Что такое транзистор в процессоре
Обновлено: 21.11.2024
Сегодня я прочитал, что Graphcore, производитель чипов искусственного интеллекта из Великобритании, представила новый компьютерный чип, который содержит 60 миллиардов транзисторов и почти 1500 процессорных блоков на одной кремниевой пластине. Этот «стартап» из Бристоля, основанный в 2016 году и сейчас оцениваемый в 2 млрд долларов, бросает вызов Nvidia с новым чипом, разработанным специально для работы с передовыми алгоритмами искусственного интеллекта.
Каким бы большим или маленьким ни был компьютерный чип в реальном физическом размере, 60 миллиардов транзисторов — это много. И это. Но что означает это ошеломляющее количество транзисторов на практике?
Прежде всего следует помнить, что, несмотря на экспоненциальный рост вычислительной мощности, базовая архитектура компьютерных микросхем, таких как центральные процессоры (ЦП), за последние 65 лет сильно не изменилась. Другими словами, форма, дизайн и реализация чипов со временем менялись, но принцип их работы остается почти неизменным. Это будет продолжаться до тех пор, пока мы не перейдем на новую архитектуру процессора, например, с помощью квантовых процессоров.
«Традиционный» процессор — это просто «электронная схема в компьютере, которая выполняет инструкции, составляющие компьютерную программу», а традиционные вычисления основаны на нулях и единицах. Транзисторы необходимы в процессорах, потому что они работают как переключатели. Чип может содержать сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых может включаться и выключаться по отдельности. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух разных состояниях, он может хранить два разных числа: ноль и единицу.
Основное правило заключается в том, что с большим количеством транзисторов процессор может выполнять все более сложные инструкции, чем раньше. Это, в свою очередь, дает несколько преимуществ, таких как более высокая скорость обработки и увеличенный объем памяти.
Многие знакомы с законом Мура, который часто можно услышать в его упрощенной версии, т. е. о том, что скорость процессора или общая вычислительная мощность компьютеров удваивается каждые два года. На самом деле закон Мура — это наблюдение, согласно которому количество транзисторов в плотной интегральной схеме (ИС или «чипе») удваивается примерно каждые два года. Вот что говорит об этом Википедия:
Наблюдение названо в честь Гордона Мура, соучредителя Fairchild Semiconductor, генерального директора и соучредителя Intel, который в 1965 году постулировал удвоение количества компонентов на интегральную схему каждый год и спрогнозировал это. темпы роста будут продолжаться, по крайней мере, еще одно десятилетие. В 1975 году, предвкушая следующее десятилетие, он пересмотрел прогноз, удваивая каждые два года, что составляет совокупный годовой темп роста (CAGR) 40%. Хотя Мур не использовал эмпирические данные при прогнозировании сохранения исторической тенденции, его прогноз оставался в силе с 1975 года и с тех пор стал известен как «закон».
Давайте посмотрим, как изменялось количество транзисторов в процессорах вплоть до 2019 года. Если в 1970-х годах в чипах было всего несколько тысяч транзисторов, то в 2006 году было достигнуто отметка в 1 миллиард, а сейчас их действительно 60 миллиардов. транзисторы в микросхему.
Полулогарифмический график количества транзисторов в микропроцессорах в зависимости от дат выпуска, который почти удваивается каждые два года. Изображение Макса Розера, лицензия CC BY-SA 4.0.
Кажется очевидным, что в какой-то момент мы столкнемся с физическими ограничениями, когда дело доходит до масштабирования транзисторов, несмотря на все наши усилия по созданию новых методов еще более плотной упаковки элементов на кремниевой пластине. На самом деле, разработчики процессоров еще 10 лет назад сообщали, что продвижение полупроводников в отрасли замедлилось ниже темпов, предсказываемых законом Мура. Брайан Кржанич, бывший генеральный директор Intel, также отметил, что «сегодня наш ритм ближе к двум с половиной годам, чем к двум».
Второе поколение микросхем искусственного интеллекта разработано специально для работы с очень большими моделями машинного обучения, которые используются для прорывов в обработке изображений, обработке естественного языка и других областях. Например, новейшая языковая модель OpenAI, разработанная в Сан-Франциско исследовательской компанией искусственного интеллекта под названием GPT-3, использует 175 миллиардов различных переменных.
Graphcore также заявила, что в тестовых тестах ее новые чипы работали до 16 раз быстрее, чем у Nvidia, чьи графические процессоры (GPU) широко используются в решениях для искусственного интеллекта и машинного обучения (ML). Графические процессоры отлично подходят для обучения моделей глубокого обучения, и значительный прогресс, достигнутый нами в области искусственного интеллекта и машинного обучения за последние 10 лет, стал возможен благодаря более дешевым и быстрым чипам от Nvidia и других компаний.
Будет интересно посмотреть, какую магию машинного обучения смогут делать люди с этими новыми чипами Graphcore. Также следует задаться вопросом, сколько времени потребуется, прежде чем мы сможем упаковать 120 миллиардов транзисторов в чип. Возможно, нам придется ждать дольше тех двух с половиной лет, о которых говорил Кржанич.
Транзистор – это основной электрический компонент, который изменяет поток электрического тока. Транзисторы являются строительными блоками интегральных схем, таких как компьютерные процессоры или центральные процессоры. Современные процессоры содержат миллионы отдельных транзисторов микроскопических размеров.
Большинство транзисторов имеют три точки подключения или клеммы, которые можно подключать к другим транзисторам или электрическим компонентам. Путем изменения тока между первой и второй клеммами изменяется ток между второй и третьей клеммами. Это позволяет транзистору действовать как переключатель, который может включать или выключать сигнал. Поскольку компьютеры работают в двоичном формате, а состояние транзистора «включено» или «выключено» может представлять собой 1 или 0, транзисторы подходят для выполнения математических вычислений. Ряд транзисторов также может использоваться в качестве логического элемента при выполнении логических операций.
Транзисторы в компьютерных процессорах часто включают или выключают сигналы. Однако транзисторы также могут изменять величину отправляемого тока. Например, аудиоусилитель может содержать ряд транзисторов, которые используются для увеличения потока сигнала. Увеличенный сигнал генерирует усиленный звуковой сигнал. Из-за своей низкой стоимости и высокой надежности транзисторы в основном заменили электронные лампы для усиления звука.
В то время как ранние транзисторы были достаточно большими, чтобы их можно было держать в руке, современные транзисторы настолько малы, что их невозможно увидеть невооруженным глазом. На самом деле транзисторы процессора, такие как те, что используются в процессоре Intel Ivy Bridge, разделены расстоянием в 22 нанометра. Учитывая, что один нанометр равен одной миллионной миллиметра, это довольно мало. Этот микроскопический размер позволяет производителям микросхем уместить сотни миллионов транзисторов в один процессор.
Хотите узнать больше технических терминов? Подпишитесь на ежедневный или еженедельный информационный бюллетень и получайте избранные термины и тесты на свой почтовый ящик.
Технический фактор
Подпишитесь на бесплатную рассылку новостей TechTerms
Спасибо
Мы только что отправили вам электронное письмо для подтверждения вашего адреса электронной почты. Как только вы подтвердите свой адрес, вы начнете получать информационный бюллетень.
Транзистор – это полупроводниковое устройство, которое переключает и усиливает электронные сигналы. Он имеет как минимум три клеммы, которые соединяют его с электронной схемой. Транзистор был изобретен в начале 1950-х годов и быстро заменил электронные лампы в электронных устройствах. Эти устройства в настоящее время являются важным компонентом почти всех электронных устройств, таких как центральный процессор (ЦП) компьютера. Транзистор ЦП обычно является частью интегральной схемы, хотя его также можно приобрести отдельно.
Центральный процессор (ЦП).
Выводы в транзисторе ЦП имеют определенные названия в зависимости от типа транзистора. Выводы простого биполярного транзистора называются коллектором, эмиттером и базой. Ток или напряжение, подаваемое на базу, влияет на ток, протекающий от коллектора к эмиттеру.
ЦП.
