Сколько транзисторов в процессоре

Обновлено: 03.07.2024

В аналоговом мире постоянно меняющихся сигналов транзистор — это устройство, используемое для усиления входного электрического сигнала. В цифровом мире транзистор — это двоичный переключатель и основной строительный блок компьютерной схемы. Подобно выключателю на стене, транзистор либо предотвращает, либо пропускает ток. В одном современном процессоре могут быть сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов.

Изготовлен из полупроводникового материала

Активная часть транзистора изготовлена ​​из кремния или другого полупроводникового материала, который может изменять свое электрическое состояние при импульсном воздействии. В нормальном состоянии материал может быть непроводящим или проводящим, препятствующим или пропускающим ток. При подаче напряжения на затвор транзистор меняет свое состояние. Чтобы узнать больше о транзисторе, см. Концепцию и микросхему транзистора. См. активную область, фототранзистор и затвор High-K/Metal Gate.

Транзисторы соединены по схемам, образующим логические элементы. Элементы составляют схемы, а схемы составляют электронные системы (подробности см. в разделе Булева логика и логические элементы).

В цифровой схеме транзистор представляет собой переключатель включения/выключения, проводящий ток при импульсном электрическом воздействии. Транзисторы также используются в качестве усилителей, преобразующих низкое напряжение на базе в высокое напряжение на коллекторе. Таким образом, в аудиоусилителях используются транзисторы.

Посредством нескольких этапов маскирования, травления и диффузии создаются подслои на чипе. Завершающим этапом укладывается верхний металлический слой (обычно алюминий), соединяющий транзисторы между собой и с внешним миром.

Большинство транзисторов в каждом чипе на пластине создаются одновременно. Такая 300-миллиметровая пластина может содержать сотни и тысячи кристаллов (чипов), а это означает, что одновременно изготавливаются миллиарды и триллионы транзисторов. Смотрите вафли. (Изображение предоставлено корпорацией Intel.)

В 1954 году компания Texas Instruments стала пионером в производстве дискретных транзисторов в промышленных масштабах. Около четверти квадратного дюйма, это пространство сегодня может вместить триллионы транзисторов. См. концепцию транзистора. (Изображение предоставлено Texas Instruments, Inc.)

В 1964 году передовые инженеры IBM поместили в один модуль для своего семейства System/360 не один транзистор, а три транзистора. Когда крышка снята, три транзистора хорошо видны. См. активную область. (Изображение предоставлено IBM.)

Как человек, который может заняться графическим дизайном, редактированием видео или потоковой передачей, вы можете подумать, что хороший графический процессор с приличным остальным должен подойти. Что ж, здесь мы подробно рассмотрим, как работает процессор, как он работает, сколько транзисторов в процессоре и какие варианты лучше всего подходят для разных типов работы. Если вы здесь, чтобы узнать, как сделать процессор или как сделать транзистор, или в чем разница между транзисторами NPN и PNP, то эта статья не принесет вам никакой пользы. Здесь мы рассмотрим только историю процессоров, роль транзисторов, достижения и некоторые из лучших процессоров, если вы работаете в области мультимедиа.

Как появились современные процессоры?

Как появились современные процессоры

ЦП иногда называют центральным процессором или просто процессором. Это электронная схема, которая дает инструкции для выполнения компьютерной программой. ЦП в основном выполняет арифметические и логические операции для управления операциями ввода и вывода в соответствии с запросом программы. Эта задача выполняется исключительно процессором с оперативной памятью или вспомогательной памятью. Существуют специализированные процессоры, известные как графические процессоры, которые выполняют более специфические задачи.

Внешний вид процессоров, их реклама, модные словечки и другие подобные вещи изменились за эти годы. В конце концов, основы операций все еще там. Эти основы включают арифметико-логическое устройство, также известное как ALU. ALU выполняет арифметические и логические задачи, а процессор передает ему соответствующую информацию. Затем эта информация сохраняется для перемещения в блок управления, который получает и выполняет команды с использованием памяти (также известной как RAM). Затем ALU и все его дочерние устройства используют память и повторяют весь процесс снова и снова, если требуется столько типов.

Основой современных ЦП являются интегральные схемы и микропроцессоры с одной или несколькими микросхемами MOS IC. Существуют микропроцессорные микросхемы с несколькими процессорами; они известны как многоядерные процессоры, которыми сегодня является большинство процессоров. Помимо самих физических ядер, они могут иметь несколько потоков. Это своего рода «виртуальный ЦП», который также помогает с процессами. Это помогло решить проблему, связанную с тем, сколько транзисторов в ЦП требуется в дальнейшем. Интегральная схема также может включать в себя все остальные части.Имея свою память, периферийные интерфейсы и другие компоненты, которые обычно составляют компьютер.

Ранние процессоры

Самый ранний процессор нужно было полностью перемонтировать для выполнения других задач. Это принесло им название «компьютеры с фиксированной программой». Один из первых скачков в компьютерных технологиях уже был придуман в более раннем проекте Дж. Преспера Эккерта и Джона Уильяма Мочли.

Изначально они не дошли до конца, так как хотели закончить основные части и выставить их за дверь, чтобы показать инвесторам. Однако, как только они добились этого, они внедрили компьютер с хранимой программой, который позволил компьютерной памяти находиться в программах, а не в физических проводах компьютера. Это означало, что утомительный процесс перенастройки для выполнения различных задач был удален, нужно было только изменить содержимое памяти компьютера.

Этот и другие ранние ЦП обычно были частью гораздо более крупного компьютера. В конечном итоге это привело к производству многоцелевых процессоров, которые затем стали производиться серийно, что способствовало развитию миникомпьютеров и транзисторных мейнфреймов. Наряду с появлением многоцелевых процессоров шла популяризация интегральных схем. Эта тенденция делать процессоры все меньше и меньше, но при этом становиться все более и более сложными, все еще наблюдается сегодня с процессорами, которые могут сравниться с настольными компьютерами, установленными в автомобилях, холодильниках, игрушках и телефонах.

Одним из самых знаковых элементов старых компьютеров было то, что они использовали электронные лампы для переключения определенных аспектов компьютерной системы. Затем это устарело с изобретением транзистора. В этих сценариях транзисторы выполняли ту же функцию, что и эти электронные лампы, но были намного меньше и энергоэффективнее. В то время в ЦП были десятки или даже сотни ламп, хотя возникает вопрос, сколько транзисторов в ЦП?

Ну, все еще такое же количество, но менее хрупкое, меньшее, более энергоэффективное и просто не такое горячее, чтобы транзисторы заменили старые лампы. Кроме того, это позволило раздвинуть границы возможного количества транзисторов в ЦП, поскольку эта технология помогла достичь таких показателей, которые невозможно было даже представить для ламповых ЦП.

К 1964 году IBM дебютировала с IBM System/360/. Это была компьютерная архитектура, которая была распространена на новую серию компьютеров IBM. Вам может быть интересно, сколько транзисторов в процессоре было размещено за это время? В IBM System/360 было 664 транзистора. Эта архитектура сделала так, что все эти компьютеры могли запускать одни и те же программы (с разной производительностью). IBM добилась этого, используя микропрограммы, которые представляют собой буфер между аппаратным и программным обеспечением, что позволяет выполнять более сложные инструкции без более сложных физических схем. Хотя процессоры все еще используют это сегодня, это встречается только в определенных случаях.

ЦП новой модели транзисторов уступили место ЦП малой и крупной интеграции. Таким образом, вы можете спросить, сколько транзисторов в малом ЦП и сколько транзисторов в крупномасштабном ЦП? Что ж, процессоры для мелкомасштабной интеграции использовали метод производства большого количества подключенных транзисторов, обычно исчисляемых десятками, и все они были подключены к одному полупроводнику. Именно эта конфигурация делает этот тип ЦП «мелкомасштабной интеграцией», когда речь идет об ИС. Этот же тип компьютера использовался в компьютере наведения Аполлона.

МОП-транзистор или полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника чаще называют МОП-транзистором. В конечном итоге это привело к созданию МОП-транзистора; это сделало бы так, что вопрос о том, сколько транзисторов в ЦП, стоило задать в то время. Его сделали Мохамед Аталлан и Давон Канг. Его основными преимуществами являются высокая масштабируемость и низкое энергопотребление по сравнению с другими продуктами, представленными на рынке в то время.

В 1967 году Ли Бойсел опубликовал статью, в которой рассказывалось о создании эквивалента 32-разрядного мейнфрейма из нескольких крупномасштабных интегральных схем. Однако единственным способом изготовления микросхем БИС было использование МОП-полупроводников. Это привело к тому, что не все основные производители сразу же подключились, поскольку чипы биполярной транзисторно-транзисторной логики были быстрее, чем чипы МОП. Однако с производством кремниевых затворов технология МОП стала быстрее и к началу 70-х обогнала биполярные ТТЛ. Вопрос о том, сколько транзисторов в ЦП составляет БИС, является важным, чтобы помочь понять прогресс в технологии. По мере развития микроэлектроники число транзисторов в БИС исчислялось тысячами.

Развитие технологии МОП проложило путь к созданию микропроцессора, созданного в начале 70-х годов.Первым коммерчески доступным из них был Intel 4004, а первым широко используемым - Intel 8080, который превзошел почти все другие процессоры в то время и раньше.

Сколько транзисторов в подобном ЦП вам может быть интересно? Intel 8080 имел 6000 транзисторов, которые в конечном итоге стали тем, что мы имеем в виду, говоря о ЦП. На тот момент не имело значения, сколько транзисторов в ЦП, поскольку благодаря улучшениям и небольшому размеру он предоставил широкой публике компьютеры, помещающиеся на столе. Были также новые изменения, когда вы могли просто обновить архитектуру компьютера вместо того, чтобы покупать новый, что сделало вопрос о том, сколько транзисторов в ЦП незначительным. Также была возможность вернуться к предыдущим версиям, которые также стали одним из катализаторов создания персонального компьютера.

Технические аспекты процессора

Технические аспекты ЦП

Теперь, если вы не читали историю или только бегло просмотрели ее, вам может понадобиться более простой способ визуализации работы ЦП.

Все начинается с самого чипа, затем цепей, логических элементов и, наконец, транзисторов. Первый и последний шаги выполняются с физическим оборудованием, которое вы можете увидеть и потрогать. Второй и третий выполняются за кулисами в архитектуре компьютера.

По сути, между шагами 1 и 4 происходит загрузка процессов, чтобы сделать процесс более эффективным и мощным. Теперь вы можете спросить, сколько транзисторов в ЦП вам нужно для этих шагов? Хорошо, чтобы ответить, сколько транзисторов в процессоре, i7-9700K имеет 3 МИЛЛИАРДА транзисторов. Сколько транзисторов в процессоре AMD, хотя аналогом i7 является AMD Ryzen 7 2700X, который имеет колоссальные 4,8 миллиарда транзисторов, а схема и логический элемент искусственно увеличивают его. Так что да, разница между количеством транзисторов в ЦП сейчас и количеством транзисторов в ЦП тогда огромна.

Какой процессор лучше для вас?

На этот вопрос не так просто ответить или нет однозначного ответа. Это связано с тем, что существуют различные типы ЦП, предназначенные для разных рабочих требований. Давайте посмотрим на некоторые из них.

Лучший процессор для художника или графического дизайнера

Для художника-графика, работающего на настольном компьютере, наиболее важным фактором является достаточное количество ядер процессора. Они необходимы для рендеринга, особенно если вы находитесь на профессиональном уровне, хорошо бы поискать хороший процессор.

Конечно, если это скорее хобби или вы только начинаете им заниматься, вам не нужно тратить все свои деньги только на более быструю визуализацию. Наибольший баланс между производительностью и ценой можно найти у AMD Ryzen 5 3600 с 6 ядрами. Быть довольно доступным, хотя в значительной степени минимумом, который вы должны иметь для разумного рабочего времени. Если вы можете сорвать банк, рассмотрите AMD Ryzen 9 9500x. Несмотря на то, что высококачественный процессор может помочь вам улучшить ваши творческие результаты, также жизненно важно иметь надлежащий монитор. Потому что какой смысл, если ваш монитор не отображает вашу работу точно? Высокопроизводительный ЦП в сочетании с лучшим монитором редактирования может вывести вашу работу на новый уровень.

Лучший процессор для стриминга или игр

Если вы хотите попробовать свои силы в потоковом вещании, думая, что ваши настройки соответствуют требованиям, необходимо учитывать несколько моментов. Самый большой из них заключается в том, что И ЦП, и ГП интенсивно используются, поскольку рендеринг в реальном времени — это не шутка, и он очень требователен.

Кроме того, если вы играете и выполняете задания, это может сильно повлиять на производительность. Теперь, хотя наличие большего количества ядер также важно для игр, отдача уменьшается, когда вы достигаете 6 ядер. Из-за этого рекомендуется использовать AMD Ryzen 5 3600 в качестве хорошей основы для процессоров, поскольку он будет работать адекватно. Если вы можете позволить себе лучший вариант, Intel i5-10600K — хороший выбор, так как его ядра значительно быстрее, что означает более высокую производительность.

Лучший процессор для создания музыки

Лучший процессор для музыкального производства

В этом случае хороший ЦП хорошо помогает, но в основном скоростью, с которой вы работаете. Если вы начинаете, вам может не понадобиться обновление, так как вы будете возиться с DAW и любыми плагинами, которые вы получите. Но для более знакомых профессиональных пользователей хороший процессор может сэкономить много часов.

Предполагая, что вы используете эффекты в самой DAW и хотите полностью прослушать трек, вам придется его обработать. Во-первых, это может быть проблемой, если ваш ЦП недостаточно мощный, так как файл может получить несколько обращений, поскольку ЦП не может выдержать нагрузку. Это может привести к громким обрывам звука, когда ЦП не может правильно воспроизвести эффекты и необработанные звуки.

Во-вторых, эффекты потребляют удивительно много энергии от ЦП, поэтому, если у вас слабый ПК, это может занять некоторое время. За это время ваша творческая энергия может захлебнуться или уйти, что повлияет на ваш конечный продукт. Здесь немного сложнее, так как Intel в целом является более безопасным выбором, поскольку некоторые плагины несовместимы с процессорами AMD. Поэтому рекомендуется получить Intel i5-10500, хотя он дороже, чем AMD, но это более безопасный выбор. Если вы можете выложить немного больше денег, выберите Intel i7-10700E.

Лучший процессор для редактирования видео

Как и в случае с другим визуальным носителем, центральный процессор также важен для редактирования видео. Количество ядер сильно влияет на то, насколько быстро вы можете рассчитывать на работу в системе. Все современное программное обеспечение для редактирования использует тот факт, что современные процессоры имеют много ядер для работы. Поэтому, если вы редактируете исключительно видео, хороший процессор должен быть вашим главным приоритетом. 6 ядер и более должны неплохо справляться со всеми современными разрешениями. Хорошим процессором для этого будет Intel i5-11400. Или, конечно, AMD Ryzen 5 3600.

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 реальных физических размерах, 60 миллиардов транзисторов — это много. И это. Но что означает это потрясающее 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, конструкция 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 ряд преимуществ, таких как более высокая скорость обработки и увеличенный объем памяти.

Многие знакомы с законом Мура, который часто звучит в упрощенном виде, 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.

A semi -логарифмический график количества транзисторов для микропроцессоров в зависимости от дат выпуска, почти удваиваясь каждые два года. Изображение Макса Розера и под лицензией CC BY-SA 4.0». /><br /></p> <p>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.</p> <p>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».</p> <blockquote><p>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.</p></blockquote> <p>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, а большой 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.</p> <p>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.</p> <p>На протяжении десятилетий количество крошечных транзисторов, входящих в состав микросхем интегральных схем, удваивалось каждые два года. Это явление, которое стало известно как закон Мура, означало более быстрые и мощные компьютеры. Но в последние годы прогресс замедлился, а некоторые говорят, остановился по законам физики. Критики говорят, что увеличение количества схем на кремниевых чипах достигло своего предела, и вычисления остановятся на нынешнем уровне, пока не будет найден альтернативный подход.</p> <p>Мукеш Кхаре не согласен. Кхаре, отвечающий за все исследования в области полупроводников в IBM, считает, что проблемы физики можно преодолеть. Он видит многообещающее будущее в добавлении большого количества транзисторов, мельчайших вычислительных машин.</p> <p>Должны ли мы заботиться? Абсолютно, говорит Кхаре. По мере того, как электронные устройства становятся все меньше и все более распространенными, «размещение большего количества транзисторов на микросхеме — это способ, которым мы можем продолжать приносить больше ценности, больше функциональности, меньше затрат и меньшего энергопотребления», — объясняет он. И они также имеют решающее значение для больших компьютерных систем. «С системной точки зрения мы продолжаем помещать все больше и больше транзисторов в микросхемы, чтобы иметь все более и более сложные функции, интегрировать их для повышения производительности наших систем и снижения энергопотребления».</p> <h2>Насколько малы 7 нм?</h2> <p>100 нм <br />Диаметр человеческого волоса <br /></p> <p>7 нм <br />Диаметр новейших транзисторов</p> <p>2,5 нм <br />Диаметр хромосомы человека</p> <h2>Новые материалы, структуры и инновации</h2> <p>А как насчет законов физики? Что ж, на пути к все меньшим чипам простое уменьшение размера транзисторов не является решением. По мере того, как они становятся меньше, их становится намного труднее отпечатывать на чипах. И сам их масштаб и близость могут влиять на электрические свойства. Например, между ними легче «просачиваться» сигналы.</p> <p>

При таком подходе команда Кхаре в партнерстве с GLOBALFOUNDRIES и Samsung из Колледжа нанотехнологий и инженерии Политехнического института SUNY (SUNY Poly CNSE) добилась этого. В июле 2015 года они представили первые в полупроводниковой промышленности тестовые чипы с нормой 7 нм (нанометры) с функционирующими транзисторами. Этот прорыв может привести к размещению более 20 миллиардов транзисторов на чипе размером с ноготь. Это примерно в 10 раз больше, чем в современных чипах.

Если рассматривать это глубже, учтите, что в большинстве используемых сегодня чипов используется технология 22 нм или 14 нм. Таким образом, новые транзисторы как минимум вдвое меньше нынешних. И мы говорим о очень маленьких размерах — в 100 000 раз меньше ширины человеческого волоса и примерно в два с половиной раза больше окружности нити вашей ДНК.

Читайте также: