ทำไมเราต้องการทรานซิสเตอร์จำนวนมาก

34

ทรานซิสเตอร์มีจุดประสงค์หลายอย่างในวงจรไฟฟ้าเช่นสวิตช์เพื่อขยายสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ช่วยให้คุณควบคุมกระแสไฟฟ้า ฯลฯ

อย่างไรก็ตามเมื่อเร็ว ๆ นี้ฉันได้อ่านเกี่ยวกับกฎของมัวร์ในบรรดาบทความทางอินเทอร์เน็ตแบบสุ่มอื่น ๆ ว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัยมีทรานซิสเตอร์จำนวนมากบรรจุอยู่ในนั้นด้วยจำนวนทรานซิสเตอร์ที่อยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่อยู่ในช่วงล้านถ้าไม่ใช่พันล้าน

อย่างไรก็ตามทำไมใครถึงต้องการทรานซิสเตอร์จำนวนมากล่ะ? หากทรานซิสเตอร์ทำงานเป็นสวิตช์ ฯลฯ ทำไมเราต้องใช้จำนวนมากในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ของเรา เราไม่สามารถทำให้สิ่งต่าง ๆ มีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อที่เราจะใช้ทรานซิสเตอร์น้อยลงกว่าสิ่งที่เราใช้อยู่ในปัจจุบัน?

transistors integrated-circuit pcb-design

— เคนเน็ ธ
แหล่งที่มา

7

ฉันขอแนะนำให้ลงไปที่สิ่งที่ชิปของคุณทำ Adders, Multipliers, Multiplexers, Memory, More Memory ... และคิดว่าตัวเลขของสิ่งเหล่านี้ที่จำเป็นต้องมีอยู่ที่นั่น ...

— Dzarda

9

ค่อนข้างเกี่ยวข้อง (และส่งเสริมตนเอง): ทำไมทรานซิสเตอร์มากขึ้น = กำลังการประมวลผลมากขึ้น?

— Paul A. Clayton

1

นอกจากนี้การใช้ทรานซิสเตอร์อย่างต่อเนื่องเป็นสิ่งทดแทนสำหรับอุปกรณ์เครื่องจักรกลส่วนใหญ่ช่วยให้รูปร่างของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัยมีมากกว่าสิ่งอื่น ภาพโทรศัพท์ของคุณจะกระทบกระเทือนทุกครั้งที่เปิดหรือปิดแบ็คไลท์ (ขณะที่มีขนาดและน้ำหนักของรถ)

— Mark

7

คุณถามว่าทำไมเราไม่สามารถ "ทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น" เพื่อใช้ทรานซิสเตอร์น้อยลง คุณคิดว่าเราพยายามที่จะลดจำนวนทรานซิสเตอร์ แต่ถ้ามีการปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยการเพิ่มการควบคุมให้มากขึ้น? หรือใช้เวลาอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการคำนวณอะไร? 'ประสิทธิภาพ' ไม่มีสิ่งใดเลย

— OJFord

2

ไม่ใช่ว่าเราต้องการทรานซิสเตอร์จำนวนมากในการสร้างซีพียู แต่เนื่องจากเราสามารถสร้างทรานซิสเตอร์ทั้งหมดได้เราจึงอาจใช้มันในวิธีที่ทำให้ซีพียูเร็วขึ้น

— user253751

46

ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์ใช่ แต่สวิตช์นั้นเป็นมากกว่าเพียงแค่การเปิด - ปิดไฟ

สวิตช์ถูกจัดกลุ่มเข้าด้วยกันเป็นประตูตรรกะ ประตูลอจิกถูกจัดกลุ่มเข้าด้วยกันเป็นบล็อกลอจิก บล็อกลอจิกถูกจัดกลุ่มเข้าด้วยกันเป็นฟังก์ชันลอจิก ฟังก์ชันลอจิกถูกจัดกลุ่มเข้าด้วยกันเป็นชิป

ตัวอย่างเช่นประตู TTL NAND ใช้ทรานซิสเตอร์ 2 ตัว (ประตู NAND ถือเป็นหนึ่งในหน่วยการสร้างพื้นฐานของตรรกะพร้อมกับ NOR):

แผนผัง

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

เมื่อเทคโนโลยีเปลี่ยนจาก TTL เป็น CMOS (ซึ่งขณะนี้เป็นมาตรฐานความเป็นจริง) จึงมีทรานซิสเตอร์เพิ่มขึ้นสองเท่าทันที ตัวอย่างเช่นประตู NAND เปลี่ยนจาก 2 ทรานซิสเตอร์เป็น 4:

แผนผัง

^{จำลองวงจรนี้}

สามารถสลักได้ (เช่น SR) โดยใช้ประตู CMOS NAND 2 อันดังนั้นทรานซิสเตอร์ 8 ตัว ดังนั้นการลงทะเบียนแบบ 32 บิตสามารถทำได้โดยใช้ flip-flop 32 ตัวดังนั้นประตู NAND 64 ประตูหรือทรานซิสเตอร์ 256 ตัว ALU อาจมีการลงทะเบียนหลายครั้งรวมถึงประตูอื่น ๆ อีกมากมายดังนั้นจำนวนทรานซิสเตอร์จึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

ยิ่งฟังก์ชั่นการทำงานของชิปซับซ้อนมากขึ้นเท่าไหร่ประตูก็ยิ่งต้องการมากขึ้นเท่านั้นและยิ่งมีทรานซิสเตอร์มากเท่านั้น

ซีพียูเฉลี่ยของคุณในปัจจุบันมีความซับซ้อนมากกว่าพูด Z80 ชิปเมื่อ 30 ปีที่แล้ว ไม่เพียง แต่ใช้รีจิสเตอร์ที่มีความกว้าง 8 เท่า แต่การดำเนินการตามจริงที่เกิดขึ้น (การแปลง 3 มิติที่ซับซ้อนการประมวลผลเวกเตอร์และอื่น ๆ ) ล้วนซับซ้อนกว่าชิปที่เก่ากว่ามาก คำสั่งเดียวในซีพียูสมัยใหม่อาจใช้เวลาในการคำนวณนานหลายวินาที (หรือแม้กระทั่งนาที) ในรูปแบบเก่า 8 บิตซึ่งทั้งหมดนี้ทำได้ในที่สุดโดยมีทรานซิสเตอร์มากขึ้น

— Majenko
แหล่งที่มา

NAND = 4 ไม่ใช่ 2 ทรานซิสเตอร์และ FF มีมากกว่า 2 NORs

— ตัวยึดตำแหน่ง

2

พุทโธ่! คุณต้องคิดใหม่จริงๆ แสดงการออกแบบที่แม้แต่หนึ่งเดียวที่มีทรานซิสเตอร์นับล้านที่ทำใน Bipolar !! การออกแบบเหล่านี้ทั้งหมดเป็นแบบ CMOS

— ตัวยึดตำแหน่ง

2

จุดยุติธรรม เพิ่มแผนผังที่สองเพื่อเน้นความแตกต่างและเพิ่มทรานซิสเตอร์สองเท่าจากนั้น

— Majenko

3

การดึงที่อ่อนแอ vs strong เป็นปัญหาที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจาก TTL vs CMOS BJT เข้ามาใน PNP หลังจากทั้งหมด CMOS ไม่เกี่ยวข้องกับ "การเพิ่มเป็นสองเท่าของทรานซิสเตอร์" การรวมขนาดใหญ่ทำได้เนื่องจากทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กกว่าตัวต้านทานแบบดึงขึ้นในกระบวนการ ASIC ใด ๆ

— Ben Voigt

1

นั่นไม่ใช่เกต TTL NAND นั่นคือประตูตรรกะ RTL

— fuzzyhair2

16

ฉันตรวจสอบซัพพลายเออร์ในท้องถิ่นของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ต่างๆและชิป SRAM ที่ใหญ่ที่สุดที่พวกเขามีคือ 32 บิต นั่นคือพื้นที่ 32 ล้านพื้นที่ที่สามารถเก็บ 1 หรือ 0 เนื่องจากต้องมี "อย่างน้อย" 1 ทรานซิสเตอร์เพื่อเก็บข้อมูล 1 บิตดังนั้นนั่นคือ 32 ล้านทรานซิสเตอร์อย่างน้อยที่สุด

32 Mbits ให้อะไรคุณ นั่นคือ 4 Mbytes หรือประมาณขนาดของไฟล์เพลง MP3 คุณภาพต่ำ 4 นาที

แก้ไข - เซลล์หน่วยความจำ SRAM ตาม googling ของฉันมีลักษณะเช่นนี้: -

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

นั่นคือ 6 ทรานซิสเตอร์ต่อบิตและมากกว่า 192 ล้านทรานซิสเตอร์บนชิปที่ฉันกล่าวถึง

— แอนดี้อาคา
แหล่งที่มา

... และตอนนี้จินตนาการถึงหน่วยความจำ 8GB พร้อมข้อมูล 68719476736 บิต

— Kamil

1

... ยกเว้นพวกเขาจะไม่ใช้ทรานซิสเตอร์ใน DRAM

— Majenko

1

@Majenko: อย่างน้อยก็ไม่มากเท่ากับเทคโนโลยีอื่น ๆ 1 ทรานซิสเตอร์ + 1 ตัวเก็บประจุ (ในขอบเขตที่เห็นได้ชัดมาก) สำหรับ 1 บิต - ถ้าฉันจำได้อย่างถูกต้อง

— Rev1.0

28

SRAM แต่ละบิตมีอย่างน้อย 4 และมักจะ 6 ทรานซิสเตอร์ดังนั้น 128 ล้านทรานซิสเตอร์หรือมากกว่า DRAM ไม่ได้ใช้ทรานซิสเตอร์สำหรับการจัดเก็บแต่แต่ละบิต (เก็บไว้ในตัวเก็บประจุ) มีสวิตช์ทรานซิสเตอร์ของตัวเองเพื่อชาร์จฝา

— Brian Drummond

6

ทีนี้ลองนึกถึงทรานซิสเตอร์ใน 1T SSD (ได้รับ 3 บิต / เซลล์และอยู่บนชิปมากกว่าหนึ่งชิป) แต่ก็ยังมีทรานซิสเตอร์อยู่ที่ 2.7 ล้านล้านเพียงเพื่อการจัดเก็บ - ไม่นับที่อยู่การควบคุมและค่าเผื่อบิตที่ไม่ดีและการสึกหรอ

— Spehro Pefhany

7

ฉันคิดว่า OP อาจสับสนโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีทรานซิสเตอร์มากมาย กฎของมัวร์เป็นปัญหาหลักสำหรับคอมพิวเตอร์ (ซีพียู, SRAM / DRAM / พื้นที่จัดเก็บข้อมูลที่เกี่ยวข้อง, GPU, FPGA, ฯลฯ ) บางสิ่งบางอย่างเช่นวิทยุทรานซิสเตอร์อาจจะมี (ส่วนใหญ่) ในชิปตัวเดียว แต่ไม่สามารถทำให้การใช้งานทุกที่ทรานซิสเตอร์จำนวนมาก ในทางกลับกันอุปกรณ์คอมพิวเตอร์มีความอยากอาหารไม่เพียงพอสำหรับทรานซิสเตอร์สำหรับฟังก์ชั่นเพิ่มเติมและความกว้างของข้อมูลที่กว้างขึ้น

— Phil Perry
แหล่งที่มา

3

Radios วันนี้เป็นอุปกรณ์คอมพิวเตอร์หรืออย่างน้อยก็มีพวกเขา การสังเคราะห์สัญญาณ FM แบบดิจิตอล, การประมวลผลสัญญาณ DSP ของเสียง (ตัวใหญ่), การควบคุมแบบดิจิตอลของการสลับสถานีและอื่น ๆ ตัวอย่างเช่น TAS3208 ti.com/lit/ds/symlink/tas3208.pdf

— Spehro Pefhany

1

คุณยังคงไม่เห็นทรานซิสเตอร์เป็นหมื่นหรือล้านล้านน้อยมากที่ใช้กับวิทยุ แน่นอนว่าพวกเขากำลังกลายเป็นคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กที่มีฟังก์ชั่นดิจิตอลทั้งหมด แต่ไม่มีอะไรในระดับของซีพียู 64 บิตแบบมัลติคอร์

— Phil Perry

@PhilPerry แน่นอนว่าวิทยุดิจิตอลมีบางอย่างเหมือน ARM ใช่ไหม? ไม่ใช่ทรานซิสเตอร์นับพันล้าน แต่เข้ามานับหมื่นล้าน

ถ้าคุณข้าม "เส้น" จากวิทยุแอนะล็อกไปยังคอมพิวเตอร์ที่ (เหนือสิ่งอื่นใด) รับสัญญาณวิทยุคุณจะใช้ทรานซิสเตอร์มากมาย ประเด็นของฉันยังคงอยู่ที่คำถามของ OP เกี่ยวกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดูเหมือนจะสับสนระหว่างวิทยุอะนาล็อกคลาสสิคและอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ ใช่พวกเขาแสดงในลักษณะที่แตกต่างกันมากแม้ว่าพวกเขาจะมีทั้งกล่องดำดึงเพลงออกมาจากอากาศ

— Phil Perry

4

ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ SRAM ต้องการ 6 ทรานซิสเตอร์ต่อบิต เมื่อเราขยายแคช (เพื่อประสิทธิภาพ) เราต้องการทรานซิสเตอร์มากขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อดูที่เวเฟอร์ตัวประมวลผลคุณอาจเห็นว่าแคชนั้นใหญ่กว่าคอร์หลักของโปรเซสเซอร์และถ้าคุณดูที่แกนหลักคุณจะเห็นชิ้นส่วนที่จัดเรียงอย่างดีซึ่งเป็นแคช (อาจเป็นข้อมูลและคำสั่ง L1 แคช) ด้วยแคช 6MB คุณต้องมีทรานซิสเตอร์ 300 ล้านตัว (รวมถึงตรรกะการกำหนดแอดเดรส)

แต่ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ทรานซิสเตอร์ไม่ได้เป็นเพียงเหตุผลเดียวในการเพิ่มจำนวนทรานซิสเตอร์ ใน Core i7 ที่ทันสมัยคุณมีคำสั่งมากกว่า 7 คำสั่งต่อหนึ่งช่วงเวลาของนาฬิกาและต่อหนึ่งคอร์ (โดยใช้การทดสอบ dhrystone ที่มีชื่อเสียง) นี่หมายถึงสิ่งหนึ่ง: โปรเซสเซอร์ที่ล้ำสมัยใช้การประมวลผลแบบขนานจำนวนมาก การดำเนินการเพิ่มเติมในเวลาเดียวกันจำเป็นต้องมีหน่วยให้ทำและตรรกะที่ฉลาดกว่ามากในการกำหนดตารางเวลา ตรรกะของเคลเวอร์เรอร์ต้องการสมการเชิงตรรกะที่ซับซ้อนมากขึ้นและทรานซิสเตอร์อื่น ๆ อีกมากมายที่จะนำไปใช้

— เจสัน
แหล่งที่มา

SRAM ไม่จำเป็นต้องใช้ทรานซิสเตอร์ 6 ตัวในเวลาไม่กี่ปี ในความเป็นจริง 6T Sram นั้นค่อนข้างสิ้นเปลืองเมื่อคุณได้ใช้ 1T 2T หรือ 4T srams เป็นหลักในการเปลี่ยน

— cb88

2

ก้าวออกจากรายละเอียดเล็กน้อย:

คอมพิวเตอร์เป็นอุปกรณ์สวิตช์ดิจิตัลที่ซับซ้อน พวกมันมีชั้นบนชั้นบนชั้นของความซับซ้อน ระดับที่ง่ายที่สุดคือประตูลอจิกเช่นประตู NAND ตามที่กล่าวไว้จากนั้นคุณจะได้รับการเพิ่มเลื่อนลงทะเบียนสลัก ฯลฯ จากนั้นคุณเพิ่มตรรกะสัญญาณนาฬิกาถอดรหัสการสอนแคชหน่วยเลขคณิตถอดรหัสที่อยู่ไปบนและบนและบน . (ไม่ต้องพูดถึงหน่วยความจำซึ่งต้องใช้ทรานซิสเตอร์หลายต่อบิตของข้อมูลที่เก็บไว้)

ทุกระดับเหล่านั้นใช้ชิ้นส่วนจำนวนมากจากระดับความซับซ้อนก่อนหน้าซึ่งทั้งหมดขึ้นอยู่กับจำนวนประตูตรรกะพื้นฐานจำนวนมาก

จากนั้นคุณเพิ่มการทำงานพร้อมกัน เพื่อให้ทำงานได้เร็วขึ้นและเร็วขึ้นคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ได้รับการออกแบบให้ทำสิ่งต่างๆมากมายในเวลาเดียวกัน ภายในคอร์ตัวเดียวตัวถอดรหัสที่อยู่หน่วยเลขคณิตตัวประมวลผลแบบเวกเตอร์ตัวจัดการแคชและระบบย่อยอื่น ๆ ทั้งหมดทำงานในเวลาเดียวกันทั้งหมดนี้มีระบบควบคุมและระบบจับเวลาของตัวเอง

คอมพิวเตอร์สมัยใหม่ยังมีคอร์แยกกันจำนวนมากขึ้น (CPU หลายตัวบนชิป)

ทุกครั้งที่คุณเพิ่มเลเยอร์สิ่งที่เป็นนามธรรมคุณจะมีความซับซ้อนมากขึ้น แม้แต่ความซับซ้อนในระดับต่ำสุดก็มีทรานซิสเตอร์นับพัน ขึ้นไปที่ระบบย่อยระดับสูงอย่างซีพียูและคุณกำลังพูดถึงทรานซิสเตอร์อย่างน้อยล้านตัว

จากนั้นก็มี GPU (หน่วยประมวลผลกราฟิก) GPU อาจมีตัวประมวลผลทศนิยมจำนวน THOUSAND แยกต่างหากที่ปรับให้เหมาะกับการทำคณิตศาสตร์เวกเตอร์และแต่ละโปรเซสเซอร์ย่อยจะมีทรานซิสเตอร์อยู่หลายล้านตัว

— ดันแคนซี
แหล่งที่มา

1

โดยไม่ต้องพยายามพูดถึงจำนวนทรานซิสเตอร์ที่จำเป็นสำหรับรายการเฉพาะซีพียูใช้ทรานซิสเตอร์มากขึ้นเพื่อเพิ่มความสามารถรวมถึง:

ชุดคำสั่งที่ซับซ้อนมากขึ้น
แคชบนชิปเพิ่มเติมเพื่อให้การดึงข้อมูลจาก RAM น้อยลง
ลงทะเบียนเพิ่มเติม
แกนประมวลผลเพิ่มเติม

— แดเนียลวิลสัน
แหล่งที่มา

1

นอกเหนือจากการเพิ่มขีดความสามารถในการจัดเก็บข้อมูลดิบของ RAM แคชการลงทะเบียนและการเพิ่มคอร์การคำนวณและความกว้างของบัสที่กว้างขึ้น (32 vs 64 บิตเป็นต้น) นั่นเป็นเพราะ CPU มีความซับซ้อนมากขึ้น

CPU คือหน่วยการคำนวณที่ประกอบด้วยหน่วยการคำนวณอื่น ๆ คำสั่ง CPU ต้องผ่านหลายขั้นตอน ในสมัยก่อนมีขั้นตอนเดียวและสัญญาณนาฬิกาจะนานเท่าเวลาที่เลวร้ายที่สุดสำหรับประตูตรรกะทั้งหมด (ทำจากทรานซิสเตอร์) เพื่อชำระ จากนั้นเราคิดค้นซับซับในที่ซึ่งซีพียูถูกแบ่งออกเป็นขั้นตอน: คำสั่งดึง, ถอดรหัส, ประมวลผลและเขียนผลลัพธ์ ซีพียู 4- สเตจที่ใช้งานง่ายนั้นสามารถวิ่งด้วยความเร็วสัญญาณนาฬิกา 4x นาฬิกาดั้งเดิม แต่ละสเตจแยกจากสเตจอื่น ซึ่งหมายความว่าไม่เพียง แต่ความเร็วสัญญาณนาฬิกาของคุณจะเพิ่มขึ้นเป็น 4x (ที่อัตราขยาย 4x) แต่ตอนนี้คุณสามารถมีคำสั่ง 4 เลเยอร์ (หรือ "pipelined") ในซีพียูส่งผลให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น 4x อย่างไรก็ตามตอนนี้ "อันตราย" ถูกสร้างขึ้นเพราะคำสั่งหนึ่งที่เข้ามาอาจขึ้นอยู่กับผลลัพธ์ของคำสั่งก่อนหน้า แต่เพราะ ไปป์ไลน์มันจะไม่ได้รับมันเมื่อมันเข้าสู่ขั้นตอนกระบวนการในขณะที่อีกคนหนึ่งออกจากขั้นตอนกระบวนการ ดังนั้นคุณต้องเพิ่มวงจรเพื่อส่งต่อผลลัพธ์นี้ไปยังคำสั่งที่เข้าสู่ขั้นตอนกระบวนการ ทางเลือกคือการถ่วงท่อซึ่งจะลดประสิทธิภาพ

แต่ละขั้นตอนไปป์ไลน์และโดยเฉพาะอย่างยิ่งส่วนกระบวนการสามารถแบ่งย่อยเป็นขั้นตอนมากขึ้น เป็นผลให้คุณสร้างวงจรจำนวนมากเพื่อจัดการการพึ่งพาระหว่างกันทั้งหมด (อันตราย) ในไปป์ไลน์

วงจรอื่น ๆ สามารถปรับปรุงได้เช่นกัน adder ดิจิตอลเล็ก ๆ น้อย ๆ ที่เรียกว่า adder "ripple carry" เป็น adder ที่ง่ายที่สุดเล็กที่สุด แต่ช้าที่สุด adder ที่เร็วที่สุดคือ adder "นำหน้าการมองไปข้างหน้า" และใช้วงจรจำนวนมหาศาล ในหลักสูตรวิศวกรรมคอมพิวเตอร์ของฉันฉันมีหน่วยความจำไม่เพียงพอในตัวจำลองการทำงานของ adder แบบมองไปข้างหน้าแบบ 32 บิตดังนั้นฉันจึงตัดครึ่งตัวเสริม CLA 2 16 บิตในการตั้งค่าระลอกคลื่น (การเพิ่มและการลบนั้นยากสำหรับคอมพิวเตอร์การคูณง่ายการหารนั้นยากมาก)

ผลข้างเคียงของทั้งหมดนี้คือเมื่อเราลดขนาดของทรานซิสเตอร์และแบ่งขั้นตอนต่างๆความถี่สัญญาณนาฬิกาสามารถเพิ่มขึ้นได้ สิ่งนี้ทำให้โปรเซสเซอร์สามารถทำงานได้มากขึ้นเพื่อให้ทำงานได้เร็วขึ้น ยิ่งไปกว่านั้นเมื่อความถี่เพิ่มความล่าช้าในการขยายพันธุ์จะชัดเจนมากขึ้น (เวลาที่ใช้สำหรับขั้นตอนไปป์ไลน์ให้เสร็จสมบูรณ์และสำหรับสัญญาณที่มีอยู่ในอีกด้านหนึ่ง) เนื่องจากความต้านทานความเร็วที่มีประสิทธิภาพของการแพร่กระจายคือประมาณ 1 ฟุตต่อนาโนวินาที (1 Ghz) เมื่อความเร็วสัญญาณนาฬิกาของคุณเพิ่มขึ้นรูปแบบชิปจะมีความสำคัญมากขึ้นเนื่องจากชิป 4 Ghz มีขนาดสูงสุด 3 นิ้ว ดังนั้นตอนนี้คุณต้องเริ่มต้นรวมทั้งรถประจำทางและวงจรเพิ่มเติมเพื่อจัดการข้อมูลทั้งหมดที่เคลื่อนไปรอบ ๆ ชิป

เรายังเพิ่มคำแนะนำให้กับชิปตลอดเวลา SIMD (คำสั่งเดียวหลายข้อมูล), ประหยัดพลังงาน, ฯลฯ พวกเขาทั้งหมดต้องใช้วงจร

สุดท้ายเราเพิ่มคุณสมบัติเพิ่มเติมให้กับชิป ในสมัยก่อน CPU และ ALU ของคุณ (หน่วยคำนวณทางคณิตศาสตร์) แยกจากกัน เรารวมพวกเขา FPU (หน่วยจุดลอยตัว) แยกต่างหากซึ่งรวมกันด้วย วันนี้เราเพิ่ม USB 3.0, การเร่งความเร็ววิดีโอ, การถอดรหัส MPEG ฯลฯ ... เราย้ายการคำนวณจากซอฟต์แวร์ไปยังฮาร์ดแวร์มากขึ้นเรื่อย ๆ

— user9170
แหล่งที่มา

1

Majenko มีคำตอบที่ดีเกี่ยวกับวิธีการใช้ทรานซิสเตอร์ ขอผมเปลี่ยนจากเวกเตอร์วิธีอื่นและจัดการกับประสิทธิภาพแทน

มันมีประสิทธิภาพหรือไม่ที่จะใช้ทรานซิสเตอร์น้อยที่สุดเมื่อคุณออกแบบบางอย่าง?

สิ่งนี้จะทำให้คุณมีประสิทธิภาพที่คุณกำลังพูดถึง บางทีคุณเป็นสมาชิกของศาสนาที่จำเป็นต้องใช้ทรานซิสเตอร์ให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในกรณีนี้คำตอบนั้นให้ไว้ค่อนข้างมาก หรือบางทีคุณเป็น บริษัท ที่สร้างผลิตภัณฑ์ ทันใดนั้นคำถามง่ายๆเกี่ยวกับประสิทธิภาพกลายเป็นคำถามที่ซับซ้อนมากเกี่ยวกับอัตราส่วนต้นทุนและผลประโยชน์

และที่นี่มา kicker - ทรานซิสเตอร์ในวงจรรวมมีราคาถูกมากและพวกเขาก็ถูกลงตามกาลเวลา (SSD เป็นตัวอย่างที่ยอดเยี่ยมของวิธีที่ทรานซิสเตอร์ถูกผลักลง) ในทางตรงกันข้ามแรงงานมีราคาแพงมาก

ในช่วงเวลาที่เพิ่งเริ่มต้น IC มีแรงผลักดันบางอย่างที่จะรักษาจำนวนองค์ประกอบที่ต้องการให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะทำได้ นี่เป็นเพียงเพราะพวกเขามีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อต้นทุนของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย (ในความเป็นจริงพวกเขามักจะเป็นค่าใช้จ่ายส่วนใหญ่ของผลิตภัณฑ์) และเมื่อคุณสร้างผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป "กล่อง" ต้นทุนแรงงานเป็น แผ่กระจายไปทั่วทุกชิ้นส่วนที่คุณทำ คอมพิวเตอร์ที่ใช้ไอซีรุ่นแรก (คิดว่าวิดีโออาร์เคด) ได้รับการผลักดันให้มีต้นทุนต่อชิ้นน้อยที่สุด อย่างไรก็ตามต้นทุนคงที่ (เมื่อเทียบกับต้นทุนต่อชิ้น) จะได้รับผลกระทบอย่างมากจากจำนวนเงินที่คุณสามารถขายได้ หากคุณกำลังจะขายคู่รักเพียงอย่างเดียวอาจไม่คุ้มค่าที่จะใช้เวลามากเกินไปในการลดต้นทุนต่อชิ้น หากคุณกำลังพยายามสร้างตลาดใหญ่ทั้งหมดในอีกทางหนึ่ง

สังเกตส่วนที่สำคัญ - มันสมเหตุสมผลที่จะลงทุนเวลามากในการปรับปรุง "ประสิทธิภาพ" เมื่อคุณกำลังออกแบบบางอย่างสำหรับการผลิตจำนวนมาก นี่คือสิ่งที่ "อุตสาหกรรม" คือ - กับช่างฝีมือต้นทุนแรงงานที่มีทักษะมักจะเป็นต้นทุนหลักของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปในโรงงานต้นทุนส่วนใหญ่มาจากวัสดุและแรงงานที่ไม่มีทักษะ (ค่อนข้าง)

ก้าวไปข้างหน้าอย่างรวดเร็วในการปฏิวัติพีซี เมื่อพีซีสไตล์ IBM เข้ามาพวกเขาก็โง่มาก โง่มาก ๆ เป็นคอมพิวเตอร์ที่ใช้งานทั่วไป สำหรับงานใด ๆ ที่คุณสามารถออกแบบอุปกรณ์ที่สามารถทำได้ดีกว่าเร็วกว่าถูกกว่า กล่าวอีกนัยหนึ่งในมุมมองประสิทธิภาพอย่างง่ายพวกเขาไม่มีประสิทธิภาพสูง เครื่องคิดเลขมีราคาถูกกว่ามากใส่ในกระเป๋าของคุณและวิ่งเป็นเวลานานแบตเตอรี่ เครื่องเล่นวิดีโอเกมมีฮาร์ดแวร์พิเศษที่ทำให้พวกเขาเก่งในการสร้างเกม ปัญหาคือพวกเขาไม่สามารถทำอะไรได้อีก พีซีสามารถทำทุกอย่างได้ - มันมีอัตราส่วนราคาต่อเอาท์พุตที่เลวร้ายกว่ามาก แต่คุณไม่ได้เรียนรู้การทำเครื่องคิดเลขหรือเล่นเกมคอนโซล 2D ทำไม Wolfenstein และ Doom (และใน Apple PC มาราธอน) ปรากฏในคอมพิวเตอร์ที่มีวัตถุประสงค์ทั่วไปและไม่ได้อยู่ในเกมคอนโซล เนื่องจากเครื่องเล่นเกมทำได้ดีมากในการเล่นเกมแบบ 2D Sprite (ลองนึกถึง JRPG ทั่วไปหรือเกมอย่าง Contra) แต่เมื่อคุณต้องการที่จะหลงทางจากฮาร์ดแวร์ที่มีประสิทธิภาพคุณจึงพบว่ามีพลังในการประมวลผลไม่เพียงพอที่จะทำสิ่งอื่น!

ดังนั้นวิธีการที่มีประสิทธิภาพน้อยลงอย่างเห็นได้ชัดให้ตัวเลือกที่น่าสนใจ:

มันช่วยให้คุณมีอิสระมากขึ้น เปรียบเทียบคอนโซล 2D เก่ากับพีซี IBM เครื่องเก่าและตัวเร่งกราฟิก 3D เก่ากับ GPU ที่ทันสมัยซึ่งค่อยๆกลายเป็นคอมพิวเตอร์ที่ใช้งานทั่วไปค่อนข้างช้าด้วยตัวเอง
ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตจำนวนมากแม้ว่าผลิตภัณฑ์สุดท้าย (ซอฟต์แวร์) คือ "ช่าง" ในบางวิธี ดังนั้น บริษัท อย่าง Intel สามารถลดต้นทุนการทำงานลงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่านักพัฒนารายบุคคลทั่วโลก
มันให้พื้นที่เพิ่มเติมสำหรับ abstractions มากขึ้นในการพัฒนาจึงอนุญาตให้นำกลับมาใช้ใหม่ได้ดีกว่าของโซลูชันที่พร้อมซึ่งจะช่วยลดต้นทุนในการพัฒนาและทดสอบเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีขึ้น นี่เป็นเหตุผลว่าทำไมเด็กนักเรียนทุกคนสามารถเขียนแอพพลิเคชั่นที่ใช้ GUI เต็มรูปแบบด้วยการเข้าถึงฐานข้อมูลและการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตและสิ่งอื่น ๆ ที่จะพัฒนาได้ยากมากหากคุณต้องเริ่มต้นจากศูนย์
ในพีซีสิ่งนี้ใช้เพื่อหมายความว่าแอปพลิเคชันของคุณจะเร็วขึ้นตามเวลาโดยที่คุณไม่ต้องป้อนข้อมูล เวลาว่างอาหารกลางวันส่วนใหญ่แล้วในตอนนี้เนื่องจากมันเริ่มหนักขึ้นและหนักขึ้นเพื่อปรับปรุงความเร็วของคอมพิวเตอร์ แต่มันก็เป็นตัวกำหนดอายุการใช้งานของพีซีส่วนใหญ่

ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นที่ "เสีย" ของทรานซิสเตอร์ แต่ไม่ใช่ของจริงเพราะค่าใช้จ่ายโดยรวมต่ำกว่าที่เป็นจริงหากคุณผลักดันให้ง่าย "เป็นทรานซิสเตอร์น้อยที่สุด"

— Luaan
แหล่งที่มา

1

อีกด้านของเรื่องราว "ทรานซิสเตอร์จำนวนมาก" คือทรานซิสเตอร์เหล่านี้ไม่ได้ออกแบบมาโดยมนุษย์ ซีพียูหลักที่ทันสมัยนั้นมีทรานซิสเตอร์อยู่ถึง 0.1 พันล้านตัวและไม่มีมนุษย์ออกแบบทรานซิสเตอร์ตัวใดตัวหนึ่งโดยตรง มันคงเป็นไปไม่ได้ อายุการใช้งาน 75 ปีเพียง 2.3 พันล้านวินาที

ดังนั้นเพื่อให้การออกแบบขนาดใหญ่เป็นไปได้มนุษย์มีส่วนร่วมในการกำหนดฟังก์ชั่นของอุปกรณ์ในระดับที่สูงกว่านามธรรมที่เป็นนามธรรมมากกว่าทรานซิสเตอร์แต่ละตัว การเปลี่ยนแปลงไปสู่ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวนั้นรู้จักกันในนามการสังเคราะห์วงจรและทำโดยเครื่องมือที่มีราคาแพงซึ่งเป็นกรรมสิทธิ์ซึ่งมีราคารวมกันตามคำสั่งของพันล้านดอลลาร์เพื่อพัฒนาในช่วงหลายปีที่ผ่านมา

เครื่องมือสังเคราะห์วงจรไม่ได้สร้างการออกแบบที่มีจำนวนทรานซิสเตอร์น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สิ่งนี้ทำด้วยเหตุผลมากมาย

อันดับแรกให้ครอบคลุมกรณีพื้นฐานที่สุด: วงจรที่ซับซ้อนใด ๆ สามารถจำลองได้โดยง่ายกว่ามากอาจเป็นอนุกรม CPU ที่มีหน่วยความจำเพียงพอ แน่นอนคุณสามารถจำลองชิป i7 ด้วยความแม่นยำที่สมบูรณ์แบบถ้าเพียงคุณต่ออนุกรม RAM กับ Arduino อย่างเพียงพอ วิธีการแก้ปัญหาดังกล่าวจะมีทรานซิสเตอร์น้อยกว่า CPU จริงและจะทำงานช้าลงอย่างช้าๆด้วยอัตราสัญญาณนาฬิกาที่มีประสิทธิภาพ 1kHz หรือน้อยกว่า ชัดเจนเราไม่ได้ตั้งใจลดจำนวนทรานซิสเตอร์ที่จะไปที่ไกล

ดังนั้นเราจึงต้อง จำกัด ตัวเองให้อยู่ในระดับที่แน่นอนของการเปลี่ยนรูปแบบการออกแบบเป็นทรานซิสเตอร์: ผู้ที่รักษาความจุขนานที่สร้างไว้ในการออกแบบดั้งเดิม

ถึงกระนั้นการปรับให้เหมาะสมสำหรับจำนวนทรานซิสเตอร์ที่น้อยที่สุดก็น่าจะสร้างการออกแบบที่ไม่สามารถผลิตได้โดยใช้กระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่ ทำไม? เนื่องจากชิปที่คุณสามารถสร้างเป็นโครงสร้าง 2 มิติและต้องการวงจรที่ซ้ำซ้อนเพียงเพื่อให้คุณสามารถเชื่อมต่อทรานซิสเตอร์เหล่านั้นโดยไม่ต้องใช้โลหะกิโลกรัมในการทำเช่นนั้น การเข้าและออกของทรานซิสเตอร์และประตูที่เกิดขึ้นมีความสำคัญ

ในที่สุดเครื่องมือไม่สมบูรณ์แบบตามหลักเหตุผล: โดยปกติแล้วมันต้องใช้เวลา CPU และหน่วยความจำมากเกินไปในการสร้างวิธีแก้ปัญหาที่น้อยที่สุดทั่วโลกในแง่ของหมายเลขทรานซิสเตอร์เนื่องจากข้อ จำกัด ของชิปที่สามารถผลิตได้

— Reinstate Monica
แหล่งที่มา

0

ฉันคิดว่าสิ่งที่ OP จำเป็นต้องรู้คือ 'สวิตช์แบบง่าย' มักจะต้องการทรานซิสเตอร์หลายตัว? ทำไม? ด้วยเหตุผลหลายประการ บางครั้งจำเป็นต้องมีทรานซิสเตอร์เพิ่มเติมเพื่อให้การใช้พลังงานต่ำสำหรับสถานะ 'เปิด' หรือ 'ปิด' บางครั้งทรานซิสเตอร์จำเป็นต้องใช้เพื่อจัดการกับความไม่แน่นอนในอินพุตแรงดันไฟฟ้าหรือข้อมูลจำเพาะส่วนประกอบ เหตุผลมากมาย แต่ฉันขอขอบคุณจุด ดูแผนภาพวงจรของ OP-AMP และคุณเห็นทรานซิสเตอร์สักสองสามตัว! แต่พวกเขาจะไม่อยู่ที่นั่นถ้าพวกเขาไม่ได้ใช้วงจรนี้

— Jiminion
แหล่งที่มา

0

โดยทั่วไปคอมพิวเตอร์ทุกเครื่องเข้าใจเป็น 0s และ 1s .. ซึ่งตัดสินใจโดยสวิตช์เหล่านี้ .. ใช่ฟังก์ชั่นของทรานซิสเตอร์มีมากกว่าสวิตช์ ดังนั้นหากสวิตช์สามารถตัดสินใจได้ว่าเอาต์พุตจะต้องเป็น 0 หรือ 1 (สมมติว่าเป็นการทำงานแบบสองทางเดียว) ยิ่งจำนวนบิตมากขึ้น ยิ่งทรานซิสเตอร์ .. ไม่ต้องสงสัยเลยว่าทำไมเราต้องฝังทรานซิสเตอร์หลายล้านตัวไว้ในไมโครโปรเซสเซอร์เดียว .. :)

0

ในยุคของเทคโนโลยีเราต้องการอุปกรณ์สมาร์ทโฟน (เล็กเร็วและมีประสิทธิภาพ) อุปกรณ์เหล่านี้ประกอบด้วยวงจรรวม (ไอซี) ซึ่งมีหมายเลข ของทรานซิสเตอร์ เราต้องการทรานซิสเตอร์มากขึ้นเพื่อให้ IC ฉลาดขึ้นและเร็วขึ้นเพราะในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทุกวงจรใน IC นั้นทำจาก adder, subs-tractor, ตัวคูณ, ตัวหาร, ตัวแบ่ง, ประตูตรรกะ, รีจิสเตอร์, multiplexers, flip flops, เคาน์เตอร์, จำความจำ และไมโครโปรเซสเซอร์ ฯลฯ เพื่อใช้ตรรกะในอุปกรณ์และสิ่งเหล่านี้ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์เท่านั้น (MOSFET) ด้วยความช่วยเหลือของทรานซิสเตอร์เราสามารถใช้ตรรกะใด ๆ ดังนั้นเราจึงต้องการทรานซิสเตอร์มากขึ้นเรื่อย ๆ .....

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

— Deepak Berwal
แหล่งที่มา