Напряжение на базе транзистора можно использовать для включения и выключения тока, протекающего от коллектора к эмиттеру. Этот тип транзистора является переключателем и является распространенным типом транзистора ЦП, называемым логическим вентилем. Переключатель обычно не пропускает через себя ток, если напряжение на базе не превышает минимального порога. Напряжение на базе контролируется другими компонентами цепи.
Транзистор процессора также может быть усилителем. Этот тип транзистора использует напряжение на базе для управления величиной тока, протекающего через усилитель. Это означает, что небольшое изменение напряжения на базе может вызвать большую разницу в напряжении между коллектором и эмиттером.
Транзисторы обеспечивают значительные преимущества перед электронными лампами в компьютерах. Транзистор ЦП намного меньше своего эквивалента на электронной лампе, что позволяет миниатюризировать компьютеры. Производство транзисторов можно автоматизировать в большей степени, чем производство электронных ламп, а это значит, что транзисторы дешевле электронных ламп.
Первый патент на транзистор был подан Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом в 1925 году, хотя на самом деле он не создавал такое устройство.Герберт Матаре открыл полупроводниковые эффекты, работая над доплеровской радиолокационной системой в 1942 году. Затем технологии развивались, и в 1947 году, работая в Bell Labs компании AT&T, Уолтер Браттейн и Джон Бардин обнаружили, что кристалл германия может усиливать электрический ток. Гордон Тил изготовил первый кремниевый транзистор для Texas Instruments в 1954 году, а процессорный транзистор, представляющий собой МОП-транзистор, был впервые изготовлен в Bell Labs в 1960 году.
Транзисторы центрального процессора являются важным компонентом компьютеров.
Транзисторы — это основные строительные блоки, которые регулируют работу компьютеров, мобильных телефонов и всех других современных электронных схем, а также являются основной единицей центрального процессора. Транзисторы можно упаковать отдельно или на небольшой площади. Интегральные схемы могут содержать 100 миллионов или более транзисторов.
Захват одного транзистора
Резюме
Транзистор в электронных компонентах – это полупроводниковое устройство, которое часто используется в усилителях или переключателях с электронным управлением. Транзисторы являются основными строительными блоками, которые регулируют работу компьютеров, мобильных телефонов и всех других современных электронных схем. В то же время транзистор является базовым элементом ЦП. Транзисторы можно упаковать отдельно или на небольшой площади. Интегральные схемы могут содержать 100 миллионов или более транзисторов. Центральный процессор в основном включает блок логических операций, блок управления и блок хранения. В этой статье подробно рассказывается, сколько транзисторов в процессоре и как он работает.
Каталог
I Введение в транзистор
Транзистор обычно относится ко всем отдельным компонентам на основе полупроводниковых материалов, включая диоды, триоды, полевые транзисторы, тиристоры и т. д. Иногда под транзисторами понимают триоды. Транзисторы в основном делятся на две категории: биполярные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET). Транзистор имеет три полюса; три полюса биполярного транзистора состоят из эмиттеров, баз и коллекторов N-типа и P-типа; три полюса полевого транзистора — исток, затвор и сток.
Транзисторы — это основные строительные блоки, регулирующие работу компьютеров, мобильных телефонов и всех других современных электронных схем. Благодаря быстрому отклику и высокой точности транзистор можно использовать для различных цифровых и аналоговых функций, включая усиление, переключение, регулирование напряжения, модуляцию сигнала и генератор. Транзисторы могут быть упакованы индивидуально или на очень небольшой площади.
В декабре 1947 года исследовательская группа в составе Шокли, Бадина и Брэттона из Bell Labs в США разработала германиевый транзистор с точечным контактом. Появление транзисторов является крупным изобретением 20-го века. После появления транзисторов люди могут использовать маленькое маломощное электронное устройство вместо громоздкой энергоемкой лампы. Изобретение транзистора послужило сигналом к рождению интегральных схем. В первые 10 лет 20 века в системах связи использовались полупроводниковые материалы. В первой половине 20 века широкое распространение среди радиолюбителей получило рудное радио, использующее руду в качестве полупроводникового материала для обнаружения. Электрические характеристики полупроводников также использовались в телефонных системах.
