Mengapa kita membutuhkan begitu banyak transistor?

Transistor melayani berbagai keperluan dalam rangkaian listrik, yaitu sakelar, untuk memperkuat sinyal elektronik, memungkinkan Anda untuk mengontrol arus ...

Namun, saya baru-baru ini membaca tentang hukum Moore, di antara artikel internet acak lainnya, bahwa perangkat elektronik modern memiliki sejumlah besar transistor yang dipaketkan ke dalamnya, dengan jumlah transistor dalam elektronik modern berada dalam kisaran jutaan, jika tidak miliaran.

Namun, mengapa sebenarnya ada orang yang membutuhkan begitu banyak transistor? Jika transistor berfungsi sebagai saklar dll, mengapa kita membutuhkan jumlah yang sangat besar dari mereka dalam perangkat elektronik modern kita? Apakah kita tidak dapat membuat hal-hal lebih efisien sehingga kita menggunakan transistor yang jauh lebih sedikit daripada yang kita gunakan saat ini?

Transistor adalah saklar, ya, tetapi saklar lebih dari sekedar untuk menyalakan dan mematikan lampu.

Switch dikelompokkan bersama menjadi gerbang logika. Gerbang logika dikelompokkan bersama menjadi blok logika. Blok logika dikelompokkan bersama menjadi fungsi logika. Fungsi logika dikelompokkan menjadi chip.

Sebagai contoh, gerbang TTL NAND biasanya menggunakan 2 transistor (gerbang NAND dianggap sebagai salah satu blok dasar logika, bersama dengan NOR):

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Sebagai teknologi transisi dari TTL ke CMOS (yang sekarang menjadi standar de-facto) pada dasarnya ada penggandaan instan dari transistor. Misalnya, gerbang NAND berubah dari 2 transistor menjadi 4:

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Sebuah kait (seperti SR) dapat dibuat menggunakan 2 gerbang NAND CMOS, jadi 8 transistor. Oleh karena itu, register 32-bit dapat dibuat menggunakan 32 flip-flop, jadi 64 gerbang NAND, atau 256 transistor. ALU mungkin memiliki banyak register, ditambah banyak gerbang lain juga, sehingga jumlah transistor tumbuh dengan cepat.

Semakin kompleks fungsi yang dilakukan chip, semakin banyak gerbang yang dibutuhkan, dan dengan demikian semakin banyak transistor.

CPU rata-rata Anda hari ini jauh lebih kompleks daripada mengatakan chip Z80 dari 30 tahun yang lalu. Ini tidak hanya menggunakan register yang 8 kali lebarnya, tetapi operasi aktual yang dilakukannya (transformasi 3D kompleks, pemrosesan vektor, dll) semuanya jauh lebih kompleks daripada yang dapat dilakukan chip yang lebih lama. Sebuah instruksi tunggal dalam CPU modern mungkin membutuhkan beberapa detik (atau bahkan beberapa menit) perhitungan dalam 8-pahit lama, dan semua yang dilakukan, pada akhirnya, dengan memiliki lebih banyak transistor.

Saya memeriksa pemasok lokal dari berbagai perangkat semikonduktor dan chip SRAM terbesar yang mereka miliki adalah 32Mbits. Itu 32 juta area individual tempat 1 atau 0 dapat disimpan. Mengingat bahwa "setidaknya" 1 transistor diperlukan untuk menyimpan 1 bit informasi, maka itu adalah 32 juta transistor pada tingkat minimum absolut.

Apa yang Anda dapatkan dari 32 Mbits? Itu 4 Mbytes atau sekitar ukuran file musik MP3 4 menit berkualitas rendah.

EDIT - sel memori SRAM menurut googling saya terlihat seperti ini: -

Jadi, itu 6 transistor per bit dan lebih seperti 192 juta transistor pada chip yang saya sebutkan.

Saya pikir OP mungkin bingung oleh perangkat elektronik yang memiliki begitu banyak transistor. Hukum Moore terutama menjadi perhatian bagi komputer (CPU, SRAM / DRAM / penyimpanan terkait, GPU, FPGA, dll.). Sesuatu seperti radio transistor mungkin (kebanyakan) pada satu chip, tetapi tidak dapat memanfaatkan semua yang banyak transistor. Perangkat komputasi, di sisi lain, memiliki selera yang tak terpuaskan untuk transistor untuk fungsi tambahan dan lebar data yang lebih luas.

Seperti yang dinyatakan sebelumnya, SRAM membutuhkan 6 transistor per bit. Ketika kami memperbesar cache kami (untuk tujuan efisiensi), kami membutuhkan lebih banyak dan lebih banyak transistor. Melihat prosesor wafer , Anda mungkin melihat bahwa cache lebih besar dari satu inti prosesor, dan, jika Anda melihat lebih dekat pada core, Anda akan melihat bagian yang terorganisir dengan baik di dalamnya, yang juga merupakan cache (mungkin data dan instruksi L1 cache). Dengan cache 6MB, Anda membutuhkan 300 juta transistor (ditambah logika pengalamatan).

Tetapi, juga seperti yang dinyatakan sebelumnya, transistor bukan satu-satunya alasan untuk menambah jumlah transistor. Pada Core i7 modern, Anda memiliki lebih dari 7 instruksi yang dieksekusi per periode clock dan per core (menggunakan uji dhrystone yang terkenal). Ini berarti satu hal: prosesor canggih melakukan banyak komputasi paralel. Melakukan lebih banyak operasi pada saat yang sama mengharuskan memiliki lebih banyak unit untuk melakukannya, dan logika yang lebih pintar untuk menjadwalkannya. Logika yang lebih pintar membutuhkan persamaan logis yang jauh lebih kompleks, dan jauh lebih banyak transistor untuk mengimplementasikannya.

Sedikit menjauh dari detail:

Komputer adalah perangkat switching digital yang kompleks. Mereka memiliki lapisan demi lapisan kompleksitas. Level paling sederhana adalah gerbang logika seperti gerbang NAND, seperti yang dibahas, Lalu Anda dapat menambahkan, menggeser register, kait, dll. Kemudian Anda menambahkan logika clocked, instruksi decoding, cache, unit aritmatika, alamat decoding, Ia berjalan terus dan terus . (Belum lagi memori, yang membutuhkan beberapa transistor per bit data yang disimpan)

Setiap level tersebut menggunakan banyak bagian dari tingkat kompleksitas sebelumnya, yang semuanya didasarkan pada banyak dan banyak gerbang logika dasar.

Kemudian Anda menambahkan konkurensi. Untuk mendapatkan kinerja yang lebih cepat dan lebih cepat, komputer modern dirancang untuk melakukan banyak hal pada saat bersamaan. Dalam satu inti, dekoder alamat, unit aritmatika, prosesor vektor, pengelola cache, dan berbagai subsistem lainnya semuanya berjalan pada saat yang sama, semua dengan sistem kontrol dan sistem pengaturan waktu mereka sendiri.

Komputer modern juga memiliki jumlah core terpisah yang lebih besar dan lebih besar (banyak CPU dalam satu chip).

Setiap kali Anda naik lapisan abstraksi, Anda memiliki banyak urutan lebih banyak kompleksitas. Bahkan tingkat kompleksitas terendah memiliki ribuan transistor. Naik ke subsistem tingkat tinggi seperti CPU dan Anda berbicara setidaknya jutaan transistor.

Lalu ada GPU (Unit Pemrosesan Grafik). GPU mungkin memiliki RIBUAN prosesor floating point terpisah yang dioptimalkan untuk melakukan matematika vektor, dan setiap sub-prosesor akan memiliki beberapa juta transistor di dalamnya.

Tanpa berusaha membahas berapa banyak transistor yang dibutuhkan untuk item tertentu, CPU menggunakan lebih banyak transistor untuk meningkatkan kemampuan termasuk:

• Set instruksi yang lebih kompleks
• Lebih banyak cache pada chip sehingga lebih sedikit pengambilan dari RAM diperlukan
• Lebih banyak register
• Core prosesor lebih banyak

Selain meningkatkan kapasitas penyimpanan baku RAM, cache, register dan juga menambahkan lebih banyak core komputasi dan lebar bus yang lebih luas (32 vs 64 bit, dll), itu karena CPU semakin rumit.

CPU adalah unit komputasi yang terdiri dari unit komputasi lainnya. Instruksi CPU melewati beberapa tahap. Di masa lalu, ada satu tahap, dan sinyal clock akan sepanjang waktu terburuk untuk semua gerbang logika (dibuat dari transistor) untuk menyelesaikan. Kemudian kami menemukan pipa, di mana CPU dipecah menjadi beberapa tahapan: instruksi mengambil, mendekode, memproses dan menulis hasil. CPU 4 tahap sederhana itu kemudian dapat berjalan pada kecepatan jam 4x dari jam aslinya. Setiap tahap, terpisah dari tahap lainnya. Ini berarti tidak hanya dapat meningkatkan kecepatan clock Anda menjadi 4x (pada gain 4x) tetapi Anda sekarang dapat memiliki 4 instruksi berlapis (atau "pipelined") di CPU, menghasilkan kinerja 4x. Namun, sekarang "bahaya" dibuat karena satu instruksi yang masuk mungkin tergantung pada hasil instruksi sebelumnya, tetapi karena itu ' Sedang pipelined, itu tidak akan mendapatkannya ketika memasuki tahap proses sebagai yang lain keluar dari tahap proses. Oleh karena itu, Anda perlu menambahkan sirkuit untuk meneruskan hasil ini ke instruksi yang memasuki tahap proses. Alternatifnya adalah menghentikan pipa yang mengurangi kinerja.

Setiap tahap pipa, dan khususnya bagian proses, dapat dibagi lagi menjadi lebih banyak langkah. Akibatnya, Anda akhirnya menciptakan sejumlah besar sirkuit untuk menangani semua inter-dependensi (bahaya) dalam pipa.

Sirkuit lain juga dapat ditingkatkan. Adder digital sepele yang disebut adder "ripple carry" adalah yang paling mudah, terkecil, tetapi paling lambat. Adder tercepat adalah adder "carry look-ahead" dan membutuhkan jumlah sirkuit yang luar biasa. Dalam kursus teknik komputer saya, saya kehabisan memori dalam simulator 32-bit carry-forward adder, jadi saya memotongnya menjadi dua, 2 16 bit adders CLA dalam konfigurasi ripple-carry. (Menambah dan mengurangi sangat sulit untuk komputer, mengalikan mudah, pembagian sangat sulit)

Efek samping dari semua ini adalah ketika kita mengecilkan ukuran transistor, dan membagi tahapan, frekuensi clock dapat meningkat. Ini memungkinkan prosesor untuk melakukan lebih banyak pekerjaan sehingga berjalan lebih panas. Juga, ketika frekuensi meningkatkan penundaan propagasi menjadi lebih jelas (waktu yang dibutuhkan untuk tahap pipa untuk menyelesaikan, dan untuk sinyal tersedia di sisi lain) Karena impedansi, kecepatan efektif propagasi adalah sekitar 1 kaki per nanodetik. (1 Ghz). Saat kecepatan clock Anda meningkat, tata letak chip menjadi semakin penting karena chip 4 Ghz memiliki ukuran maksimal 3 inci. Jadi sekarang Anda harus mulai memasukkan bus dan sirkuit tambahan untuk mengelola semua data yang bergerak di sekitar chip.

Kami juga menambahkan instruksi ke chip setiap saat. SIMD (Instruksi tunggal beberapa data), hemat daya, dll. Semuanya memerlukan sirkuit.

Akhirnya, kami menambahkan lebih banyak fitur ke chip. Di masa lalu, CPU Anda dan ALU Anda (Arithmetic Logic Unit) Anda terpisah. Kami menggabungkannya. FPU (Floating point unit) terpisah, yang digabungkan juga. Sekarang ini, kami menambahkan USB 3.0, Akselerasi Video, decoding MPEG dll ... Kami memindahkan lebih banyak komputasi dari perangkat lunak ke perangkat keras.

Majenko memiliki jawaban yang bagus tentang bagaimana transistor digunakan. Jadi biar saya pergi dari vektor pendekatan yang berbeda dan berurusan dengan efisiensi.

Apakah efisien menggunakan transistor sesedikit mungkin ketika merancang sesuatu?

Ini pada dasarnya bermuara pada efisiensi apa yang Anda bicarakan. Mungkin Anda adalah anggota dari suatu agama yang menyatakan perlu menggunakan sesedikit mungkin transistor - dalam hal ini, jawabannya cukup banyak diberikan. Atau mungkin Anda adalah perusahaan yang membangun produk. Tiba-tiba, pertanyaan sederhana tentang efisiensi menjadi pertanyaan yang sangat rumit tentang rasio biaya-manfaat.

Dan inilah kickernya - transistor dalam sirkuit terintegrasi sangat murah, dan harganya semakin murah seiring waktu (SSD adalah contoh yang bagus tentang bagaimana biaya transistor ditekan ke bawah). Tenaga kerja, di sisi lain, sangat mahal.

Pada saat IC baru saja mulai, ada dorongan tertentu untuk menjaga jumlah komponen yang dibutuhkan serendah mungkin. Ini hanya karena mereka memiliki dampak yang signifikan pada biaya produk akhir (pada kenyataannya, mereka sering kali sebagian besar dari biaya produk), dan ketika Anda membangun produk jadi, "kotak", biaya tenaga kerja adalah tersebar di semua bagian yang Anda buat. Komputer berbasis IC awal (pikir arcade video) didorong ke biaya per-bagian sekecil mungkin. Namun, biaya tetap (berbeda dengan biaya per potong) sangat dipengaruhi oleh jumlah yang dapat Anda jual. Jika Anda hanya akan menjual pasangan, mungkin tidak layak untuk menghabiskan terlalu banyak waktu untuk menurunkan biaya per potong. Jika Anda mencoba membangun pasar yang sangat besar, di sisi lain,

Perhatikan bagian penting - masuk akal untuk menginvestasikan banyak waktu dalam meningkatkan "efisiensi" ketika Anda merancang sesuatu untuk produksi massal. Inilah dasarnya "industri" - dengan pengrajin, biaya tenaga kerja terampil seringkali merupakan biaya utama produk jadi, di pabrik, lebih banyak biaya berasal dari bahan dan (relatif) tenaga kerja tidak terampil.

Mari kita maju cepat ke revolusi PC. Ketika PC gaya IBM muncul, mereka sangat bodoh. Sangat bodoh. Mereka adalah komputer tujuan umum. Untuk hampir semua tugas Anda dapat merancang perangkat yang bisa melakukannya dengan lebih baik, lebih cepat, lebih murah. Dengan kata lain, dalam pandangan efisiensi sederhana, mereka sangat tidak efisien. Kalkulator jauh lebih murah, pas di saku Anda dan berjalan untuk baterai yang lama. Konsol gim video memiliki perangkat keras khusus untuk membuatnya sangat pandai membuat gim. Masalahnya adalah, mereka tidak bisa melakukan hal lain. PC dapat melakukan semuanya - rasio harga / outputnya jauh lebih buruk, tetapi Anda tidak dipaksa melakukan kalkulator, atau konsol permainan sprite 2D. Mengapa Wolfenstein dan Doom (dan di Apple PC, Marathon) muncul di komputer tujuan umum dan bukan di konsol game? Karena konsol sangat pandai melakukan game berbasis sprite 2D (bayangkan tipikal JRPG, atau game seperti Contra), tetapi ketika Anda ingin menyimpang dari perangkat keras yang efisien, Anda menemukan bahwa tidak ada cukup kekuatan pemrosesan untuk melakukan hal lain!

Jadi, pendekatan yang tampaknya kurang efisien memberi Anda beberapa opsi yang sangat menarik:

• Ini memberi Anda lebih banyak kebebasan. Membandingkan konsol 2D lama dengan PC IBM lama, dan akselerator grafik 3D tua dengan GPU modern, yang perlahan-lahan menjadi komputer umum yang cukup umum.
• Hal ini memungkinkan peningkatan efisiensi produksi massal meskipun produk akhir (perangkat lunak) adalah "pengrajin" dalam beberapa hal. Jadi perusahaan seperti Intel dapat menurunkan biaya unit kerja jauh lebih efisien daripada semua pengembang individu di seluruh dunia.
• Ini memberikan lebih banyak ruang untuk lebih banyak abstraksi dalam pengembangan, sehingga memungkinkan penggunaan kembali solusi siap yang lebih baik, yang pada gilirannya memungkinkan pengembangan yang lebih rendah dan biaya pengujian, untuk hasil yang lebih baik. Ini pada dasarnya adalah alasan mengapa setiap anak sekolah dapat menulis aplikasi berbasis GUI lengkap dengan akses database dan konektivitas internet dan semua hal lain yang akan sangat sulit untuk dikembangkan jika Anda harus selalu memulai dari awal.
• Di PC, ini berarti bahwa aplikasi Anda pada dasarnya menjadi lebih cepat dari waktu ke waktu tanpa masukan Anda. Waktu makan siang gratis sebagian besar sudah berakhir sekarang, karena semakin sulit untuk meningkatkan kecepatan komputer, tetapi itu membentuk sebagian besar masa pakai PC.

Semua ini datang pada "pemborosan" dari transistor, tetapi itu bukan pemborosan nyata, karena biaya total sebenarnya lebih rendah daripada jika Anda mendorong untuk "transistor sesedikit mungkin".

Sisi lain dari cerita "begitu banyak transistor" adalah bahwa transistor ini tidak dirancang secara individual oleh manusia. Inti CPU modern memiliki urutan 0,1 miliar transistor, dan tidak ada manusia yang merancang masing-masing transistor tersebut secara langsung. Itu tidak mungkin. Seumur hidup 75 tahun hanya 2,3 miliar detik.

Jadi, untuk membuat desain sebesar itu layak, manusia terlibat dalam mendefinisikan fungsionalitas perangkat pada tingkat abstraksi yang jauh lebih tinggi daripada masing-masing transistor. Transformasi ke masing-masing transistor dikenal sebagai sintesis rangkaian, dan dilakukan oleh alat yang sangat mahal dan eksklusif yang harganya secara kolektif mencapai urutan satu miliar dolar untuk dikembangkan selama bertahun-tahun, yang dikumpulkan di antara pembuat dan pengecoran CPU utama.

Alat sintesis rangkaian tidak menghasilkan desain dengan jumlah transistor seminimal mungkin. Ini dilakukan karena banyak alasan.

Pertama, mari kita bahas kasus yang paling mendasar: setiap rangkaian kompleks dapat disimulasikan oleh CPU yang jauh lebih sederhana, mungkin serial, dengan memori yang cukup. Anda tentu dapat mensimulasikan chip i7, dengan akurasi sempurna, jika saja Anda menghubungkan cukup RAM serial ke Arduino. Solusi seperti itu akan memiliki transistor jauh lebih sedikit daripada CPU yang sebenarnya, dan akan berjalan sangat lambat, dengan kecepatan clock efektif 1kHz atau kurang. Kami jelas tidak bermaksud pengurangan jumlah transistor sejauh itu .

Jadi kita harus membatasi diri pada kelas tertentu dari transformasi desain-ke-transistor: yang mempertahankan kapasitas paralel yang dibangun ke dalam desain asli.

Bahkan kemudian, optimasi untuk jumlah minimum transistor kemungkinan akan menghasilkan desain yang tidak dapat diproduksi menggunakan proses semikonduktor yang ada. Mengapa? Karena chip yang benar-benar dapat Anda buat adalah struktur 2D, dan memerlukan redundansi rangkaian hanya agar Anda dapat menghubungkan transistor-transistor tersebut tanpa memerlukan satu kilogram logam untuk melakukannya. Fan-in dan fan-out dari transistor, dan gerbang yang dihasilkan, memang penting.

Akhirnya, alat-alat itu secara teoritis tidak sempurna: biasanya membutuhkan terlalu banyak waktu dan memori CPU untuk menghasilkan solusi yang secara global minimal dalam hal jumlah transistor, mengingat kendala dari chip manufaktur.

Saya pikir apa yang perlu diketahui OP adalah bahwa 'saklar sederhana' sering membutuhkan beberapa transistor? Mengapa? Ya, untuk banyak alasan. Terkadang diperlukan transistor tambahan agar penggunaan daya rendah untuk kondisi 'hidup' atau 'mati'. Terkadang transistor diperlukan untuk mengatasi ketidakpastian input tegangan atau spesifikasi komponen. Banyak alasan. Tapi saya menghargai intinya. Lihatlah diagram sirkuit untuk OP-AMP dan Anda melihat beberapa lusin transistor! Tetapi mereka tidak akan ada di sana jika mereka tidak melayani tujuan untuk sirkuit.

Pada dasarnya semua komputer mengerti adalah 0s dan 1s .. yang diputuskan oleh switch ini .. Ya, fungsi transistor lebih dari switch. Jadi jika sebuah saklar dapat memutuskan apakah output harus berupa 0 atau 1 (dengan asumsi bahwa sebagai operasi bi tunggal), semakin banyak jumlah bit. semakin banyak transistor .. jadi tidak heran mengapa kita harus menanamkan jutaan transistor ke dalam satu mikroprosesor .. :)

Di era teknologi, kita membutuhkan perangkat pintar (kecil, cepat dan efisien). Perangkat ini terdiri dari sirkuit terpadu (IC) yang berisi no. dari transistor. Kita membutuhkan lebih banyak dan lebih banyak transistor untuk membuat IC lebih pintar dan lebih cepat karena dalam elektronik, setiap sirkuit di IC terbuat dari penambah, sub-traktor, pengganda, pembagi, gerbang logika, register, multiplexer, sandal jepit, penghitung, pemindah, kenangan dan mikroprosesor, dll. untuk mengimplementasikan logika apa pun di perangkat dan ini hanya terdiri dari transistor (MOSFET). Dengan bantuan transistor, kita dapat menerapkan logika apa pun. Jadi kita membutuhkan lebih banyak dan lebih banyak transistor .....