không có điện áp ở dây 3 và bộ sưu tập này có thể được hiểu là số 13. Trong ví dụ này, chúng ta có chip 4 bit được biết đến . Một máy tính hiện đại sẽ có 32 hoặc 64 dây được coi là một đơn vị.

Điều xảy ra là với một bộ sưu tập các công tắc được kết nối phù hợp (hay còn gọi là bóng bán dẫn), người ta có thể làm những việc như thêm hai số, so sánh hai số cho bằng nhau, quyết định xem một số có bằng 0 hay không, v.v. Thông thường, tất cả các thao tác này thường được thực hiện cùng một lúc, và thao tác liên quan được chọn theo hướng dẫn hiện tại, xác định kết quả nào sẽ được sử dụng và kết quả đó sẽ được gửi ở đâu. Tất cả điều khiển lưu lượng này cũng được điều khiển bởi các công tắc, tùy thuộc vào lệnh hiện tại là gì (trong chương trình đang được thực thi). Ngoài ra, những thứ như bộ nhớ và các thanh ghi lưu trữ thông tin cũng có thể được thực hiện bởi các công tắc này.

Để cảm nhận về số lượng bóng bán dẫn được sử dụng, một mạch cộng trong một $n$máy tính -bit có thể yêu cầu về, nói, $20n$ bóng bán dẫn, một $n$đăng ký -bit có thể yêu cầu $50n$bóng bán dẫn và mạch điều khiển giao thông để gửi kết quả đến đúng nơi có thể cần thêm vài trăm cho mỗi bit. Không khó để tưởng tượng rằng với rất nhiều chức năng và đường dẫn dữ liệu rộng (số lượng dây được nối với nhau), một CPU hiện đại có thể dễ dàng lấy hàng triệu bóng bán dẫn.

Về lý do tại sao "nhiều [bóng bán dẫn] có nghĩa là nhanh hơn", câu trả lời là "không nhất thiết", nhưng nói chung, tăng gấp đôi chiều rộng của đường dẫn dữ liệu, từ 32 bit lên 64, cho bạn khả năng điều khiển các số lớn hơn trong một lần hướng dẫn với chi phí đòi hỏi nhiều bóng bán dẫn.

Cuối cùng, các thanh ghi không thực sự "quản lý mọi thứ". Một thanh ghi chỉ đơn giản là một đơn vị lưu trữ rất nhanh, có khả năng lưu trữ và truy xuất thông tin nhanh hơn nhiều so với bộ nhớ RAM. Vì lý do đó, những thứ như lệnh hiện tại thường được lưu trữ trong một thanh ghi đặc biệt (được gọi là thanh ghi lệnh), đơn giản vì truy cập vào các bit của nó rất nhanh. Hướng dẫn hiện tại thực sự "quản lý mọi thứ" và nó được lưu trữ trong một thanh ghi tốc độ.

Đây là một lời giải thích rất ngắn gọn --- Tôi đã bỏ qua rất nhiều chi tiết và đề cập đến rất nhiều vấn đề kỹ thuật, nhưng tôi hy vọng nó ít nhất mang lại cho bạn cảm giác về những gì diễn ra trong một máy tính hiện đại. [bước vào chế độ che chở vịt với mong đợi tiếng hú của các kỹ sư máy tính]

Thông thường, một bit bộ nhớ cache yêu cầu 6 bóng bán dẫn (một số thiết kế sử dụng nhiều hơn hoặc ít hơn, với sự đánh đổi khác nhau; xem http://en.wikipedia.org/wiki/Static_random-access_memory ), vì vậy các CPU hiện đại có bộ nhớ cache lớn sử dụng rất nhiều bóng bán dẫn ở đó

Các CPU hiện đại cũng thực hiện đồng thời nhiều lệnh, do đó, có nhiều đơn vị thực thi (ALU) trên chip, mỗi đơn vị này khá phức tạp.

Một số thuật toán toán học trong FPU có thể được tăng tốc bằng cách tra cứu bảng cộng với phép nội suy; ví dụ, lệnh căn bậc hai đối ứng trong các đơn vị SSE của Intel được triển khai với một bảng cho độ chính xác 12 bit gần như ngay lập tức; bảng này về cơ bản là một đoạn ROM trên chip - nghĩa là vẫn còn nhiều bóng bán dẫn hơn.

có một số câu hỏi ở đây & sẽ chỉ tập trung vào một trong số chúng. các bóng bán dẫn trên chip "tỷ lệ" xấp xỉ với diện tích bề mặt được sử dụng cho các bóng bán dẫn. do đó bạn có thể tìm thấy sơ đồ của một con chip hiển thị ranh giới đồ họa của các hệ thống con khác nhau và chỉ cần sử dụng công thức # các bóng bán dẫn trong một vùng bằng với tỷ lệ diện tích của vùng đó với tổng diện tích của tổng số bóng bán dẫn trên chip.

ví dụ trong bài báo này:

• Bộ xử lý Itanium Quad-Core Transitor lõi tứ 65nm 2 tỷ Transitor et al

Hình 1 cho thấy ranh giới đồ họa trên chip. xem hình 4 cung cấp diện tích và # thiết bị trong hàng triệu cho các chức năng riêng biệt của CPU. ngoại lệ là có vẻ như các mạch bộ đệm rất dày đặc và có nhiều bóng bán dẫn hơn cho mỗi khu vực, nó dường như có 3 bóng bán dẫn ở 2/3 diện tích. rõ ràng trên con chip này có vẻ như khoảng trans các bóng bán dẫn được dành riêng cho bộ nhớ cache nhanh.

Câu trả lời đơn giản là bóng bán dẫn là các thành phần cơ bản của cổng logic, thanh ghi và thiết bị lưu trữ. cấu hình khác nhau của chúng làm cho có thể có hoặc không và flip-flop bao gồm các thanh ghi và bộ xử lý bậc cao hơn. Tra cứu 7404 (không phải cổng) 7408 (và) và 7432 (hoặc cổng). 7474 cơ bản và 74279 là cấu hình lưu trữ. Tôi không chắc chắn nếu bán dẫn quốc gia vẫn xuất bản các công cụ sơ đồ thực tế nhưng texas không.