chức năng của một bóng bán dẫn trong một bộ vi xử lý là gì?

Tôi không có kiến ​​thức chuyên sâu về kỹ thuật điện, nhưng tôi muốn hiểu mục đích của bóng bán dẫn trong bộ vi xử lý . Thông thường có một số thảo luận về định luật Moore và các bóng bán dẫn bằng cách nào đó làm tăng tốc độ tính toán, nhưng đối với tôi không rõ chính xác cách thức các bóng bán dẫn này được sử dụng. Tôi nghĩ rằng nó có một cái gì đó để làm với đường ống. Ví dụ, khi CPU đọc một số lệnh từ bộ nhớ, các thao tác cần thiết cho lệnh đó được thực hiện với bóng bán dẫn như thế nào?

Sẽ rất khó để thiết kế một bộ vi điều khiển hiện đại từ cấp độ bóng bán dẫn. Các bóng bán dẫn được sử dụng để làm cổng logic , như các khối xây dựng cấp thấp nhất. Cổng đơn giản nhất là cổng NOT, đảo ngược mức đầu vào: logic 0 trở thành 1 và ngược lại. Cổng NOT được xây dựng với 2 bóng bán dẫn:

Transitor trên cùng tiến hành nếu đầu vào của nó (chấm nhỏ) thấp, bóng bán dẫn phía dưới (không có chấm) nếu đầu vào của nó cao. Vì vậy, nếu bạn áp dụng một đầu vào cao, bóng bán dẫn phía dưới tiến hành, hoạt động như một công tắc và chuyển Q đầu ra thành Vss (đó là - - hoặc mức thấp. Chúng tôi đã đảo ngược đầu vào. Các cổng khác được dựa trên đó. Lấy cổng NAND chẳng hạn. Nó có hai hoặc nhiều đầu vào và đầu ra thấp nếu tất cả các đầu vào cao. Trong tất cả các trường hợp khác, đầu vào là cao.

Đây là một cổng NAND 2 đầu vào, bạn vẫn có thể thấy một số biến tần trong đó. Nếu cả hai đầu vào đều cao, các bóng bán dẫn phía dưới đều dẫn điện và đầu ra được làm thấp thông qua kết nối với Vss. Nếu một trong hai đầu vào thấp, ít nhất một trong số các bóng bán dẫn hàng đầu sẽ dẫn và đầu ra sẽ được làm cao thông qua kết nối của nó với Vdd (đó là +) của bạn. Chúng tôi đã có một cổng NAND làm việc. Và cứ thế tiếp tục, chúng ta có thể xây dựng một cổng XOR bằng 4 cổng NAND và logic phức tạp khác được xây dựng từ sự kết hợp của các khối xây dựng. Bạn cần một khối xây dựng để tạo chức năng đăng ký: một phần có thể giữ trạng thái của nó, giống như một bộ nhớ.

Nếu một lệnh muốn đọc từ RAM, trước tiên, bộ giải mã lệnh. Thông qua sự kết hợp của các cổng, nó nhận được một số tín hiệu cần thiết để thực hiện lệnh. Một trong số đó sẽ là chuyển địa chỉ RAM để đọc lên bus địa chỉ. (Các doanh nghiệp là kênh tín hiệu, một bus địa chỉ cho bộ điều khiển 8 bit có thể có 16 dây song song. Các doanh nghiệp là một cách để sắp xếp mọi thứ. Nếu không có chúng, thiết kế của bộ điều khiển sẽ trở nên rất kém hiệu quả.) Một tín hiệu khác sẽ kích hoạt RD dòng (cho "đọc"), báo hiệu cho RAM rằng nó sẽ đặt dữ liệu trên cơ sở dữ liệu. Một tín hiệu khác sẽ chốt dữ liệu đó trong một thanh ghi.

Một điều quan trọng là thời gian. Bạn không thể chốt dữ liệu nếu bạn chưa cho RAM thời gian để đặt nó lên xe buýt. Tất cả được thực hiện bởi cùng một logic, từ các khối xây dựng lần lượt được xây dựng từ các bóng bán dẫn.

"bóng bán dẫn bằng cách nào đó làm tăng tốc độ tính toán"

Không có gì khác ngoài bóng bán dẫn và các kết nối của chúng. Các bóng bán dẫn tự chúng sẽ không tăng tốc độ. Tuy nhiên, sự thật là những cải tiến công nghệ cho phép các bóng bán dẫn nhanh hơn và các bóng bán dẫn nhanh hơn có nghĩa là tính toán nhanh hơn. Một số cải tiến này là các bước công nghệ độc đáo, bạn chỉ có thể thực hiện một lần. Nhưng nhân rộng là một yếu tố khác và họ đã lặp lại rằng kể từ khi các IC đầu tiên được thiết kế. 40 năm trước, một IC thường có 5 đến 8$\mu$kích thước tính năng m. Ngày nay chúng ta có thể sản xuất kích thước tính năng xuống tới 22nm. (DNA có đường kính 15nm.) Với kích thước tính năng nhỏ hơn, các tính chất vật lý của bóng bán dẫn thay đổi cho phép nó chuyển đổi nhanh hơn. Moore đã thấy điều này tiếp tục mở rộng một xu hướng, được gọi là Định luật Moore. Điều này không thể tiếp tục mãi mãi mà không phải nhảy vọt trong công nghệ đã sử dụng. Vào những năm 80, người ta đã lo sợ rằng công nghệ được sử dụng sau đó sẽ có giới hạn ở khoảng 200nm đến 300nm, bởi vì quá trình in thạch bản có thể không hoạt động ở bước sóng dưới ánh sáng khả kiến. Nhưng in thạch bản vẫn là công nghệ được sử dụng bởi các bước ngày nay.

Không viết lại cuốn sách về logic kỹ thuật số và Tổ chức và thiết kế máy tính , một bóng bán dẫn thực hiện chức năng của một công tắc trong bối cảnh của bộ vi xử lý. Chúng được sử dụng để tạo "mạch chuyển mạch" thông thường (ví dụ: cổng logic CMOS ). Định luật Moore là về số lượng bóng bán dẫn bạn có thể lắp trên một diện tích bề mặt nhất định (nghĩa là mật độ bóng bán dẫn), và do đó, sự phức tạp của logic mà bạn có thể thực hiện trong phần cứng (và như một năng suất có thể đạt được trong sản xuất).

Do các bộ vi xử lý đang dành phần lớn thời gian để chờ các hoạt động của bộ nhớ (tải và lưu trữ) được hoàn thành, rất nhiều các bóng bán dẫn này được dành riêng cho các bộ nhớ tốc độ cao trên chip gọi là bộ nhớ cache giúp giảm tần số của các hoạt động bộ nhớ này thực sự phải để lại chip. Các bóng bán dẫn nhỏ hơn có nghĩa là bạn có thể giữ một tập hợp con RAM lớn hơn cho CPU tại bất kỳ thời điểm nào. Nhiều bóng bán dẫn cũng đang được sử dụng để thực hiện các mạch dự đoán ưa thích, như bộ dự báo nhánh và bộ dự báo giá trị tải .

Các công cụ dự đoán chi nhánh và các đơn vị Thực hiện ngoài trật tự có mặt để giúp giữ cho đường ống đầy đủ bằng cách đoán xem hướng dẫn chi nhánh sẽ đi theo phương pháp phỏng đoán liên quan đến bộ đếm chương trình và lịch sử gần đây của kết quả phân nhánh (được thực hiện hay không).

Tải các công cụ dự đoán giá trị ở đó để tránh đi vào bộ nhớ để tìm nạp một giá trị (ví dụ: giả sử một "bước tiến" nhất định hoặc phỏng đoán khác về dữ liệu sẽ ở một địa chỉ nhất định dựa trên các giá trị trước đó được xem tại địa chỉ đó).

Cùng với các mạch logic dự đoán này có tất cả các mạch logic được yêu cầu để hoàn tác và sửa kết quả tính toán khi các dự đoán hóa ra đã sai.

Tóm lại, tất cả các bóng bán dẫn bổ sung này đang được sử dụng để:

1. Tránh hướng dẫn phải rời khỏi chip (tức là vào RAM) để hoàn thành và
2. Giữ đường ống đầy hoặc tránh đi RAM bằng cách dự đoán kết quả phụ thuộc

Một điều cuối cùng là chúng có thể được sử dụng để làm cho đường dẫn dữ liệu của bạn rộng hơn (tức là bộ xử lý 64 bit thay vì bộ xử lý 32 bit).

Câu trả lời cho câu hỏi của bạn bao gồm khoảng 3 khóa học đại học đầy đủ. Có thể nhiều hơn.

Trong bộ xử lý CMOS hiện đại, các bóng bán dẫn được sử dụng để thực hiện các hoạt động logic Boolean khác nhau, lưu trữ các số 0 và số 0 và khuếch đại tín hiệu để chúng có thể được gửi xuống dây, ví dụ như tất cả các hoạt động cơ bản của logic kỹ thuật số. Tất cả các đơn vị chức năng, bao gồm bộ giải mã lệnh, bên trong bộ xử lý chỉ là những cỗ máy trạng thái lớn, đôi khi rất phức tạp được chế tạo bằng bóng bán dẫn.

Định luật Moore đã tạo ra một lộ trình công nghệ công nghiệp, trong đó các công ty bán dẫn, để duy trì tính cạnh tranh, tiếp tục đặt ngày càng nhiều bóng bán dẫn ngày càng gần nhau hơn trên một con chip, điều này có xu hướng làm cho bộ vi xử lý mạnh hơn và nhanh hơn mỗi thế hệ sản phẩm mới.