Tại sao chúng ta cần rất nhiều bóng bán dẫn?


34

Các bóng bán dẫn phục vụ nhiều mục đích trong một mạch điện, tức là các công tắc, để khuếch đại tín hiệu điện tử, cho phép bạn điều khiển dòng điện, v.v ...

Tuy nhiên, gần đây tôi đã đọc về định luật Moore, trong số các bài báo ngẫu nhiên khác trên internet, các thiết bị điện tử hiện đại có số lượng bóng bán dẫn khổng lồ được đóng gói trong đó, với số lượng bóng bán dẫn trong các thiết bị điện tử hiện đại nằm trong hàng triệu, nếu không phải là hàng tỷ.

Tuy nhiên, tại sao chính xác bất cứ ai sẽ cần rất nhiều bóng bán dẫn? Nếu các bóng bán dẫn hoạt động như các công tắc, v.v., tại sao chúng ta lại cần một lượng lớn như vậy trong các thiết bị điện tử hiện đại của chúng ta? Có phải chúng ta không thể làm cho mọi thứ hiệu quả hơn để chúng ta sử dụng các bóng bán dẫn ít hơn so với những gì chúng ta đang sử dụng hiện nay?


7
Tôi khuyên bạn nên đi xuống những gì chip của bạn được làm bằng. Adders, Multipliers, Multiplexers, Memory, More Memory ... Và nghĩ về số lượng những thứ cần phải có mặt ở đó ...
Dzarda


1
Ngoài ra, việc sử dụng bóng bán dẫn liên tục để thay thế cho hầu hết các thiết bị cơ khí đã giúp định hình các thiết bị điện tử tiêu dùng hiện đại hơn bất kỳ thứ gì khác. Hình ảnh điện thoại của bạn kêu lách tách mỗi khi bật hoặc tắt đèn nền (trong khi kích thước và trọng lượng của xe hơi)
Đánh dấu

7
Bạn hỏi tại sao chúng ta không thể "làm mọi thứ hiệu quả hơn" để sử dụng ít bóng bán dẫn hơn; bạn cho rằng chúng tôi tìm cách giảm thiểu số lượng bóng bán dẫn. Nhưng nếu hiệu quả năng lượng được cải thiện bằng cách thêm nhiều hơn để kiểm soát thì sao? Hoặc đáng chú ý hơn là hiệu quả thời gian trong việc làm bất cứ tính toán nào? "Hiệu quả" là không có gì.
OJFord

2
Không phải là chúng ta cần nhiều bóng bán dẫn để xây dựng CPU, nhưng vì chúng ta có thể tạo ra tất cả các bóng bán dẫn đó, chúng ta cũng có thể sử dụng chúng theo cách làm cho CPU nhanh hơn.
dùng253751

Câu trả lời:


46

Các bóng bán dẫn là công tắc, vâng, nhưng công tắc không chỉ đơn thuần là để bật và tắt đèn.

Các công tắc được nhóm lại với nhau thành các cổng logic. Các cổng logic được nhóm lại với nhau thành các khối logic. Các khối logic được nhóm lại với nhau thành các chức năng logic. Các chức năng logic được nhóm lại với nhau thành chip.

Ví dụ: cổng NAND TTL thường sử dụng 2 bóng bán dẫn (cổng NAND được coi là một trong những khối xây dựng cơ bản của logic, cùng với NOR):

sơ đồ

mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab

Khi công nghệ chuyển đổi từ TTL sang CMOS (hiện là tiêu chuẩn thực tế), về cơ bản đã có sự tăng gấp đôi của bóng bán dẫn. Chẳng hạn, cổng NAND đi từ 2 bóng bán dẫn đến 4:

sơ đồ

mô phỏng mạch này

Một chốt (chẳng hạn như SR) có thể được thực hiện bằng cách sử dụng 2 cổng NAND CMOS, vì vậy 8 bóng bán dẫn. Do đó, một thanh ghi 32 bit có thể được tạo bằng 32 flip-flop, do đó 64 cổng NAND hoặc 256 bóng bán dẫn. Một ALU có thể có nhiều thanh ghi, cộng với rất nhiều cổng khác, vì vậy số lượng bóng bán dẫn tăng lên nhanh chóng.