II Количество процессорных транзисторов в предыдущих поколениях
Закон Мура и плотность микропроцессоров Intel
(1) Февраль 1999 г.: Intel выпустила процессор Pentium III. Pentium III — это 1 × 1 квадратный кремний с 9,5 млн транзисторов, изготовленный с использованием 0,25 микронного техпроцесса Intel.
(2) В 2000 году Pentium 4 Willamette, производственный процесс 180 нм, количество транзисторов ЦП 42 миллиона.
Интел Пентиум 4
(3) Январь 2002 г.: Выпущен процессор Intel Pentium 4, и высокопроизводительные настольные компьютеры могут выполнять 2,2 миллиарда циклов в секунду.Он производится с использованием 0,13-микронного техпроцесса Intel и содержит 55 миллионов транзисторов.
(4) 12 марта 2003 г.: мобильная технологическая платформа Intel Centrino появилась на ноутбуках, включая новейший мобильный процессор Intel Pentium M. Процессор основан на новой оптимизированной для мобильных устройств микроархитектуре, созданной с использованием 0,13-микронного техпроцесса Intel. Он содержит 77 миллионов транзисторов.
(5) 26 мая 2005 г .: первый массовый двухъядерный процессор Intel, процессор Intel Pentium D с 229 999 999 транзисторами, использующий передовой 90-нм техпроцесс Intel.
(6) 27 июля 2006 г.: родился двухъядерный процессор Intel Core 2. Процессор содержит более 290 миллионов транзисторов, использует 65-нанометровый техпроцесс Intel. Он производится в нескольких самых передовых лабораториях мира.
(7) 8 января 2007 г.: Чтобы расширить продажи четырехъядерных ПК массовому покупателю, Intel выпустила четырехъядерный процессор Intel Core 2 и два других четырехъядерных серверных процессора для настольных компьютеров с вычислительной мощностью 65 нанометры. Четырехъядерный процессор Intel Core 2 содержит более 580 миллионов транзисторов.
Четырехъядерный процессор Intel Core 2
(8) Процессор Corei7 980X выпущен в 2010 году, техпроцесс – 32 нм, количество транзисторов – 11 699 999 999.
(9) Процессор Corei7 4960X, выпущенный в 2013 году, имеет техпроцесс 22 нм и количество транзисторов – 1,86 млрд.
III Почему процессоры с большим количеством транзисторов сильнее?
ЦП похож на большую фабрику по хранению коммутаторов. Каждый транзистор является переключателем, то есть 0 при выключении и 1 при включении. Чем больше транзисторов, тем больше переключателей. Когда вы решаете одну и ту же проблему, чем больше маршрутов вы выбираете, тем больше зацикленных линий.
Аналогичным образом, чем больше транзисторов в ЦП, тем больше ветвей протекает ток в единицу времени. С точки зрения макросов, чем больше данных вы можете обработать на ЦП, тем быстрее будет работать машина.
ЦП в основном включает блок логических операций, блок управления и блок хранения. В блоке логических операций и управления есть несколько регистров. Эти регистры используются для временного хранения данных в процессе обработки данных процессором.
Производство ЦП — это очень высокоточный процесс, который должен выполняться с помощью машин. Транзисторы, вырезанные из пластины, будут напечатаны на базе процессора с помощью машин. Каждая печатная база будет проверена для исключения бракованной продукции. А затем добавьте интерфейс оболочки, чтобы он стал нашим общим процессорным продуктом.
IV Как работает процессор?
Как мы все знаем, ЦП — это «сердце» компьютера и ядро всей микрокомпьютерной системы. Поэтому он часто является синонимом различных классов микрокомпьютеров, таких как 286, 386, 486, Pentium, PII, K6 до сегодняшних PIII, P4, K7 и так далее. Оглядываясь назад на историю развития ЦП, можно сказать, что технология производства ЦП была значительно улучшена. В основном это отражается на интеграции все большего количества электронных компонентов. С начала интеграции тысяч транзисторов до текущих миллионов и десятков миллионов транзисторов. Как они обрабатывают данные?
1. Исходная рабочая модель процессора
Прежде чем понять принцип работы процессора, давайте кратко поговорим о том, как производится процессор. Процессор изготовлен из чистого кремния. Микросхема процессора содержит миллионы хрупких транзисторов. Люди используют химические методы для травления или фототравления транзисторов на кремниевой пластине. Следовательно, ЦП состоит из транзисторов. Проще говоря, транзисторы — это миниатюрные электронные переключатели. Они являются краеугольным камнем построения процессора. Вы можете думать о транзисторе как о выключателе света. У них есть рабочий бит, который представляет два состояния: ON и OFF. Это включение и выключение эквивалентно включению и отключению транзистора. Эти два состояния соответствуют основным состояниям «0» и «1» в двоичном формате. Таким образом, компьютер имеет возможность обрабатывать информацию. Но не думайте, что принцип простых транзисторов с двумя состояниями «0» и «1» очень прост. На самом деле их разработки получены после долгих лет упорных исследований ученых. До транзисторов компьютеры полагались на медленные, неэффективные электронные лампы и механические переключатели для обработки информации. Позже ученые поместили два кристалла в кристалл кремния, так была создана первая интегральная схема.
Увидев это, вы, должно быть, задаетесь вопросом, как транзисторы используют два электронных сигнала "0" и "1" для выполнения инструкций и обработки данных? На самом деле все электронные устройства имеют свои схемы и переключатели. Поток или отключение электронов в цепи полностью контролируется переключателем.Если вы установите переключатель в положение OFF, поток электронов прекратится. Если вы установите его в положение ON, электроника будет продолжать работать. Включение и выключение транзистора управляется только электронными сигналами, поэтому мы можем назвать транзистор бинарным устройством. Таким образом, состояние включения транзистора представлено «1», а состояние «выключено» представлено «0», что может образовывать простейшее двоичное число. Особый порядок и структура нескольких «1» и «0», генерируемых многими транзисторами, могут представлять различные ситуации, которые определяются буквами, цифрами, цветами и графикой. Например, 1 в десятичном формате также соответствует «1» в двоичном режиме, 2 — «10» в двоичном режиме, 3 — «11», 4 — «100», 5 — «101», 6 — «110» и так далее, что составляет двоичный язык и данные, используемые в работе компьютера. Группы транзисторов можно объединять для хранения числовых значений, а также для выполнения логических и цифровых операций.
2. Внутренняя структура ЦП
транзисторы в процессоре
Теперь мы уже примерно знаем, за что отвечает ЦП, но какие компоненты отвечают за обработку данных и выполнение программ?
1) АЛУ (арифметико-логическое устройство)
АЛУ – это ядро арифметического устройства. Он основан на полном сумматоре, дополненном схемой, состоящей из регистра сдвига и соответствующей логики управления. Под действием управляющего сигнала он может выполнять четыре операции сложения, вычитания, умножения и деления и различные логические операции. Как только что упоминалось, это эквивалентно производственной линии на заводе, которая отвечает за расчет данных.
2) RS (набор или регистры регистров)
RS — это, по сути, место, где данные временно хранятся в ЦП. Он хранит данные, ожидающие обработки, или данные, которые были обработаны. Время доступа процессора к регистру меньше, чем время доступа к памяти. Использование регистров может уменьшить количество обращений ЦП к памяти, тем самым повысив скорость работы ЦП. Однако из-за ограничения площади чипа и интеграции емкость набора регистров не может быть большой. Набор регистров можно разделить на специальные регистры и общие регистры. Регистр общего назначения широко используется и может быть указан программистом. Количество регистров общего назначения зависит от микропроцессора.
3) Блок управления
Как и отдел логистики на заводе, блок управления является центром управления и контроля всего процессора. Блок управления состоит из трех компонентов: регистра команд IR, идентификатора декодера команд и контроллера операций OC. Чрезвычайно важно координировать упорядоченную работу всего компьютера. По заранее запрограммированной пользователем программе блок управления берет каждую инструкцию из регистра. В свою очередь, регистр помещает ее в регистр инструкций IR, определяет, какую операцию следует выполнить путем декодирования (анализа) инструкции, а затем управляет контроллером OC в соответствии с установленным временем, посылает сигналы управления микрооперациями в соответствующие части. Операционный контроллер OC в основном включает в себя логику управления, такую как генератор импульсов биений, управляющая матрица, генератор тактовых импульсов, схема сброса и схема старт-стоп.
