سی‌پی‌یو چگونه ساخته می‌شود؟

سی‌پی‌یو

نتیجه دهه‌ها مهندسی هوشمندانه، عملکرد جادویی سی‌پی‌یو است.
امروزه ترانزیستورها -بلاک‌های سازنده تمام میکرو‌چیپ‌ها- تا اندازه‌‌های میکروسکوپی کوچک شده‌اند. همین طور روش ساختن آن‌ها از همیشه پیچیده‌تر شده است.

لیتوگرافی نوری:

سی‌پی‌یو

در حال حاضر ترانزیستورها به قدری کوچک شده‌اند که با روش‌های نرمال قابل ساخت نیستند. در حالی که تراش‌های دقیق و حتی چاپگرهای سه‌بعدی قادر به خلق محصولات پیچیده با دقت میکرومتر (در حدود یک سی‌هزارم اینچ) هستند، اما برای مقیاس نانومتری تراشه‌های امروزه مناسب نیستند‌.
لیتوگرافی نوری این نیاز را با حذف مشکل حرکت دادن ماشین‌آلات پیچیده حل می‌کند و در عوض از نور برای حکاکی تصویر روی تراشه استفاده می‌کند. مانند یک پروژکتور قدیمی اما در عوض مقیاس شابلون را تا دقت دلخواه پایین می‌آورد. تصویر بر روی ویفر سیلیکونی که با دقت بسیار بالا در آزمایشگاه‌های کنترل‌شده طراحی شده است، تابیده می‌شود؛ چرا که هر ذره گرد و غبار روی ویفر می‌تواند باعث هدر رفتن هزاران دلار شود.
ویفر با یک ماده به نام فتورزیست پوشیده شده است که به نور واکنش داده و شسته می‌شود و یک شیار سی‌پی‌یو قابل پر شدن با مس ایجاد می‌کند تا تشکیل ترانزیستور بدهد.
مانند یک چاپگر سه‌بعدی که لایه‌های پلاستیکی ایجاد می‌کند این فرآیند بارها تکرار می‌شود تا سی‌پی‌یو شبیه‌سازی شود.

مشکل لیتوگرافی نوریِ نانو‌مقیاس چیست؟

سی‌پی‌یو

اگر پردازنده‌ای که ساخته‌ شده است، غیر قابل استفاده باشد دیگر کوچکی آن مهم نیست. تکنولوژی نانومقیاس مشکلات فیزیکی فراوانی دارد.
ترانزیستور‌ها باید جریان برق را هنگامی که خاموش هستند متوقف کنند، اما مقیاس آن‌ها به قدری کوچک شده است که الکترون‌ها می‌توانند از آن‌ها عبور کنند.
این موضوع «تونل‌زنی کوانتومی» نام دارد که مشکل مهمی برای مهندسین سیلیکون شده است.
نقص‌ها مشکل دیگری هستند. حتی لیتوگرافی دارای مشکلاتی در دقت است، مشابه به یک تصویر تار از پروژکتور که زمان بالا رفتن و پایین آمدن وضوح ندارد.
در حال حاضر کارخانجات در تلاش برای کاهش این اثر با استفاده از نور شدید ماوراء بنفش با طول موج بسیار بالاتر از دید انسان به وسیله لیزر در یک اتاق خلاء هستند. اما همچنان با کوچکتر شدن اندازه‌ها مشکلات باقی می‌مانند.
گاهی اوقات ممکن است نقص‌ها به کمک یک فرایند به نام binning کاهش یابد. اگر نقص به هسته پردازنده نفوذ کند، این هسته غیرفعال می‌شود و تراشه با ارزان‌ترین قیمت فروخته می‌شود.
در واقع، اکثر ترکیبات CPU با استفاده از یک طرح مشابه تولید می‌شوند، اما هسته‌ها غیر‌فعال شده و با قیمت پایین فروخته می‌شوند. اگر نقص به کش و یا یکی دیگر از اجزای مهم ضربه بزند، ممکن است این تراشه از بین برود، که منجر به بازده پایین‌تر و افزایش قیمت می‌شود. گره‌های فرآیندهای جدیدتر، مانند 7 نانومتر و 10 نانومتر، نرخ آسیب بیشتری خواهند داشت و در نتیجه گران‌تر خواهند بود.

بسته‌بندی پردازنده

سی‌پی‌یو

بسته بندی پردازنده برای مصرف‌کننده بیشتر از صرفا قرار دادن آن در یک جعبه با فوم پلی‌استایرن است. هنگامی که ساخت پردازنده به پایان رسید، این قطعه هنوز غیرقابل استفاده است مگر آنکه بتواند به بقیه سیستم متصل شود. فرآیند “بسته بندی” اشاره به روشی است که سیلیکون‌دای ظریف آن را به PCB -که بیشتر مردم آن را به عنوان “پرازنده” می‌شناسند- متصل می‌کنند.
این فرآیند نیازمند دقت بسیار بالایی است اما نه به اندازه مراحل قبل.
سی‌پی‌یودای به یک برد سیلیکونی وصل شده است و اتصالات الکتریکی در تمام پین‌ها با مادربرد برقرار است. پردازنده‌های مدرن می‌توانند هزاران پین داشته باشند.
از آنجا که پردازنده گرمای زیادی تولید می‌کند یک پخش‌کننده گرما یکپارچه (IHS) در بالای آن تعبیه شده است. که باعث انتقال حرارت دای به کولر بالای پردازنده می‌شود.
خمیر حرارتی (TIM) استفاده شده برای ایجاد این اتصال به اندازه کافی خوب نیست. به این علت کاربران TIM بین دای و IHS را جایگزین می‌کنند.
هنگامی که همه چیز به هم متصل شد، پردازنده در جعبه‌های واقعی بسته بندی می‌شوند تا آماده اتصال به رایانه آینده شما شود. با توجه به پیچیدگی تولید، تعجب‌آور است که بیشتر پردازنده‌ها تنها چند صد دلار قیمت دارند!

نوشته سی‌پی‌یو چگونه ساخته می‌شود؟ اولین بار در وب‌سایت فناوری پدیدار شد.

سی‌پی‌یو چگونه ساخته می‌شود؟

سی‌پی‌یو

نتیجه دهه‌ها مهندسی هوشمندانه، عملکرد جادویی سی‌پی‌یو است.
امروزه ترانزیستورها -بلاک‌های سازنده تمام میکرو‌چیپ‌ها- تا اندازه‌‌های میکروسکوپی کوچک شده‌اند. همین طور روش ساختن آن‌ها از همیشه پیچیده‌تر شده است.

لیتوگرافی نوری:

سی‌پی‌یو

در حال حاضر ترانزیستورها به قدری کوچک شده‌اند که با روش‌های نرمال قابل ساخت نیستند. در حالی که تراش‌های دقیق و حتی چاپگرهای سه‌بعدی قادر به خلق محصولات پیچیده با دقت میکرومتر (در حدود یک سی‌هزارم اینچ) هستند، اما برای مقیاس نانومتری تراشه‌های امروزه مناسب نیستند‌.
لیتوگرافی نوری این نیاز را با حذف مشکل حرکت دادن ماشین‌آلات پیچیده حل می‌کند و در عوض از نور برای حکاکی تصویر روی تراشه استفاده می‌کند. مانند یک پروژکتور قدیمی اما در عوض مقیاس شابلون را تا دقت دلخواه پایین می‌آورد. تصویر بر روی ویفر سیلیکونی که با دقت بسیار بالا در آزمایشگاه‌های کنترل‌شده طراحی شده است، تابیده می‌شود؛ چرا که هر ذره گرد و غبار روی ویفر می‌تواند باعث هدر رفتن هزاران دلار شود.
ویفر با یک ماده به نام فتورزیست پوشیده شده است که به نور واکنش داده و شسته می‌شود و یک شیار سی‌پی‌یو قابل پر شدن با مس ایجاد می‌کند تا تشکیل ترانزیستور بدهد.
مانند یک چاپگر سه‌بعدی که لایه‌های پلاستیکی ایجاد می‌کند این فرآیند بارها تکرار می‌شود تا سی‌پی‌یو شبیه‌سازی شود.

مشکل لیتوگرافی نوریِ نانو‌مقیاس چیست؟

سی‌پی‌یو

اگر پردازنده‌ای که ساخته‌ شده است، غیر قابل استفاده باشد دیگر کوچکی آن مهم نیست. تکنولوژی نانومقیاس مشکلات فیزیکی فراوانی دارد.
ترانزیستور‌ها باید جریان برق را هنگامی که خاموش هستند متوقف کنند، اما مقیاس آن‌ها به قدری کوچک شده است که الکترون‌ها می‌توانند از آن‌ها عبور کنند.
این موضوع «تونل‌زنی کوانتومی» نام دارد که مشکل مهمی برای مهندسین سیلیکون شده است.
نقص‌ها مشکل دیگری هستند. حتی لیتوگرافی دارای مشکلاتی در دقت است، مشابه به یک تصویر تار از پروژکتور که زمان بالا رفتن و پایین آمدن وضوح ندارد.
در حال حاضر کارخانجات در تلاش برای کاهش این اثر با استفاده از نور شدید ماوراء بنفش با طول موج بسیار بالاتر از دید انسان به وسیله لیزر در یک اتاق خلاء هستند. اما همچنان با کوچکتر شدن اندازه‌ها مشکلات باقی می‌مانند.
گاهی اوقات ممکن است نقص‌ها به کمک یک فرایند به نام binning کاهش یابد. اگر نقص به هسته پردازنده نفوذ کند، این هسته غیرفعال می‌شود و تراشه با ارزان‌ترین قیمت فروخته می‌شود.
در واقع، اکثر ترکیبات CPU با استفاده از یک طرح مشابه تولید می‌شوند، اما هسته‌ها غیر‌فعال شده و با قیمت پایین فروخته می‌شوند. اگر نقص به کش و یا یکی دیگر از اجزای مهم ضربه بزند، ممکن است این تراشه از بین برود، که منجر به بازده پایین‌تر و افزایش قیمت می‌شود. گره‌های فرآیندهای جدیدتر، مانند 7 نانومتر و 10 نانومتر، نرخ آسیب بیشتری خواهند داشت و در نتیجه گران‌تر خواهند بود.

بسته‌بندی پردازنده

سی‌پی‌یو

بسته بندی پردازنده برای مصرف‌کننده بیشتر از صرفا قرار دادن آن در یک جعبه با فوم پلی‌استایرن است. هنگامی که ساخت پردازنده به پایان رسید، این قطعه هنوز غیرقابل استفاده است مگر آنکه بتواند به بقیه سیستم متصل شود. فرآیند “بسته بندی” اشاره به روشی است که سیلیکون‌دای ظریف آن را به PCB -که بیشتر مردم آن را به عنوان “پرازنده” می‌شناسند- متصل می‌کنند.
این فرآیند نیازمند دقت بسیار بالایی است اما نه به اندازه مراحل قبل.
سی‌پی‌یودای به یک برد سیلیکونی وصل شده است و اتصالات الکتریکی در تمام پین‌ها با مادربرد برقرار است. پردازنده‌های مدرن می‌توانند هزاران پین داشته باشند.
از آنجا که پردازنده گرمای زیادی تولید می‌کند یک پخش‌کننده گرما یکپارچه (IHS) در بالای آن تعبیه شده است. که باعث انتقال حرارت دای به کولر بالای پردازنده می‌شود.
خمیر حرارتی (TIM) استفاده شده برای ایجاد این اتصال به اندازه کافی خوب نیست. به این علت کاربران TIM بین دای و IHS را جایگزین می‌کنند.
هنگامی که همه چیز به هم متصل شد، پردازنده در جعبه‌های واقعی بسته بندی می‌شوند تا آماده اتصال به رایانه آینده شما شود. با توجه به پیچیدگی تولید، تعجب‌آور است که بیشتر پردازنده‌ها تنها چند صد دلار قیمت دارند!

نوشته سی‌پی‌یو چگونه ساخته می‌شود؟ اولین بار در وب‌سایت فناوری پدیدار شد.

تمام چیزی که باید در مورد نحوه عملکرد CPU بدانید

Capture-3 تمام چیزی که باید در مورد نحوه عملکرد CPU بدانید

درک نحوه کارکرد اکثر اجزای کامپیوتر کار نسبتا آسانی است. رم، حافظه ذخیره‌سازی، لوازم‌جانبی و نرم‌افزار همگی با هدف شکل دادن به یک عملیات کامپیوتری با یکدیگر همکاری می‌کنند. اما CPU قلب تپنده سیستم شما به‌شمار می‌آید و ظاهرا عملکرد آن حتی به عقیده بسیاری از افراد فنی نیز اسرارآمیز به‌نظر می‌رسد. در ادامه تلاش شده تا چگونگی عملکرد CPU به‌طور کامل تشریح شود. اکثر منابع تحقیقاتی برای این مقاله از کتاب “But How Do It Know” نوشته جی‌کلارک اسکات استخراج شده‌اند.

What-is-CPU-Featured-670x335 تمام چیزی که باید در مورد نحوه عملکرد CPU بدانید

پیش از آغاز کار بایستی یک نکته را مدنظر قرارداد. CPUهای مدرن در مقایسه با نمونه‌های بررسی شده در این مقاله به مراتب پیچیده‌تر هستند. تقریبا غیرممکن است که یک نفر قادر به درک کلیه ظرافت‌های تراشه‌ای با بیش از یک میلیارد ترانزیستور باشد. با این‌حال اصول پایه برای نحوه قرارگیری این اجزا در کنار یکدیگر، یکسان باقی می‌ماند و فهم این اصول، امکان درک بهتر عملکرد سیستم‌های مدرن را برای شما فراهم خواهد کرد.

شروع با اجزای کوچک

74D59993-C295-4CA6-AF15-F3A7A01D5E6F تمام چیزی که باید در مورد نحوه عملکرد CPU بدانید

کامپیوترها در مبنای دودویی عمل می‌کنند و تنها قادر به درک 2 وضعیت روشن و خاموش هستند. این سیستم‌ها به منظور اجرای محاسبات باینری از المانی موسوم به ترانزیستور بهره می‌گیرند. ترانزیستور تنها در صورت وجود جریان در سراسر گیت به جریان منبع اجازه عبور و تخلیه خواهد داد. این المان اساسا یک سوئیچ دودویی را ایجاد نموده و بسته به سیگنال ورودی دوم، جریان سیم را قطع می‌کند. کامپیوترهای مدرن به منظور انجام محاسبات از میلیاردها ترانزیستور استفاده می‌کنند. اما در پایین‌ترین سطح شما بایستی نسبت به عملکرد چند نمونه از بنیادی‌ترین اجزا که با نام گیت نیز شناخته می‌شوند، آگاهی پیدا کنید.

گیت‌های منطقی

7B58FA00-8009-4C98-8D23-C7AE5713DD6A تمام چیزی که باید در مورد نحوه عملکرد CPU بدانید

برای دستیابی به درکی درست از نحوه کارکرد ترانزیستور بایستی با المان‌هایی موسوم به گیت‌های منطقی آشنا شویم. گیت‌های منطقی، 2 ورودی باینری را دریافت نموده و پس از انجام عملیات بر روی آن‌ها، یک خروجی را بازگردانی می‌کنند. به‌عنوان مثال در صورتی‌که یکی از ورود‌ی‌ها صحیح باشند، گیت OR مقدار صحیح را بازمی‌گرداند. گیت AND صحیح بودن هر 2 ورودی را بررسی می‌کند. گیت XOR صحت تنها یکی از ورودی‌ها را ارزیابی نموده و گیت‌های منفی شامل NOR، NAND و XNOR نیز نسخه‌های معکوس شده گیت‌های پایه‌ای خود محسوب می‌شوند.

اجرای عملیات ریاضی با گیت‌ها

C0B67AE8-DD24-44A7-AC53-D37F8369C9BA تمام چیزی که باید در مورد نحوه عملکرد CPU بدانید

با وجود تنها 2 گیت شما قادر به انجام عملیات ابتدایی جمع دودویی خواهید بود. نمودار بالا یک نیم جمع‌کننده (half adder) را نمایش می‌دهد. این دیاگرام با استفاده از Logicly که یک بستر رایگان و آنلاین برای طراحی گیت‌های منطقی است، ایجاد شده است. در این‌جا تنها در صورت روشن شدن یکی از ورودی‌ها و نه هر دو آن‌ها، گیت XOR روشن خواهد شد. در صورت روشن بودن هر 2 ورودی، گیت AND روشن می‌شود؛ اما با عدم وجود ورودی در وضعیت خاموش باقی خواهد ماند. بنابراین اگر هر 2 ورودی روشن باشند، گیت XOR در وضعیت خاموش باقی مانده و گیت AND روشن می‌شود. این وضعیت در 2 حالت به پاسخ درست منجر خواهد شد:

722A5391-78E7-4F78-ABB4-444AF62E635A تمام چیزی که باید در مورد نحوه عملکرد CPU بدانید

این موضوع یک پیکره‌بندی ساده با 3 خروجی متمایز 0، 1 و 2 را در اختیار ما قرار خواهد داد. اما یک بیت قادر به ذخیره‌سازی مقادیر بزرگ‌تر از 1 نیست و این دستگاه چندان مفید نخواهد بود؛ زیرا تنها یکی از ساده‌ترین مسائل ریاضی ممکن را حل می‌کند. اما این مدار تنها نمایانگر یک نیم جمع‌کننده است و در صورتی‌که 2 عدد از آن‌ها را به یک ورودی دیگر متصل نمایید، یک جمع‌کننده کامل (full adder) ایجاد خواهد شد:

Capture-1 تمام چیزی که باید در مورد نحوه عملکرد CPU بدانید

جمع‌کننده کامل دارای 3 ورودی است که 2 عدد از آن‌ها برای جمع و یکی به‌عنوان رقم نقلی (carry) استفاده می‌شود. هنگامی‌که فضای لازم برای ذخیره‌سازی عدد نهایی از ظرفیت یک بیت فراتر می‌رود، رقم نقلی به‌کارگیری خواهد شد. جمع‌کننده‌های کامل در یک زنجیره متصل خواهند شد و رقم نقلی از یک جمع‌کننده به جمع‌کننده بعدی منتقل می‌شود. این رقم به نتیجه گیت XOR در اولین نیم جمع‌کننده اضافه خواهد شد و برای مدیریت هر 2 حالتی که ورودی‌های ترانزیستور بایستی روشن باشند نیز از یک گیت OR اضافی استفاده می‌شود.

زمانی‌که هر 2 ورودی روشن هستند، رقم نقلی روشن شده و به جمع‌کننده کامل بعدی در زنجیره ارسال خواهد شد.

Capture-2 تمام چیزی که باید در مورد نحوه عملکرد CPU بدانید

این موضوع موجب ایجاد پیچیدگی مضاعف می‌شود. افزایش تعداد بیت‌ها، اساسا به معنای افزایش تعداد جمع‌کننده‌های کامل در یک زنجیره طولانی‌تر است.

اکثر عملیات‌های ریاضی دیگر به کمک عمل جمع قابل‌ اجرا خواهند بود. عملیات ضرب تنها همان عمل جمعی است که بارها تکرار می‌شود. تفریق از طریق معکوس نمودن یک بیت خیالی قابل‌انجام بوده و تقسیم در واقع همان تکرار عمل تفریق خواهد بود. اگرچه تمامی کامپیوترهای مدرن به منظور افزایش سرعت اجرای اعمال پیچیده‌تر مجهز به راه‌حل‌های مبتنی بر سخت‌افزار هستند؛ اما به لحاظ فنی شما با استفاده از یک جمع‌کننده کامل قادر به انجام کلیه آن‌ها خواهید بود.

مفهوم گذرگاه و حافظه

C1CA7358-64C3-44BF-9285-9E36F68A09B8 تمام چیزی که باید در مورد نحوه عملکرد CPU بدانید

تا این‌جا کامپیوتر ما چیزی بیش از یک ماشین‌حساب بد نیست. چرا که نمی‌تواند هیچ چیزی را به‌خاطر بسپارد و با خروجی‌های خود نیز هیچ کاری انجام نمی‌دهد. دیاگرام بالا یک سلول حافظه که قادر به انجام کلیه امورات مذکور است را نمایش می‌دهد. در دل این سلول از تعداد زیادی گیت NAND استفاده می‌شود. این سلول در دنیای واقعی و بسته به تکنیک ذخیره‌سازی می‌تواند کاملا متفاوت باشد؛ اما عملکرد آن یکسان خواهد بود. شما چندین ورودی را به حافظه ارایه نموده و بیت “نوشتن” را روشن می‌کنید. بدین ترتیب ورودی‌ها در داخل سلول ذخیره خواهند شد. این تنها یک سلول حافظه نیست؛ چرا که ما به روشی برای خواندن اطلاعات از آن نیز احتیاج خواهیم داشت. این‌کار با استفاده از یک فعال‌ساز انجام می‌شود که مجموعه‌ای از گیت‌های AND برای هر بیت موجود در حافظه است. همگی این‌ها به یک ورودی دیگر با نام بیت “خواندن” متصل هستند. بیت‌های نوشتن و خواندن غالبا تحت عنوان set و enable نیز نام‌گذاری می‌شوند.

تمامی این پکیج در قالب مجموعه‌ای با نام رجیستر یا ثبات قرار می‌گیرد. این رجیسترها به گذرگاه یا باس متصل هستند. گذرگاه مجموعه‌ای از ارتباطات است که در سراسر سیستم پیاده شده و به کلیه اجزاء متصل می‌شود. حتی کامپیوترهای مدرن امروزی نیز دارای یک گذرگاه هستند؛ اگرچه این ماشین‌ها به منظور بهبود عملکرد مالتی‌تسکینگ احتمالا مجهز به چندین باس خواهند بود.

781A7302-6B1A-483A-BEC4-A91003D8C5E7 تمام چیزی که باید در مورد نحوه عملکرد CPU بدانید

هر رجیستر همچنان دارای یک بیت خواندن و نوشتن است؛ اما در این پیکره‌بندی، ورودی و خروجی موجودیت‌های یکسانی هستند. این موضوع واقعا خوب است. به‌عنوان مثال در صورتی‌که مایل باشید محتوای ثبات R1 را در رجیستر R2 کپی نمایید، بیت خواندن ثبات R1 را روشن می‌کنید. بدین ترتیب محتوای ثبات R1 بر روی گذرگاه قرار می‌گیرد. در حالی‌که بیت خواندن روشن است، بیت نوشتن ثبات R2 را روشن خواهید کرد. با این اقدام، محتوای گذرگاه بر روی ثبات R2 کپی می‌شود.

ثبات‌ها برای ساخت حافظه‌های رم نیز به‌کار گرفته می‌شوند. رم غالبا در بستر یک شبکه با سیم‌هایی در 2 جهت قرار می‌گیرد:

0A0A5260-DD4F-4E63-A4B5-D86C50C8B531 تمام چیزی که باید در مورد نحوه عملکرد CPU بدانید

دیکدرها یک ورودی باینری را دریافت نموده و سیم با شماره مربوطه را فعال می‌کنند. به‌عنوان مثال عدد 11 در مبنای 2 معادل 3 در مبنای 10 بوده و بزرگ‌ترین عدد 2 بیتی به‌شمار می‌آید؛ بنابراین دیکدر بالاترین سیم را روشن خواهد کرد. در هر تقاطع، یک رجیستر وجود دارد و تمامی آن‌ها به گذرگاه مرکزی و یک ورودی مرکزی خواندن و نوشتن متصل هستند. هر 2 ورودی خواندن و نوشتن تنها در صورتی روشن خواهند شد که 2 سیم عبورکننده از ثبات نیز روشن باشند. این موضوع به‌طور موثر اجازه می‌دهد تا به انتخاب خود، عملیات خواندن یا نوشتن روی ثبات را تعیین نمایید. مجددا بایستی یادآوری کرد که یک رم مدرن، بسیار پیچیده‌تر است؛ اما این پیکره‌بندی همچنان عمل می‌کند.

مفهوم ساعت، Stepper و دیکدر

ثبات‌ها در همه‌جا مورد استفاده قرار می‌گیرند و ابزاری اساسی جهت انتقال داده و ذخیره‌سازی اطلاعات در CPU به‌شمار می‌آیند. اما چه چیزی فرمان جابه‌جایی اطلاعات را به آن‌ها ارسال می‌کند؟

کلاک یا ساعت، نخستین قسمت در هسته CPU است که در فواصل زمانی معین خاموش و روشن خواهد شد. این مشخصه بر حسب واحد هرتز یا سیکل برثانیه سنجیده شده و همان سرعتی است که در تبلیغات CPUها نیز به چشم می‌خورد. یک تراشه 5 گیگاهرتزی قادر به اجرای 5 میلیارد چرخه در هر ثانیه است. سرعت کلاک غالبا یک معیار بسیارمناسب برای سنجش سرعت CPU محسوب می‌شود.

A57AA82B-3EA5-4AFE-9E74-2298C185235D تمام چیزی که باید در مورد نحوه عملکرد CPU بدانید

کلاک دارای 3 وضعیت متفاوت است: ساعت پایه (base)، ساعت فعال (enable) و ساعت تنظیم (set)

ساعت پایه برای نیمی از یک چرخه روشن و برای نیمی دیگر خاموش خواهد بود. ساعت فعال به منظور روشن نمودن ثبات‌ها به‌کار گرفته می‌شود. جهت اطمینان از فعال شدن داده، این ساعت برای مدت زمان طولانی‌تری روشن خواهد ماند. ساعت تنظیم نیز هم‌زمان با ساعت فعال همواره بایستی روشن باشد؛ در غیر این‌صورت داده‌ها می‌توانند به شکل نادرست نوشته شوند.

کلاک به یک Stepper متصل می‌شود که از عدد 1 تا گام بیشینه را شمارش نموده و با انجام کار مجددا به عدد 1 باز خواهد گشت. بعلاوه برای هر ثباتی که CPU قادر به نوشتن اطلاعات بر روی آن‌ها است، کلاک به گیت‌های AND نیز اتصال پیدا می‌کند:

E90B8F25-EFA7-4630-B6BA-B086BDC71AB9 تمام چیزی که باید در مورد نحوه عملکرد CPU بدانید

این گیت‌های AND به خروجی یک جزء دیگر با نام رمزگشای دستورالعمل‌ها متصل هستند. دیکدر دستوراتی نظیر “SET R2 TO R1” را دریافت نموده و آن‌را به شکلی که برای CPU قابل‌فهم باشد، رمزگشایی می‌کند. دیکدر از رجیسترهای داخلی خاص خود موسوم به “ثبات دستورالعمل” بهره می‌گیرد و عملیات جاری نیز در این ثبات ذخیره می‌شود. نحوه دقیق انجام این‌کار به سیستم در حال اجرا توسط شما وابسته خواهد بود. اما با رمزگشایی دستورالعمل، بیت‌های set و enable مناسب برای رجیستر مربوطه روشن شده و مطابق با ساعت پردازنده، خاموش خواهند شد.

دستورالعمل‌های برنامه در حافظه رم (یا در سیستم‌های پیشرفته‌تر بر روی حافظه کش L1 که به CPU نزدیک‌تر است) ذخیره خواهند شد. از آن‌جا که داده‌های برنامه در ثبات‌ها ذخیره می‌شوند، لذا دقیقا همانند هر متغیر دیگری می‌توانند حین فرآیند انتقال یا پرش دچار تغییر شوند. به این ترتیب برنامه‌ها در ساختار خود از حلقه‌ها و گزاره‌های if استفاده می‌کنند. یک دستور پرش، موقعیت فعلی در حافظه را تعیین می‌کند؛ موقعیتی که داده‌های موجود در آن توسط دیکدر دستورالعمل خوانده شده و به مکانی متفاوت منتقل می‌شوند.

چگونگی کارکرد کلیه اجزا در کنار یکدیگر

FEF2BE7F-2810-4310-ADBB-ED359FB3321A تمام چیزی که باید در مورد نحوه عملکرد CPU بدانید

اکنون تحلیل بسیار پیش ‌پا افتاده ما از نحوه عملکرد CPU تکمیل شده است. گذرگاه اصلی تمامی فضای سیستم را فرا گرفته و به کلیه ثبات‌ها متصل می‌شود. جمع‌کننده‌های کامل به همراه مجموعه‌ای از عملیات‌های دیگر در قالب واحد محاسبات منطقی یا ALU گنجانده شده‌اند. این ALU دارای ارتباطاتی با گذرگاه بوده و برای ذخیره‌سازی عمل ثانویه خود نیز از ثبات‌های داخلی بهره خواهد برد.

به منظور انجام محاسبات، داده‌های برنامه از حافظه رم سیستم دریافت شده و در قسمت کنترل بارگذاری می‌شوند. واحد کنترل 2 عدد را از RAM می‌خواند. سپس اولین رقم را در ثبات دستورالعمل ALU بارگذاری نموده و در ادامه رقم دوم را بر روی گذرگاه قرار می‌دهد. در همین‌حال، یک کد دستورالعمل نیز به ALU ارسال شده و مشخص می‌کند که ALU بایستی چه کاری را انجام دهد. در ادامه ALU کلیه محاسبات را انجام داده و نتیجه را در ثبات متفاوتی ذخیره می‌کند. CPU قادر است داده‌ها را از این ثبات خوانده و سپس ادامه فرآیند را دنبال نماید.

نوشته تمام چیزی که باید در مورد نحوه عملکرد CPU بدانید اولین بار در وب‌سایت فناوری پدیدار شد.

ساخت ترانزیستوری که تولید نمایشگرهای تاشو را راحت تر می کند

مطلب ساخت ترانزیستوری که تولید نمایشگرهای تاشو را راحت تر می کند برای اولین بار در وب سایت تکراتو - اخبار روز تکنولوژی نوشته شده است. - تکراتو - اخبار روز تکنولوژی - - https://techrato.com/

اختراع یک ترانزیستور راحت تر شدن تولید نمایشگرهای تاشو را باعث شده است. محققان دانشگاه های منچستر انگلیس و شاندونگ چین این ترانزیستور را اختراع کرده اند. به گزارش تکراتو، اختراع این ترانزیستور جدید باعث شده تا تولید نمایشگرهای تاشو راحت تر شود. این ترانزیستور تولید تلویزیون ها، گوشی ها و تبلت هایی با نمایشگر...

مطلب ساخت ترانزیستوری که تولید نمایشگرهای تاشو را راحت تر می کند برای اولین بار در وب سایت تکراتو - اخبار روز تکنولوژی نوشته شده است. - تکراتو - اخبار روز تکنولوژی - - https://techrato.com/

محققان موفق به ساخت کوچکترین ترانزیستور دنیا شدند

محققان موفق به ساخت کوچکترین ترانزیستور دنیا شدند

ما همیشه به دنبال قطعات کوچکتر و کوچکتری بودیم تا بتوانیم آنها را در مدارهای مجتمع قرار دهیم. حال محققان ما را یک قدم به این هدف نزدیکتر کرده‌اند. این محققان موفق به ساخت سوییچی با دریچه یک نانومتری شدند. اما بر خلاف ترانزیستورهای معمولی، ترانزیستور جدید از سیلیکون ساخته نمی‌شود.

این ترانزیستور که توسط محققان دانشگاه کالیفرنیا در برکلی ساخته شده، احتمالا بتواند قانون مور را چند صباحی بیشتر زنده نگه دارد. قانون مور که توسط بنیانگذار اینتل بیان شده، عنوان می‌کند که تعداد ترانزیستورهای یک مدار مجتمع هر دو سال یکبار دو برابر می‌شود. اما مشکل اینجاست که ترانزیستورهای فعلی به حدی کوچکند که راه‌های کمی برای کوچک کردن بیشتر آنها وجود دارد. اما از آنجایی که بعضی از قوانین برای به چالش کشیدن و لغو شدن نوشته می‌شوند، محققان چندی پیش موفق به ساخت ترانزیستورهای ۵ نانومتری شدند. محققان کره‌ای از این حد نیز فراتر رفتند و ترانزیستورهای ۳ نانومتری ساختند. علی جاوه‌ای سرپرست این محققان می‌گوید:‌

ما کوچکترین ترانزیستوری را که تا بحال گزارش شده، ساخته‌ایم. طول دروازه عاملی مهمی در تعیین ابعاد ترانزیستور است و ما ترازنیستوری با طول دروازه یک نانومتر ساختیم و این نشان می‌دهد که با انتخاب مواد مناسب، هنوز نیز می‌توان قطعات الکترونیکی را کوچکتر و کوچکتر کرد.

در ترانزیستورهای معمولی، سیلیکون ماده‌ای ایده‌ال محسوب می‌شود، چون الکترون‌ها به دلیل مقاومت کم به راحتی درون آن عبور و مرور می‌کنند. اما جاوه‌ای و تیمش از نانوتیوب‌ها و دی‌سولفید مولیبیدنیوم (MoS2) استفاده کردند. اما در MoS2 مقاومت بیشتری نسبت به حرکت الکترون وجود دارد و این باعث می‌شود که بتوان رفتار الکترون را کنترل کرد.

تابحال محققان معتقد بودند که ۵ نانومتر آخرین حد کوچک کردن ترانزیستور است، چون کمتر از این مقدار پدیده‌ای با نام تونل‌زنی کوانتومی اتفاق می‌افتد. در تونل‌زنی کوانتومی، الکترون‌ها به صورت تصادفی از یک ترانزیستور به ترانزیستور دیگر می‌روند و این باعث درهم‌ریختگی سیگنال‌ها می‌شود. این بدین معناست که نمی‌توان ترانزیستورها را خاموش کرد، چون الکترون‌ها هر جایی ممکن است بروند. در حال تست، این محققان دریافتند که ترانزیستور آنها قادر است حرکت الکترون را کنترل کند. الکترون‌ها با وجود دی‌سولفید مولیبیدنیوم، از کنترل خارج نمی‌شدند. این دستاورد بزرگی بود،‌ چون محققان فکر نمی‌کردند که چنین کاری امکان‌پذیر باشد. سوجای دسای از محققان پروژه می‌گوید:‌

صنعت نیمه‌هادی برای مدت‌ها فکر می‌کرد که دروازه زیر ۵ نانومتر کار نمی‌کند، بنابراین حتی به آن فکر هم نمی‌کردند. این تحقیق نشان می‌دهد که می‌توان به اندازه‌های کمتر از ۵ نانومتر نیز فکر کرد. صنعت در حال استفاده هر چه بیشتر از سیلیکون بود. با تغییر از سیلیکون به دی‌سولفید مولیبیدنیوم، ما قادر بودیم دروازه‌ای یک نانومتری بسازیم و با آن مانند سوییچ رفتار کنیم.

هنوز راه زیادی باقی مانده است، اما می‌توان گفت که ساخت ترانزیستورهای زیر ۵ نانومتر نیز امکان‌پذیر است. حال محققات باید این تراتزیستورها را در مقیاس زیاد تولید کنند. علی جاوه‌ای می‌گوید:

این کار کوچک‌ترین ترانزیستور را تولید کرد. هر چند این تنها یک نمونه مفهومی است. ما هنوز این ترانزیستورها را درون چیپ قرار نداده‌‌ایم و هنوز میلیارد‌ها واحد از آن را نساخته‌ایم. این کار نشان می‌دهد که ما به ۵ نانومتر محدود نیستیم. با مهندسی درست مواد نیمه‌هادی و معماری دستگاه، قانون مور می‌تواند مدت بیشتری زنده بماند.

نوشته محققان موفق به ساخت کوچکترین ترانزیستور دنیا شدند اولین بار در - آی‌تی‌رسان پدیدار شد.