CPU được thiết kế như thế nào?


21

Tôi đã bắt đầu chơi với thiết bị điện tử một thời gian trước đây và tạo ra các cổng logic đơn giản bằng cách sử dụng bóng bán dẫn. Tôi biết các mạch tích hợp hiện đại sử dụng CMOS thay vì logic bóng bán dẫn. Điều tôi không thể không tự hỏi là CPU được thiết kế như thế nào.

Là thiết kế vẫn được thực hiện ở cấp độ cổng logic (phụ), hoặc không còn nhiều đổi mới trong lĩnh vực đó nữa và chúng ta đã chuyển sang mức độ trừu tượng cao hơn chưa? Tôi hiểu ALU được chế tạo như thế nào, nhưng CPU còn nhiều hơn thế.

Các thiết kế cho hàng tỷ bóng bán dẫn đến từ đâu? Chúng chủ yếu được tạo tự động bởi phần mềm hay vẫn còn nhiều tối ưu hóa thủ công?


2
Tôi muốn nói Verilog hoặc VHDL.
avakar

3
Mặc dù các chủ đề này rất hấp dẫn, chúng tôi dường như còn cách xa "những câu hỏi thực tế, có thể trả lời dựa trên những vấn đề thực tế mà bạn gặp phải" . Ngoài ra tôi có thể tưởng tượng toàn bộ cuốn sách trả lời câu hỏi này.
Martin

1
@Overv, vẫn còn rất nhiều công việc mà bạn đảm bảo các khối cơ sở mà bạn đang cắm với nhau được tối ưu hóa ở cấp độ cổng, sau đó bạn chỉ cần cắm các khối được tối ưu hóa đó theo cách tối ưu!
Kortuk

13
Tôi đã bỏ phiếu để mở lại - trong khi tôi đồng ý rằng một câu trả lời hoàn chỉnh cho biết "mọi thứ bạn cần biết để xây dựng toàn bộ CPU từ đầu" không phù hợp với trang web này, tôi nghĩ rằng một tổng quan ngắn gọn và một vài liên kết sẽ là một câu trả lời tốt ở đây
davidcary

1
Tôi ngạc nhiên khi chúng tôi không có bất kỳ ai làm việc trong ngành công nghiệp bán dẫn có thể nhận xét về thiết kế ASIC phức tạp hơn ở đây. Vì tôi không phải là chuyên gia, đây chỉ là một số điều tôi đã nghe: Có rất nhiều giấy phép trong lõi IP và lĩnh vực mà tất cả được đặt cùng nhau được gọi là VLSI. Tôi tin rằng thiết kế được thực hiện trong VHDL / Verilog với các công cụ tổng hợp được tối ưu hóa cao - làm thế nào điều này giảm xuống mức wafer và được sản xuất là ngoài tầm hiểu biết của tôi.
Jon L

Câu trả lời:


10

Rất có khả năng CPU và SoC được sử dụng bởi các ngôn ngữ mô tả phần cứng như Verilog và VHDL (hai người chơi chính).

Những ngôn ngữ này cho phép mức độ trừu tượng khác nhau. Trong VHDL, bạn có thể định nghĩa các khối logic là các thực thể; Nó chứa các cổng đầu vào và đầu ra. Trong khối bạn có thể xác định logic cần thiết. Giả sử bạn xác định một khối có đầu vào A, đầu vào B và đầu ra C. Bạn có thể dễ dàng viết C = A và B;, và về cơ bản bạn đã tạo một khối cổng AND. Đây có thể là khối đơn giản nhất bạn có thể tưởng tượng.

Các hệ thống kỹ thuật số thường được thiết kế với hệ thống phân cấp mạnh mẽ. Người ta có thể bắt đầu 'cấp cao nhất' với các chức năng chính mà CPU yêu cầu: bộ nhớ Proccesor (nhiều?), PCI-express và các bus khác. Trong phạm vi mức này, tín hiệu liên lạc giữa bộ nhớ và procesor có thể đã được xác định.

Khi bạn bước xuống một cấp, nó sẽ xác định các hoạt động bên trong của việc tạo ra một cái gì đó 'hoạt động'. Lấy một ví dụ về vi điều khiển, nó có thể chứa giao diện UART. Logic thực tế cần thiết để tạo UART chức năng được xác định một cấp dưới đây. Ở đây, nhiều logic khác có thể được yêu cầu để tạo và phân chia đồng hồ, dữ liệu bộ đệm (bộ đệm FIFO) cần thiết, báo cáo dữ liệu cho CPU (một số loại bus hệ thống).