4) Автобус
Как и канал связи между различными частями завода, шина на самом деле представляет собой набор проводов, набор различных общих сигнальных линий. Шина используется как «магистраль» для общего использования всех компонентов компьютера для передачи информации. Шина, напрямую подключенная к ЦП, может называться локальной шиной, включая DB (шина данных), AB (адресная шина), CB (шина управления). Среди них шина данных используется для передачи информации о данных; адресная шина используется для передачи адресной информации, выдаваемой ЦП; шина управления используется для передачи управляющих сигналов, сигналов синхронизации и информации о состоянии.
3. Рабочий процесс ЦП
ЦП, состоящий из транзисторов, является ядром обработки данных и выполнения программ, а именно центральным процессором. Прежде всего, внутреннюю структуру ЦП можно разделить на три части: блок управления, блок логических операций и блок хранения (включая внутреннюю шину и буфер). Принцип работы ЦП похож на фабричную обработку продукции: сырье (программные инструкции), поступающие на фабрику, отправляются отделом распределения материалов (блоком управления) и отправляются на производственную линию (логический операционный блок) для производства готовой продукции. продукты (обработка Данных), а затем хранятся на складе (единица хранения) и, наконец, ждут продажи на рынке (для использования приложением).В этом процессе мы заметили, что с блока управления ЦП начал формальную работу. Промежуточный процесс заключается в выполнении арифметической обработки через блок логических операций, а передача в блок хранения представляет собой окончание работы.
4. Данные и инструкции
По сути, ЦП выполняет три основные задачи: чтение данных, обработка данных и запись данных в память. Но при нормальных обстоятельствах инструкция может содержать множество операций, выполняемых в четком порядке. Работа процессора состоит в том, чтобы выполнять эти инструкции. После завершения инструкции блок управления ЦП сообщает считывателю инструкций прочитать следующую инструкцию из памяти и выполнить ее. Этот процесс повторяется непрерывно и быстро, выполняя одну команду за другой, что приводит к результатам, которые вы видите на дисплее. При обработке такого количества инструкций и данных определенно будет хаотичная обработка из-за разницы во времени передачи данных и разницы во времени обработки ЦП. Чтобы гарантировать, что каждая операция выполняется вовремя, ЦП нужны часы, которые контролируют каждое действие, выполняемое ЦП. Часы как метроном. Он непрерывно пульсирует и определяет темп и время обработки ЦП. Это номинальная частота знакомого нам процессора, также известная как основная частота. Чем выше значение основной частоты, тем быстрее работает процессор.
5. Как повысить эффективность работы процессора?
Поскольку основной задачей ЦП является выполнение инструкций и обработка данных, эффективность работы станет основным содержанием ЦП. Производители ЦП также стараются использовать ЦП для более быстрой обработки данных. В соответствии с внутренней вычислительной структурой ЦП некоторые производители добавляют в ЦП еще один арифметико-логический блок (ALU) или устанавливают еще один блок операций с плавающей запятой (FPU). Это значительно ускоряет скорость операций с данными. Что касается эффективности выполнения, некоторые производители увеличивают скорость выполнения инструкций за счет конвейерной обработки или параллельного выполнения инструкций. Как мы упоминали ранее, выполнение инструкций требует множества независимых операций, таких как выборка и декодирование инструкций. Первоначально ЦП должен выполнить предыдущую инструкцию перед выполнением следующей инструкции, но теперь распределенные схемы выполняют свои операции. То есть, когда эта часть схемы завершает одно задание, второе задание немедленно занимает схему, что значительно увеличивает эффективность выполнения. Кроме того, чтобы сделать связь между инструкциями более точной, текущий ЦП обычно использует различные методы прогнозирования для более эффективного управления инструкциями.
Читайте также: