на 2025/06/24 2,459

Как транзисторы приводят к тому, что процессор: функция, эволюция и будущие технологии?

Вы узнаете, как они используются в разных частях процессора, как количество транзисторов увеличилось со временем, проблемы, которые возникают с использованием так много из них, и новые виды транзисторов, разрабатываемых для будущих компьютеров.

Каталог

Рисунок 1. Транзистор в процессоре

Какие транзисторы делают в процессоре?

Транзисторы - это основные компоненты, которые делают возможными цифровые вычисления.В современных процессорах, особенно процессорах, они действуют как сверхбыстые переключатели, которые контролируют то, как ток течет через схему.Это переключение и выключение представляет двоичные значения, 1 и 0, которые формируют язык вычислений.Перед транзисторами использовались вакуумные трубы, но они были большими, медленными и потребляли слишком много энергии.Транзисторы все изменили.

Сегодня CPU в основном используют тип, называемый MOSFET (металлический оксид-полупроводник по полевым транзистору), который эффективен даже при размерах нанометрового масштаба.МОПЕТЫ ИМЕРЫ В двух типах: NMOS и PMOS.

• NMOS включается, когда к его воротам применяется положительное напряжение, позволяя пройти ток.

Рисунок 2. Диаграмма NMOS

• PMOS работает противоположным образом, он активирует с низким или отрицательным напряжением затвора.Многие объединяются как в CMOS -схемы, которые очень эффективны, потому что они используют мощность только при переключении состояний.Это качество делает их идеальными для высокоскоростной обработки высокой плотности.

Рисунок 3. Диаграмма PMOS

Транзисторы в архитектуре процессора

Каждая часть процессора, такая как арифметическая логическая единица (ALU), единица управления (Cu), регистры и внутренние соединения, построена из цепей, изготовленных из транзисторов.Когда процессор получает инструкцию, транзисторы позаботятся о нем от начала до конца: декодирование инструкции, отправка контрольных сигналов, получение правильных данных, выполнение расчета и хранение результата.Все это происходит в миллиардах секунды.Логические ворота (изготовленные из транзисторов) решают, что делать на основе входных сигналов, в то время как другие транзисторные схемы (например, шлепанцы) держат данные в течение коротких периодов.

Рисунок 4. Блок -схема архитектуры процессора

Транзисторы в ALU (арифметическая логическая единица)

ALU обрабатывает арифметические и логические операции, такие как добавление, вычитание, сравнения и бить.Эти операции выполняются логическими воротами (и, или, xor и т. Д.), Которые построены из групп транзисторов.

Например, полный диапазон, используемый в бинарном добавлении, состоит из десятков транзисторов и много раз воспроизводится по всему ALU для обработки 32-битных или 64-битных входов одновременно.Многие оптимизируют эти договоренности, используя методы, такие как логика переноса, для уменьшения задержек и повышения пропускной способности.Поскольку ALU является одним из наиболее часто доступных компонентов в рабочих нагрузках с тяжелыми вычислениями, его производительность зависит от того, насколько хорошо его макет транзистора сводит к минимуму задержку и использование энергии.

Транзисторы в блоке управления (CU)

Блок управления отвечает за управление потоком инструкций внутри процессора.Он декодирует инструкции и отправляет сигналы в нужные части процессора для их выполнения.Эти операции контролируются сетями транзисторов, расположенных в логических цепях.

Время очень важно.Шлетники на основе транзистора производят синхронизированные часовые сигналы, которые держат все на шаге.По мере того, как процессоры становятся более продвинутыми с такими методами, как трубопровод и выполнение вне заказа, логика управления становится более сложной.Он должен обрабатывать такие функции, как прогнозирование ветвей и обнаружение ошибок, которые зависят от точного, надежного поведения транзистора.

Транзисторы в регистрах и кеш -памяти

Регистры временно хранят данные во время обработки.Они построены из шлепанцев, каждый из которых содержит несколько транзисторов.Эти бистабильные схемы сохраняют немного данных стабильны до тех пор, пока новое значение не заменит его.Это делает регистры идеальными для быстрого доступа к часто используемым данным или инструкциям.

Кэш -память, особенно L1 и L2, строится с использованием SRAM (статическая оперативная память), где каждый бит хранится с использованием шести транзисторов.Эти транзисторы должны быть тщательно настроены, чтобы сбалансировать скорость, использование мощности и сопротивление помехи.Даже незначительные различия в напряжении или утечке в миллиардах транзисторов могут вызвать задержки или повреждение данных.Вот почему качество транзистора важно как для скорости, так и для стабильности.

Эволюция количества транзисторов в процессорах

Процессор Модель	Выпускать Год	Транзистор Считать	Процесс Узел	Описание
Intel 4004	1971	2300	10 мкм	Первый Коммерческий микропроцессор
Intel 8086	1978	29 000	3 мкм	Основа для x86 архитектура
Intel Пент	1993	3.1 миллион	800 н.м.	Суперкалар архитектура
Intel Core i7-920	2008	731 миллион	45 н.м.	Введено Нехалемская микроархитектура
Амд Ryzen 9 5950x	2020	4.15 миллиард	7 н.м.	16-ядер потребительский настольный процессор
Амд Threadripper 3990x	2020	39,5 миллиард	7 NM (мульти-шиплет)	64-яд Хедт процессор
Яблоко M1 Ultra	2022	114 миллиард	5 н.м.	Высокий Количество транзисторов через взаимосвязь чипа

Почему больше транзисторов означают лучшую производительность?

На самом базовом уровне каждый транзистор в процессоре служит бинарным переключателем.Он может быть либо включен, либо выключен, представляющий 1 или 0 в двоичном коде.Транзисторы объединяются для создания логических ворот, которые, в свою очередь, формируют схемы, которые выполняют расчеты, хранят данные и принимают решения.Увеличение количества транзисторов в процессоре открывает несколько преимуществ производительности:

• Более сложные схемы: с большим количеством транзисторов они могут разработать более сложные обработки.Например, они могут добавлять дополнительные ядра, улучшить единицы прогнозирования ветвей и интегрировать более крупные арифметические единицы для более эффективной обработки сложных инструкций.

• Большой параллелизм: более крупный бюджет транзистора позволяет выполнять больше единиц выполнения одновременно.Это означает, что ЦП может одновременно обрабатывать несколько инструкций или потоков, что повышает многозадачные и параллельные вычисления.

• Большие кеши: больше транзисторов позволяют включать более крупную и более продвинутую кэш -память.Большие кэши помогают хранить часто доступ к данным ближе к процессору, снизить задержку и повышать пропускную способность, избегая более медленного доступа к основной памяти.

• Усовершенствованное управление питанием: дополнительные транзисторы позволяют интегрировать мелкозернистые цепи управления мощностью.Эти схемы могут отключить неактивные участки ЦП или динамически регулировать напряжение и частоту на основе рабочей нагрузки, повышая энергоэффективность без жертвоприношения производительности.

• Интеграция на чипе: дополнительные транзисторы поддерживают интеграцию ранее отдельных компонентов, таких как контроллеры памяти, графические единицы и ускорители искусственного интеллекта, непосредственно на DI-Die CPU.Это уменьшает задержку связи и повышает производительность для конкретных рабочих нагрузок.

Как процессор обрабатывает данные?

ЦП выполняет задачи, следуя систематической последовательности, известной как цикл Execute Fetch-Decode.На каждом этапе этого цикла бесчисленные транзисторы работают вместе для управления контрольными сигналами, логики сдвига и выполнения расчетов.Эти крошечные переключатели позволяют процессору выполнять операции с невероятной скоростью и точностью.

Рисунок 5. Диаграмма цикла по выборочному декорации

1. Получите

Цикл начинается, когда блок управления собирает следующую инструкцию из памяти.Эта инструкция находится в местоположении, указанном в счетчике программы (ПК), которая отслеживает текущую позицию ЦП в потоке инструкций.Затем инструкция перемещается в Регистр инструкций (IR) для дальнейшей обработки.Транзисторы в цепях памяти и управления действуют как переключатели и усилители, что позволяет быстро и надежно извлекать инструкцию.

2. Декодировать

После извлечения инструкция передается декодеру инструкции, который переводит двоичный OpCode и определяет, какую операцию должен выполнять процессор, такой как выполнение арифметики, логика, передача данных или изменение потока управления.Транзисторы в блоке управления активируют соответствующие внутренние маршруты, позволяя таким компонентам, как регистры, шины и логические блоки, отвечать соответствующим образом.Весь этот процесс декодирования зависит от транзисторных сетей и логических ворот, которые генерируют необходимые управляющие сигналы.

3. Выполнить

На этапе выполнения процессор выполняет указанную операцию.Для вычислений арифметическая логическая единица (ALU) обрабатывает работу.Построенный из слоев логических ворот и транзисторов, ALU выполняет такие задачи, как добавление, вычитание, логические сравнения и бить по битву (например, и, или, xor).Входные данные из регистров, непосредственных значений или памяти направляются через эти транзисторные цепи с точным временем, обеспечивая быстрое и эффективное выполнение.

4. магазин

После операции результат сохраняется либо в реестре, либо в памяти.Еще раз, транзисторы важны для управления потоком данных и хранением результата без ошибок.Такие компоненты, как шлепанцы и клетки SRAM, зависят от транзисторных состояний, чтобы надежно хранить бинарную информацию, гарантируя, что выходные данные точно сохраняются для следующих этапов.

5. Приращение

Наконец, счетчик программы обновляется для подготовки к следующей инструкции.В простых последовательностях это включает увеличение адреса с фиксированным значением.В случаях, связанных с прыжками или филиалами, ПК переназначен новый адрес, основанный на результатах инструкции.Этими обновлениями управляются логикой управления, изготовленной из транзисторов, которые оценивают условия и генерируют сигналы для руководства потоком программы.

Транзисторные проблемы в современном дизайне процессора

• Утечка и утечка мощности

Крошечные транзисторы могут протекать ток даже при выключении, в основном из -за квантовых эффектов.Эта простоя утечка увеличивает энергопотребление.Чтобы уменьшить потраченную впустую энергию, используйте методы, такие как стробирование питания (отключение неиспользованных деталей), DVF (регулировочное напряжение и частота) и стробирование часов (приостановка неактивных цепей).

• Тепло

Плотно упакованные транзисторы создают локализованные горячие точки.Без эффективного охлаждения они могут замедлить производительность или нанести постоянный ущерб.Современные процессоры противодействуют этому с датчиками температуры, автоматической дроссельной и охлаждающими системами, такими как теплопространства, пары или жидкое охлаждение.

• Старение

Транзисторы разлагаются на протяжении многих лет из -за таких эффектов, как миграция металлов и распад изоляции.Это старение может снизить производительность или вызвать сбои.Создайте маржу безопасности и реализуйте системы коррекции ошибок, чтобы обеспечить надежную, долгосрочную работу.

• Медленные взаимодействия

В то время как транзисторы продолжают сокращаться, провода, соединяющие их, не масштабируются.Эти взаимодействия сопротивляются электрическому потоку и вводят задержки сигнала.Это замедление может быть смягчено путем реорганизации сигнальных путей и вставки буферов для ускорения связи.

• Пределы литографии и изготовления

Традиционная фотолитография изо всех сил пытается определить особенности, меньшие, чем свет, который он использует, вызывая искажения и дефекты.Экстремальная ультрафиолетовая (EUV) литография помогает решить это, но она дорого и технически требует, что повышает производственные затраты.

• Балансировать скорость, мощность и тепло

Профилатели должны обеспечить скорость, не потребляя слишком много энергии или перегрева, сложный компромисс, особенно в приложениях мобильных и центров обработки данных.Инновации, такие как Dark Silicon (отключение неиспользованных областей), адиабатические вычисления (логика с низкой энергией) и аппаратные ускорители повышают энергоэффективность при сохранении производительности.

Усовершенствованные транзисторные технологии

Поскольку традиционные плоские (плоские) транзисторы достигают своих физических ограничений, разрабатываются новые и более продвинутые дизайны.Эти новые типы транзисторов помогают сделать чипсы быстрее, меньше и более эффективными.

Finfets

Finfets - один из самых широко используемых современных проектов транзисторов сегодня.Вместо того, чтобы быть плоским, как старые транзисторы, Finfets имеют тонкую вертикальную структуру, вформированную, как плавник, торчащий с поверхности чипа.Часть, которая управляет электрическим током, называемой воротами, оборачивается вокруг этого плавника с трех сторон.Эта структура обертков дает воротам больше контроля над потоком электричества, что помогает уменьшить нежелательную утечку и делает транзистор более надежным.Из -за их лучшей производительности и более низкого использования мощности Finfets теперь используются во многих смартфонах, ноутбуках и другой современной электронике.Сначала они появились в 22 -нм чип -технологиях и были в масштабировании до еще меньших размеров.

Враща всех (GAA) транзисторов

GAA Transistors - это улучшенная версия Finfets.В то время как Finfets завершает ворота около трех сторон канала, транзисторы GAA идут на один шаг дальше: ворота полностью окружает канал со всех сторон.Этот «универсальный» управление облегчает управление потоком электроэнергии и снижение потери мощности.Транзисторы GAA часто используют конструкцию, называемую «нанолистами» или «нанопроволоки», где канал разделен на тонкие слои или провода, а ворота оборачиваются вокруг каждого.Это позволяет тонко настраивать производительность и использование мощности более точно, чем когда-либо прежде.Ожидается, что технология GAA будет ключевой частью чипов, построенных с 3-нанометровыми и меньшими процессами, что делает будущие устройства быстрее и более энергоэффективными.

Углеродные нанотрубки и графеновые транзисторы

Углеродные нанотрубки - это крошечные цилиндры из атомов углерода, с невероятными электрическими и тепловыми свойствами.Они могут включаться и выключаться быстрее, чем кремний и могут быть намного меньше, что позволяет больше транзисторов в том же пространстве.Графен-это очень тонкий лист углерода, только один атом толщиной.Это чрезвычайно сильное, гибкое и очень эффективно проводит электричество.Эти материалы могут привести к более быстрым, меньшим и прохладным чипсам.Тем не менее, строительство транзисторов с нанотрубками или графеном очень сложно, потому что производственный процесс должен быть чрезвычайно точным.Даже самая маленькая ошибка может испортить крошечные структуры.

Квантовые транзисторы

Квантовые транзисторы работают совсем не так, как традиционные.Вместо того, чтобы использовать обычные электрические биты, которые составляют 0 или 1, они используют кубиты, квантовые биты, которые могут быть 0, 1 или оба одновременно благодаря странному свойству, называемому суперпозицией.Они также могут быть запутаны, то есть состояние одного кубита может зависеть от состояния другого, независимо от того, насколько они друг от друга.Из -за этого квантовые транзисторы могут обрабатывать огромные объемы информации параллельно, что обычные компьютеры не могут сделать.Это делает их идеальными для таких задач, как нарушение шифрования, моделирование молекул или решение сложных математических задач.

Нейроморфные транзисторы

Нейроморфные транзисторы предназначены для того, чтобы вести себя как нейроны и синапсы.В мозге нейроны посылают сигналы друг другу через крошечные зазоры, называемые синапсами.Нейроморфные транзисторы пытаются скопировать это поведение, используя электронные компоненты.Эти транзисторы используются в нейроморфных вычислениях, которые представляют собой новый тип вычислений, направленных на выполнение задач, которые включают обучение, распознавание моделей и принятие решений.Например, нейроморфные чипы могут использоваться в системах искусственного интеллекта, которые распознают изображения, процесс речи или учиться на данных во времени.

Заключение

Транзисторы делают все в процессоре.Они быстро включаются и выключаются, чтобы помочь компьютеру принимать математику, принимать решения и перемещать данные.По мере того, как в чипсы добавляются больше транзисторов, процессоры становятся быстрее и мощнее, но они также используют больше энергии и становятся горячими.Чтобы исправить эти проблемы, используйте новые конструкции, такие как Finfets и GAA, и даже тестируйте новые материалы, такие как углеродные нанотрубки и графен.Некоторые новые транзисторы даже создаются, чтобы действовать как клетки мозга.Эти изменения помогают компьютерам оставаться быстрыми, эффективными и готовыми к будущим проблемам.