Các chức năng mà chip thực hiện càng phức tạp thì càng cần nhiều cổng và do đó càng có nhiều bóng bán dẫn.

CPU trung bình của bạn ngày nay phức tạp hơn đáng kể so với chip Z80 từ 30 năm trước. Nó không chỉ sử dụng các thanh ghi có chiều rộng gấp 8 lần, mà các hoạt động thực tế mà nó thực hiện (biến đổi 3D phức tạp, xử lý vectơ, v.v.) đều phức tạp hơn nhiều so với các chip cũ có thể thực hiện. Một lệnh đơn trong CPU hiện đại có thể mất nhiều giây (hoặc thậm chí vài phút) tính toán trong 8 giây cũ, và tất cả những gì được thực hiện, cuối cùng, bằng cách có nhiều bóng bán dẫn hơn.


NAND = 4 chứ không phải 2 Transitor và FF không chỉ là 2 NOR
giữ chỗ

2
Ôi trơi! bạn thực sự cần phải suy nghĩ lại về điều đó. Hiển thị ngay cả MỘT thiết kế có hàng triệu bóng bán dẫn được thực hiện trong Bipolar !! TẤT CẢ các thiết kế này là CMOS,
giữ chỗ

2
Điểm công bằng. Đã thêm một sơ đồ thứ hai để làm nổi bật sự khác biệt và tăng gấp đôi tiếp theo của bóng bán dẫn chỉ từ đó.
Majenko

3
pullup yếu vs mạnh là một vấn đề hoàn toàn khác so với TTL so với CMOS. Rốt cuộc, các BJT đến trong PNP. CMOS không liên quan đến "nhân đôi bóng bán dẫn". Tích hợp quy mô lớn, vì các bóng bán dẫn nhỏ hơn nhiều so với điện trở kéo lên trong bất kỳ quy trình ASIC nào.
Ben Voigt

1
Đó không phải là một cổng NAND TTL. Đó là một cổng logic RTL.
fuzzyhair2

16

Tôi đã kiểm tra nhà cung cấp địa phương các thiết bị bán dẫn khác nhau và chip SRAM lớn nhất họ có là 32Mbit. Đó là 32 triệu khu vực riêng lẻ có thể lưu trữ 1 hoặc 0. Cho rằng "ít nhất" 1 bóng bán dẫn là cần thiết để lưu trữ 1 bit thông tin, thì đó là 32 triệu bóng bán dẫn ở mức tối thiểu.

32 Mbits giúp gì cho bạn? Đó là 4 Mbyte hoặc khoảng kích thước của tệp nhạc MP3 4 phút chất lượng thấp.


EDIT - một ô nhớ SRAM theo googling của tôi trông như thế này: -

nhập mô tả hình ảnh ở đây

Vì vậy, đó là 6 bóng bán dẫn mỗi bit và giống như 192 triệu bóng bán dẫn trên con chip mà tôi đã đề cập.


... và bây giờ hãy tưởng tượng bộ nhớ 8GB với thông tin 68719476736 bit
Kamil

1
... ngoại trừ họ không sử dụng bóng bán dẫn trong DRAM.
Majenko

1
@Majenko: Ít nhất là không nhiều như các công nghệ khác. 1 bóng bán dẫn + 1 tụ điện (trên phạm vi hiển vi rõ ràng) trong 1 bit - nếu tôi nhớ chính xác.
Rev1.0

28
Mỗi bit của SRAM có ít nhất 4 và thường là 6 bóng bán dẫn nên 128 triệu bóng bán dẫn trở lên. DRAM không sử dụng bóng bán dẫn để lưu trữ - nhưng mỗi bit (được lưu trữ trên tụ điện) có công tắc bóng bán dẫn riêng để sạc nắp.
Brian Drumond