Điều thú vị của VHDL và thiết kế kỹ thuật số là việc tái sử dụng các khối. Ví dụ, bạn có thể sao chép và dán khối UART ở cấp cao nhất của mình để tạo 2 UART (tốt, có thể không dễ dàng, chỉ khi khối UART có khả năng xử lý địa chỉ!).

Thiết kế này không phải là bất kỳ loại thiết kế cấp cổng. VHDL cũng có thể được "biên dịch" theo cách cuối cùng nó được dịch sang các cổng logic. Một cỗ máy có thể tối ưu hóa điều này tốt hơn nhiều so với con người có thể (và cũng nhanh hơn). Ví dụ; phần bên trong của khối A yêu cầu một bộ biến tần trước khi xuất tín hiệu. Khối B nhận tín hiệu đầu ra này và đảo ngược nó một lần nữa. Chà, 2 bộ biến tần trong loạt không làm được gì nhiều phải không? Chính xác, vì vậy bạn cũng có thể bỏ chúng ra. Tuy nhiên, trong thiết kế 'cấp cao nhất', bạn sẽ không thể phát hiện ra hai bộ biến tần nối tiếp .. bạn chỉ thấy hai cổng được kết nối. Một trình biên dịch có thể tối ưu hóa điều này nhanh hơn nhiều so với con người.

Về cơ bản những gì thiết kế hệ thống kỹ thuật số chứa là mô tả cách logic 'hành xử' và máy tính được sử dụng để tìm ra cách hiệu quả nhất là bố trí các cổng logic riêng lẻ.


Giống như vẫn còn một nơi để lắp ráp mã trong phần mềm, thiết kế phần cứng cấp thấp hơn có thể có hiệu quả về chi phí trong một số trường hợp. Ví dụ, các ô SRAM thường được sử dụng phổ biến đến mức các thiết kế được tối ưu hóa cao được phát triển để tối ưu hóa mật độ (bộ đệm cấp độ cuối), độ trễ truy cập (bộ đệm L1) hoặc các đặc điểm khác, đặc biệt là tại một nhà sản xuất thiết kế tích hợp như Intel.
Paul A. Clayton

@Paul câu hỏi hấp dẫn đặt ra cho tôi là Intel đầu tư bao nhiêu vào việc tối ưu hóa thiết kế của họ so với việc tối ưu hóa phần mềm bằng văn bản để đạt được những cải tiến hiệu suất tương tự một cách linh hoạt và nói chung.
Ponkadoodle

6

Hãy để tôi đơn giản hóa và mở rộng các bình luận trước đây của tôi và kết nối các dấu chấm cho những người dường như cần nó.

Thiết kế vẫn được thực hiện ở mức cổng logic (phụ)?

  • VÂNG

Thiết kế được thực hiện ở nhiều cấp độ, cấp độ logic phụ luôn khác nhau . Mỗi lần thu nhỏ chế tạo đòi hỏi kinh nghiệm về vật lý, hóa học và quy trình in thạch bản rực rỡ nhất khi cấu trúc của bóng bán dẫn thay đổi và hình học cũng thay đổi để bù đắp cho sự đánh đổi, khi nó thu nhỏ xuống mức nguyên tử và giảm ~ tỷ tỷ mỗi lần nhị phân bước xuống kích thước. Để đạt được hình học 14nm là một công việc khổng lồ trong R & D, kiểm soát và quản lý quy trình và đó vẫn là một cách đánh giá thấp!nhập mô tả hình ảnh ở đây

Ví dụ, các kỹ năng công việc cần thiết để làm điều này bao gồm; - "Bố cục tùy chỉnh cấp độ FET, ô và khối, sơ đồ tầng FUB, tạo chế độ xem trừu tượng, trích xuất RC và xác minh và gỡ lỗi theo sơ đồ sử dụng các giai đoạn phát triển thiết kế vật lý bao gồm trích xuất ký sinh, thời gian tĩnh, tải dây mô hình, tạo đồng hồ, chỉnh sửa đa giác tùy chỉnh, thuật toán tự động và tuyến đường, quy hoạch sàn, lắp ráp chip đầy đủ, đóng gói và xác minh. "*

- không có nhiều đổi mới trong lĩnh vực đó nữa? - SAI - Có sự đổi mới đáng kể và được tài trợ rất nhiều trong Vật lý bán dẫn, được đánh giá bởi Định luật Moore và số bằng sáng chế, nó sẽ không bao giờ dừng lại. Tiết kiệm năng lượng, nhiệt và do đó tăng gấp bốn lần khả năng thanh toán mỗi lần.

- chúng ta đã chuyển sang một mức độ trừu tượng cao hơn chưa? - Nó không bao giờ ngừng di chuyển. - Với nhu cầu về nhiều lõi hơn, thực hiện nhiều hơn trong một lệnh như CPU ​​ARM RISC, RAM nhúng mạnh mẽ hơn hoặc MCU, RAM thông minh với DDR4 theo mặc định và các cung như flash với các bit ưu tiên để tải bộ nhớ khẩn cấp. - Sự phát triển CPU và thay đổi kiến ​​trúc sẽ không bao giờ dừng lại. nhập mô tả hình ảnh ở đây

Tôi sẽ cung cấp cho bạn một gợi ý. Thực hiện tìm kiếm việc làm tại Intel, AMD, TI hoặc AD cho Kỹ sư và xem mô tả công việc.

- Các thiết kế cho hàng tỷ bóng bán dẫn đến từ đâu? - Nó đến từ việc thêm nhiều khối phần cứng 64 bit. nhưng bây giờ thất bại trong ống nano, suy nghĩ phải thay đổi từ cách tiếp cận từ trên xuống của khối sang cách tiếp cận từ dưới lên của ống nano để làm cho nó hoạt động.

  • Có phải chúng chủ yếu được tạo ra bởi phần mềm? với lưỡi chắc chắn trồng trong má ...
  • Trên thực tế, họ vẫn đang trích xuất các thiết kế từ Area51 từ tàu vũ trụ và có cách để đi .... cho đến khi chúng tôi hoàn toàn tuân thủ ống nano-nano. Một kỹ sư đi vào thư viện và nói nVidia, chúng tôi muốn bạn tham gia cùng chúng tôi ở đây trên con chip này và trở thành một phần, đi vào một khối vĩ mô . Bố cục có thể được sao chép như Kiến trong Toystory nhưng kiểm soát rõ ràng tất cả các kết nối phải được định tuyến / kiểm tra thủ công cũng như sử dụng DRC và tự động định tuyến để so sánh. Có Công cụ tự động hóa liên tục được nâng cấp để loại bỏ sự trùng lặp và lãng phí thời gian.

    - vẫn còn rất nhiều tối ưu hóa thủ công?

  • Xem xét một hãng hàng không tiết kiệm đủ tiền để trả lương cho bạn bằng cách loại bỏ chỉ 1 quả ô liu khỏi bữa tối trong khoang hạng nhất, Intel sẽ xem xét các cách để loại bỏ càng nhiều nguyên tử càng tốt trong khung thời gian. Bất kỳ điện dung dư thừa có nghĩa là lãng phí nhiệt, hiệu suất và oops cũng nhiều tiếng ồn hơn, không quá nhanh ...

Nhưng thực sự CPU phát triển như Tokyo, không phải chỉ sau một đêm, mà là hàng chục triệu người hiện đang sống ở đó với sự cải thiện ổn định. Tôi đã không học cách thiết kế tại Univ. nhưng bằng cách đọc và cố gắng hiểu mọi thứ hoạt động như thế nào, tôi đã có thể tăng tốc trong ngành khá nhanh. Tôi đã có 10 năm kinh nghiệm trong 5 năm đầu tiên trong ngành hàng không vũ trụ, thiết kế công cụ hạt nhân, thiết kế SCADA, giám sát quy trình, thiết kế ăng-ten, thiết kế và gỡ lỗi trạm thời tiết tự động, VLF Rx của OCXO, điều khiển từ xa 2 tên lửa Black Brandt ... đó chỉ là công việc đầu tiên của tôi Tôi không biết mình có thể làm gì.

Đừng lo lắng về hàng tỷ bóng bán dẫn hoặc sợ phải học gì hoặc bạn cần biết bao nhiêu. Chỉ cần làm theo đam mê của bạn và đọc các tạp chí thương mại ở giữa giấc ngủ của bạn, sau đó bạn sẽ không trông quá xanh trong công việc và nó không còn cảm thấy như công việc nữa.

Tôi nhớ rằng phải thiết kế một Op Amp 741 "như" như một phần của bài kiểm tra một lần, trong 20 phút. Tôi chưa bao giờ thực sự sử dụng nó, nhưng tôi có thể nhận ra tốt từ các thiết kế tuyệt vời. Nhưng sau đó nó chỉ có 20 bóng bán dẫn.nhập mô tả hình ảnh ở đây

Nhưng làm thế nào để thiết kế CPU phải bắt đầu bằng Spec., Cụ thể là; Tại sao phải thiết kế CPU và tạo các điểm chuẩn có thể đo được để đạt được như; - Hướng dẫn macro mỗi giây (MIPS) (quan trọng hơn đồng hồ CPU), ví dụ; - Chip Itanium của Intel dựa trên cái mà họ gọi là thiết kế tính toán hướng dẫn song song (EPIC). - Thiết kế CPU được cấp bằng sáng chế của Transmeta với bộ vi xử lý biến đổi mã từ rất dài (VLIWCMM). Họ đã kiện Intel năm 2006, đóng cửa hàng và giải quyết ~ 200 triệu đô la vào năm 2007 - Hiệu suất trên mỗi watt (PPW), khi chi phí điện năng> chi phí chip (đối với máy chủ) - Điểm FLps mỗi giây (FLOPS) cho hiệu suất toán học.

Có nhiều số liệu khác, nhưng không bao giờ dựa trên chất lượng thiết kế của CPU dựa trên tốc độ GHz của nó (xem huyền thoại)

Vì vậy, những công cụ nào cần thiết để thiết kế CPU? Danh sách này sẽ không phù hợp trên trang này từ thiết kế vật lý cấp nguyên tử đến thiết kế EM / RF vật lý lưới động đến Kỹ sư kiểm tra xác minh thiết kế Front End, trong đó yêu cầu các kỹ năng; - Mô phỏng RTL mặt trước - kiến ​​thức về IA và kiến ​​trúc máy tính và thiết kế cấp hệ thống - Xác minh logic và mô phỏng logic bằng cách sử dụng VHDL hoặc Verilog. - Lập trình hướng đối tượng và các giao thức CPU, bus / interconnect, mạch lạc khác nhau.


6
"Verilog" và "VHDL" chỉ làm trầy xước bề mặt của tất cả những câu hỏi tìm kiếm ngây thơ nhưng đầy cảm hứng này. Thế giới thực tương tự nhiều hơn kỹ thuật số so với bạn nghĩ.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Bạn có giải thích về mạch Op Amp ở bất cứ đâu không. Tất cả những gì tôi có thể thấy là một OTA được mã hóa, phần còn lại là mạch Voodoo.
CyberMen

3
Ồ Quá tệ, nó hầu như không liên quan đến câu hỏi.
Dave Tweed

3
Tôi phải nói rằng đây là một bài đọc rất thú vị. Sự thay đổi dần dần từ nhà văn đang đùa giỡn với câu hỏi ban đầu để anh ta cố gắng thổi bay tâm trí của người đọc bằng những con số và vocab và sau đó cung cấp một số trợ giúp cho bản thân sau đó là một hồi ức về thời học sinh của anh ta chỉ với một chút kiêu ngạo và cuối cùng là di chuyển nói sáo rỗng "nó phức tạp đến mức tôi không bao giờ có thể tóm tắt ở đây". Tuyệt đẹp.
Ponkadoodle

Và mặc dù nhận xét đó của tôi có phần châm biếm, tôi hy vọng bạn sẽ xem nhẹ nó. Tôi thực sự thích đọc.
Ponkadoodle

2

Tổng quan về thiết kế CPU của AMD

Phiên bản của Intel

Không ai trong số này cung cấp nhiều chi tiết, nhưng thú vị không kém. Đừng chấp nhận điều này như một câu trả lời. Những người khác đã xem xét chi tiết câu hỏi của bạn và đã nỗ lực nhiều hơn trong nỗ lực trả lời chi tiết.


Tôi đã thấy trang TomsHardware trước đó. Tuy nhiên, nó giải thích cách thức các bộ xử lý được sản xuất , chứ không phải cách chúng được thiết kế
stevenvh
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.