6
Bây giờ hãy tưởng tượng các bóng bán dẫn trong ổ SSD 1T (được cấp 3 bit / cell và trên nhiều chip) nhưng đó vẫn là 2,7 nghìn tỷ bóng bán dẫn chỉ để lưu trữ - không tính địa chỉ, kiểm soát và trợ cấp cho các bit xấu và hao mòn).
Spehro Pefhany

7

Tôi nghĩ OP có thể bị nhầm lẫn bởi các thiết bị điện tử có quá nhiều bóng bán dẫn. Định luật Moore chủ yếu liên quan đến máy tính (CPU, SRAM / DRAM / lưu trữ liên quan, GPU, GPU, v.v.). Một cái gì đó giống như một đài bán dẫn có thể (chủ yếu) trên một chip duy nhất, nhưng không thể tận dụng tất cả nhiều transistor. Mặt khác, các thiết bị điện toán có sự thèm ăn vô độ đối với các bóng bán dẫn cho các chức năng bổ sung và độ rộng dữ liệu rộng hơn.


3
Radio ngày nay các thiết bị điện toán, hoặc ít nhất có chứa chúng. Tổng hợp kỹ thuật số tần số FM, xử lý tín hiệu DSP của âm thanh (một vấn đề lớn), điều khiển giám sát kỹ thuật số của chuyển mạch trạm, v.v. Ví dụ: TAS3208 ti.com/lit/ds/symlink/tas3208.pdf
Spehro Pefhany

1
Bạn vẫn sẽ không thấy hàng chục hoặc hàng trăm triệu, ít hơn nhiều tỷ bóng bán dẫn được sử dụng cho radio. Chắc chắn, chúng đang trở thành những máy tính chuyên dụng nhỏ với tất cả chức năng kỹ thuật số đó, nhưng không có gì trên quy mô của CPU 64 bit đa lõi.
Phil Perry

@PhilPerry chắc chắn một đài phát thanh kỹ thuật số có cái gì đó giống như ARM trong đó? Không phải hàng tỷ bóng bán dẫn, nhưng cũng vào hàng chục triệu.

Chà, nếu bạn đã vượt qua "đường dây" từ radio analog sang máy tính (trong số những thứ khác) nhận được tín hiệu radio, bạn sẽ sử dụng rất nhiều bóng bán dẫn. Quan điểm của tôi vẫn cho rằng câu hỏi của OP về các thiết bị điện tử nghe có vẻ như nhầm lẫn giữa radio analog cổ điển, v.v. và các thiết bị điện toán. Vâng, họ biểu diễn theo cách cư xử rất khác nhau ngay cả khi cả hai đều là hộp đen kéo nhạc ra khỏi không khí.
Phil Perry

4

Như đã nêu trước đây, SRAM yêu cầu 6 bóng bán dẫn mỗi bit. Khi chúng tôi mở rộng bộ nhớ cache (vì mục đích hiệu quả), chúng tôi yêu cầu ngày càng nhiều bóng bán dẫn. Nhìn vào bộ xử lý wafer , bạn có thể thấy bộ đệm lớn hơn lõi đơn của bộ xử lý và nếu bạn nhìn kỹ vào lõi, bạn sẽ thấy các phần được tổ chức tốt trong đó, cũng là bộ đệm (có thể là dữ liệu và hướng dẫn L1 bộ nhớ cache). Với 6MB bộ nhớ cache, bạn cần 300 triệu bóng bán dẫn (cộng với logic địa chỉ).

Nhưng, cũng như đã nêu trước đây, bóng bán dẫn không phải là lý do duy nhất để tăng số lượng bóng bán dẫn. Trên Core i7 hiện đại, bạn có hơn 7 lệnh được thực hiện trên mỗi chu kỳ đồng hồ và trên mỗi lõi (sử dụng thử nghiệm dhstallone nổi tiếng). Điều này có nghĩa là một điều: các bộ xử lý tiên tiến thực hiện nhiều tính toán song song. Thực hiện nhiều hoạt động cùng một lúc đòi hỏi phải có nhiều đơn vị để thực hiện và logic rất thông minh để lên lịch cho nó. Logic thông minh đòi hỏi các phương trình logic phức tạp hơn nhiều, và nhiều bóng bán dẫn hơn để thực hiện nó.


SRAM đã không yêu cầu 6 bóng bán dẫn trong một vài năm. Trong thực tế, 6T Sram khá lãng phí khi bạn sử dụng các sram 1T 2T hoặc 4T vì về cơ bản là thay thế.
cb88

2

Bước ra khỏi các chi tiết một chút:

Máy tính là thiết bị chuyển mạch kỹ thuật số phức tạp. Họ có lớp trên lớp phức tạp. Cấp độ đơn giản nhất là các cổng logic như cổng NAND, như đã thảo luận, Sau đó, bạn có được các bộ cộng, thanh ghi thay đổi, chốt, v.v. . (Không đề cập đến bộ nhớ, yêu cầu một số bóng bán dẫn cho mỗi bit dữ liệu được lưu trữ)

Mỗi một trong những cấp độ đó đang sử dụng rất nhiều phần từ mức độ phức tạp trước đó, tất cả đều dựa trên rất nhiều cổng logic cơ bản.

Sau đó, bạn thêm đồng thời. Để có được hiệu suất nhanh hơn và nhanh hơn, các máy tính hiện đại được thiết kế để làm nhiều việc cùng một lúc. Trong một lõi đơn, bộ giải mã địa chỉ, đơn vị số học, bộ xử lý vector, trình quản lý bộ đệm và nhiều hệ thống con khác đều chạy cùng một lúc, tất cả đều có hệ thống điều khiển và hệ thống thời gian riêng.

Các máy tính hiện đại cũng có số lượng lõi lớn hơn và lớn hơn (nhiều CPU trên một con chip.)

Mỗi khi bạn đi lên một lớp trừu tượng, bạn có nhiều mệnh lệnh phức tạp hơn. Ngay cả mức độ phức tạp thấp nhất cũng có hàng ngàn bóng bán dẫn. Đi lên các hệ thống con cấp cao như CPU ​​và bạn đang nói về ít nhất hàng triệu bóng bán dẫn.

Sau đó, có GPU (Đơn vị xử lý đồ họa). GPU có thể có bộ xử lý dấu phẩy động riêng biệt THOUSAND được tối ưu hóa để thực hiện toán học vectơ và mỗi bộ xử lý phụ sẽ có vài triệu bóng bán dẫn trong đó.


1

Không cố gắng thảo luận có bao nhiêu bóng bán dẫn cần thiết cho các mặt hàng cụ thể, CPU sử dụng nhiều bóng bán dẫn hơn để tăng khả năng bao gồm:

  • Bộ hướng dẫn phức tạp hơn
  • Thêm bộ nhớ cache trên chip để yêu cầu ít tải hơn từ RAM
  • Đăng ký thêm
  • Nhiều lõi xử lý hơn

1

Ngoài việc tăng dung lượng lưu trữ thô của RAM, bộ nhớ cache, đăng ký và cũng như thêm nhiều lõi máy tính và độ rộng bus rộng hơn (32 so với 64 bit, v.v.), đó là do CPU ngày càng phức tạp.

CPU là các đơn vị tính toán được tạo thành từ các đơn vị tính toán khác. Một lệnh CPU trải qua nhiều giai đoạn. Vào thời xưa, có một giai đoạn và tín hiệu đồng hồ sẽ dài bằng thời gian trường hợp xấu nhất cho tất cả các cổng logic (được làm từ bóng bán dẫn) để giải quyết. Sau đó, chúng tôi đã phát minh ra ống lót, trong đó CPU được chia thành các giai đoạn: tìm nạp lệnh, giải mã, xử lý và ghi kết quả. CPU 4 tầng đơn giản đó có thể chạy ở tốc độ xung nhịp gấp 4 lần đồng hồ gốc. Mỗi giai đoạn, tách biệt với các giai đoạn khác. Điều này có nghĩa là không chỉ tốc độ xung nhịp của bạn có thể tăng lên gấp 4 lần (ở mức tăng gấp 4 lần) mà giờ đây bạn có thể có 4 hướng dẫn được xếp lớp (hoặc "pipelined") trong CPU, dẫn đến hiệu suất gấp 4 lần. Tuy nhiên, bây giờ "mối nguy" được tạo vì một lệnh đến có thể phụ thuộc vào kết quả của lệnh trước đó, nhưng vì nó ' Khi được xử lý, nó sẽ không nhận được khi nó bước vào giai đoạn quy trình khi một giai đoạn khác thoát khỏi giai đoạn quy trình. Do đó, bạn cần thêm mạch để chuyển tiếp kết quả này vào hướng dẫn bước vào giai đoạn quy trình. Thay thế là đình trệ các đường ống làm giảm hiệu suất.

Mỗi giai đoạn đường ống, và đặc biệt là phần quy trình, có thể được chia thành nhiều bước hơn. Kết quả là, cuối cùng bạn tạo ra một lượng lớn mạch điện để xử lý tất cả các phụ thuộc lẫn nhau (mối nguy hiểm) trong đường ống.

Các mạch khác cũng có thể được tăng cường. Một trình bổ sung kỹ thuật số tầm thường được gọi là trình bổ sung "ripple carry" là trình bổ sung dễ nhất, nhỏ nhất nhưng chậm nhất. Trình bổ sung nhanh nhất là một trình bổ sung "mang theo hướng nhìn về phía trước" và có một số lượng cực lớn theo cấp số nhân. Trong khóa học kỹ thuật máy tính của tôi, tôi đã hết bộ nhớ trong trình giả lập trình bổ sung nhìn phía trước 32 bit, vì vậy tôi đã cắt nó thành một nửa, 2 bộ cộng CLA 16 bit trong cấu hình Ripple-carry. (Cộng và trừ rất khó cho máy tính, nhân dễ, chia rất khó)

Một tác động phụ của tất cả điều này là khi chúng ta thu nhỏ kích thước của bóng bán dẫn và chia nhỏ các giai đoạn, tần số xung nhịp có thể tăng lên. Điều này cho phép bộ xử lý làm nhiều công việc hơn để nó chạy nóng hơn. Ngoài ra, khi sự chậm trễ tăng tần số lan truyền trở nên rõ ràng hơn (thời gian cần thiết để giai đoạn đường ống hoàn thành và để tín hiệu có sẵn ở phía bên kia) Do trở kháng, tốc độ lan truyền hiệu quả là khoảng 1 ft mỗi nano giây (1 Ghz). Khi tốc độ đồng hồ của bạn tăng lên, bố trí chip ngày càng trở nên quan trọng vì chip 4 Ghz có kích thước tối đa 3 inch. Vì vậy, bây giờ bạn phải bắt đầu bao gồm các xe buýt và mạch bổ sung để quản lý tất cả dữ liệu di chuyển xung quanh chip.

Chúng tôi cũng thêm hướng dẫn vào chip mọi lúc. SIMD (Hướng dẫn nhiều dữ liệu), tiết kiệm năng lượng, v.v ... tất cả đều yêu cầu mạch điện.

Cuối cùng, chúng tôi thêm nhiều tính năng hơn cho chip. Vào thời xưa, CPU và ALU của bạn (Đơn vị logic số học) là riêng biệt. Chúng tôi kết hợp chúng. FPU (đơn vị dấu phẩy động) là riêng biệt, cũng được kết hợp. Ngày nay, chúng tôi thêm USB 3.0, Tăng tốc video, giải mã MPEG, v.v ... Chúng tôi chuyển ngày càng nhiều tính toán từ phần mềm sang phần cứng.


1

Majenko có một câu trả lời tuyệt vời về cách sử dụng bóng bán dẫn. Vì vậy, hãy để tôi thay vì đi từ một vector tiếp cận khác và đối phó với hiệu quả.

Có hiệu quả khi sử dụng ít bóng bán dẫn nhất có thể khi thiết kế một cái gì đó không?

Điều này về cơ bản nắm rõ hiệu quả mà bạn đang nói về. Có lẽ bạn là thành viên của một tôn giáo duy trì việc sử dụng càng ít bóng bán dẫn càng tốt - trong trường hợp đó, câu trả lời được đưa ra khá nhiều. Hoặc có lẽ bạn là một công ty xây dựng một sản phẩm. Đột nhiên, một câu hỏi đơn giản về hiệu quả trở thành một câu hỏi rất phức tạp về tỷ lệ chi phí - lợi ích.

Và ở đây có kicker - bóng bán dẫn trong các mạch tích hợp cực kỳ rẻ và chúng ngày càng rẻ hơn theo thời gian (SSD là một ví dụ tuyệt vời về cách giảm chi phí của bóng bán dẫn). Lao động, mặt khác, là vô cùng tốn kém.

Trong thời điểm các IC chỉ mới bắt đầu, đã có một sự thúc đẩy nhất định để giữ cho số lượng linh kiện cần thiết càng thấp càng tốt. Điều này đơn giản là vì chúng có tác động đáng kể đến giá thành của sản phẩm cuối cùng (trên thực tế, chúng thường là phần lớn chi phí của sản phẩm) và khi bạn xây dựng một sản phẩm hoàn thiện, "đóng hộp", chi phí nhân công là trải ra trên tất cả các mảnh bạn làm. Các máy tính đầu tiên dựa trên IC (nghĩ rằng các video video) được điều khiển với chi phí mỗi mảnh nhỏ nhất có thể. Tuy nhiên, chi phí cố định (trái ngược với chi phí trên mỗi mảnh) bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi số tiền bạn có thể bán. Nếu bạn chỉ bán một cặp vợ chồng, có lẽ không đáng để dành quá nhiều thời gian cho việc giảm chi phí mỗi mảnh. Nếu bạn đang cố gắng xây dựng cả một thị trường khổng lồ, mặt khác,

Lưu ý một phần quan trọng - chỉ có ý nghĩa khi đầu tư nhiều thời gian vào việc cải thiện "hiệu quả" khi bạn đang thiết kế một thứ gì đó để sản xuất hàng loạt. Về cơ bản, đây là "ngành công nghiệp" - với các nghệ nhân, chi phí lao động lành nghề thường là chi phí chính của sản phẩm hoàn chỉnh, trong một nhà máy, phần lớn chi phí đến từ nguyên liệu và (tương đối) lao động không có kỹ năng.

Hãy nhanh chóng tiến tới cuộc cách mạng PC. Khi máy tính kiểu IBM xuất hiện, chúng rất ngu ngốc. Vô cùng ngu ngốc. Chúng là những máy tính có mục đích chung. Đối với hầu hết mọi nhiệm vụ bạn có thể thiết kế một thiết bị có thể thực hiện nó tốt hơn, nhanh hơn, rẻ hơn. Nói cách khác, trong quan điểm hiệu quả đơn giản, chúng rất kém hiệu quả. Máy tính rẻ hơn nhiều, vừa vặn trong túi của bạn và chạy trong một thời gian dài của pin. Máy chơi game video có phần cứng đặc biệt để giúp chúng rất giỏi trong việc tạo trò chơi. Vấn đề là, họ không thể làm gì khác. PC có thể làm mọi thứ - nó có tỷ lệ giá / đầu ra tồi tệ hơn nhiều, nhưng bạn không được sử dụng máy tính hay máy chơi trò chơi 2D sprite. Tại sao Wolfenstein và Doom (và trên Apple PC, Marathon) xuất hiện trên máy tính có mục đích chung chứ không phải trên máy chơi game? Bởi vì các máy chơi game rất giỏi trong việc làm các trò chơi dựa trên sprite 2D (hãy tưởng tượng ra trò chơi JRPG điển hình hoặc các trò chơi như Contra), nhưng khi bạn muốn đi lạc khỏi phần cứng hiệu quả, bạn phát hiện ra rằng không có đủ sức mạnh xử lý để làm bất cứ điều gì khác!

Vì vậy, cách tiếp cận rõ ràng kém hiệu quả hơn cung cấp cho bạn một số tùy chọn rất thú vị:

  • Nó cho bạn nhiều tự do hơn. Tương phản các máy chơi game 2D cũ với các máy tính IBM cũ và các bộ tăng tốc đồ họa 3D cũ cho các GPU hiện đại, chúng đang dần trở thành máy tính có mục đích chung khá nhiều.
  • Nó cho phép tăng hiệu quả sản xuất hàng loạt mặc dù các sản phẩm cuối cùng (phần mềm) là "nghệ nhân" theo một số cách. Vì vậy, các công ty như Intel có thể giảm chi phí cho đơn vị công việc hiệu quả hơn nhiều so với tất cả các nhà phát triển cá nhân trên toàn thế giới.
  • Nó cung cấp nhiều không gian hơn cho sự trừu tượng hơn trong quá trình phát triển, do đó cho phép tái sử dụng tốt hơn các giải pháp sẵn sàng, từ đó cho phép chi phí phát triển và thử nghiệm thấp hơn, cho đầu ra tốt hơn. Về cơ bản, đây là lý do tại sao mọi nam sinh đều có thể viết một ứng dụng dựa trên GUI đầy đủ với truy cập cơ sở dữ liệu và kết nối internet và tất cả những thứ khác sẽ cực kỳ khó phát triển nếu bạn phải luôn bắt đầu từ đầu.
  • Trong PC, điều này được sử dụng có nghĩa là các ứng dụng của bạn về cơ bản đã nhanh hơn theo thời gian mà không cần đầu vào của bạn. Thời gian ăn trưa miễn phí hầu hết đã kết thúc, vì ngày càng khó khăn hơn để cải thiện tốc độ thô của máy tính, nhưng nó đã định hình phần lớn thời gian sống của PC.

Tất cả điều này xảy ra với một sự "lãng phí" các bóng bán dẫn, nhưng nó không phải là chất thải thực sự, bởi vì tổng chi phí thực tế thấp hơn so với nếu bạn cố gắng đơn giản là "càng ít bóng bán dẫn càng tốt".


1

Một khía cạnh khác của câu chuyện "rất nhiều bóng bán dẫn" là những bóng bán dẫn này không được thiết kế riêng bởi một con người. Một lõi CPU hiện đại có khoảng 0,1 tỷ bóng bán dẫn và không có con người nào thiết kế trực tiếp từng bóng bán dẫn đó. Nó sẽ không thể. Vòng đời 75 năm chỉ là 2,3 tỷ giây.

Vì vậy, để làm cho các thiết kế khổng lồ như vậy trở nên khả thi, con người tham gia vào việc xác định chức năng của thiết bị ở mức độ trừu tượng cao hơn nhiều so với các bóng bán dẫn riêng lẻ. Việc chuyển đổi thành các bóng bán dẫn riêng lẻ được gọi là tổng hợp mạch, và được thực hiện bằng các công cụ độc quyền, rất tốn kém, có giá chung để đặt hàng tỷ đô la để phát triển trong nhiều năm qua, tổng hợp giữa các nhà sản xuất CPU và xưởng đúc chính.

Các công cụ tổng hợp mạch không tạo ra các thiết kế có số lượng bóng bán dẫn ít nhất có thể. Điều này được thực hiện vì nhiều lý do.

Đầu tiên, chúng ta hãy trình bày trường hợp cơ bản nhất: bất kỳ mạch phức tạp nào cũng có thể được mô phỏng bởi một CPU đơn giản hơn, có lẽ là nối tiếp, với bộ nhớ đủ. Bạn chắc chắn có thể mô phỏng chip i7, với độ chính xác hoàn hảo, nếu chỉ cần bạn kết nối đủ RAM nối tiếp với Arduino. Một giải pháp như vậy sẽ có ít bóng bán dẫn hơn nhiều so với CPU thực và sẽ chạy chậm một cách chậm chạp, với tốc độ xung nhịp hiệu quả là 1kHz hoặc ít hơn. Chúng tôi rõ ràng không có ý định giảm số lượng bóng bán dẫn để đi xa đến vậy .

Vì vậy, chúng ta phải giới hạn bản thân trong một lớp biến đổi từ thiết kế sang bóng bán dẫn nhất định: những biến đổi duy trì công suất song song được xây dựng trong thiết kế ban đầu.

Ngay cả khi đó, việc tối ưu hóa cho số lượng bóng bán dẫn tối thiểu có thể sẽ tạo ra các thiết kế không thể sản xuất được bằng cách sử dụng bất kỳ quy trình bán dẫn hiện có nào. Tại sao? Bởi vì các chip mà bạn thực sự có thể tạo ra là các cấu trúc 2D và yêu cầu một số dự phòng mạch đơn giản để bạn có thể kết nối các bóng bán dẫn đó mà không cần một kg kim loại để làm như vậy. Quạt vào và quạt ra khỏi bóng bán dẫn, và cổng kết quả, không thành vấn đề.

Cuối cùng, các công cụ không hoàn hảo về mặt lý thuyết: nó thường đòi hỏi quá nhiều thời gian và bộ nhớ CPU để tạo ra các giải pháp tối thiểu toàn cầu về số lượng bóng bán dẫn, do một ràng buộc của chip có thể sản xuất được.


0

Tôi nghĩ những gì OP cần biết là một 'công tắc đơn giản' thường cần một vài bóng bán dẫn? Tại sao? Vâng, vì nhiều lý do. Đôi khi các bóng bán dẫn bổ sung là cần thiết để mức sử dụng năng lượng thấp ở trạng thái 'bật' hoặc 'tắt'. Đôi khi các bóng bán dẫn là cần thiết để đối phó với sự không chắc chắn trong đầu vào điện áp hoặc thông số kỹ thuật thành phần. Rất nhiều lý do. Nhưng tôi đánh giá cao điểm. Nhìn vào sơ đồ mạch cho một OP-AMP và bạn thấy vài chục bóng bán dẫn! Nhưng họ sẽ không ở đó nếu họ không phục vụ mục đích nào đó cho mạch.


0

Về cơ bản tất cả các máy tính hiểu là 0 và 1 .. được quyết định bởi các công tắc này .. Có, các chức năng của bóng bán dẫn nhiều hơn các công tắc. Vì vậy, nếu một công tắc có thể quyết định xem đầu ra phải là 0 hay 1 (giả sử rằng là một thao tác bi đơn), số bit càng nhiều. càng nhiều bóng bán dẫn .. vì vậy không có gì lạ tại sao chúng ta phải nhúng hàng triệu bóng bán dẫn vào một bộ vi xử lý duy nhất .. :)


0

Trong thời đại công nghệ, chúng ta cần các thiết bị thông minh (nhỏ, nhanh và hiệu quả). Các thiết bị này được tạo thành từ các mạch tích hợp (IC) có chứa không. của bóng bán dẫn. Chúng ta cần ngày càng nhiều bóng bán dẫn để làm cho IC thông minh hơn và nhanh hơn bởi vì trong điện tử, mỗi mạch trong một IC được tạo từ một bộ cộng, máy kéo phụ, bộ nhân, bộ chia, cổng logic, thanh ghi, bộ ghép kênh, flip flop, bộ đếm, bộ chuyển đổi, bộ nhớ và bộ vi xử lý, vv để thực hiện bất kỳ logic nào trong các thiết bị và chúng chỉ được tạo thành từ các bóng bán dẫn (MOSFET). Với sự trợ giúp của bóng bán dẫn, chúng ta có thể thực hiện bất kỳ logic nào. Vì vậy, chúng ta cần ngày càng nhiều bóng bán dẫn .....

nhập mô tả hình ảnh ở đây

Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.