Из чего состоит процессор телефона

Будущее смартфонов: процессоры и память

Сегодня мы не будем начинать с того, как важны процессоры и оперативная память, это и так всем понятно. Другой вопрос: «Как это работает?». А еще больше нас интересует то, какое будущее у этих ростков науки? В этой статье мы разберёмся со всеми «непонятками», если вам интересно узнать, из чего состоит оперативная память и процессор, какой их принцип работы и какое будущее нас ожидает, непременно стоит взглянуть. Это уже третий этап нашего изучения аппаратных частей смартфонов и их будущего. На этот раз мы поговорим о процессорах и оперативной памяти. Объединили мы их неспроста, ведь принцип работы очень схож, впрочем, не будем забегать вперед.

Процессоры

Каждый смартфон, как вы знаете, оснащается процессорами, или, как их принято называть, SoC (socket on chip). В смартфонах, как правило, процессор включает в себя видеоускоритель и ряд других компонентов, впрочем, о них мы не так давно писали. За основу, конечно, берут GPU и CPU — устройство, которое служит для обработки логических данных.
В сравнении с первым смартфоном HTC Dream (Google G1), нынешние девайсы ушли далеко вперед. Тогда Dream предлагал нам процессор, работающий на 65-нм техпроцессе с частотой 528 МГц. Сегодня новый Snapdragon 810 демонстрирует публике 20-нм техпроцесс, впрочем, для Samsung с её Exynos 7, работающим на 14-нм техпроцессе, даже это не предел.
Еще стоит уточнить один момент, возьмем Nvidia Tegra 3. Вы наверняка думаете, что на Nexus 7 и HTC One X устанавливаются идентичные? Нет, производители выпускают различные вариации своих процессоров, которые порой заметно различимы в производительности, размерах и так далее.
Процессор состоит из транзисторов, и от того, как много транзисторов можно уместить на площади кремниевой пластины (кремниевая подложка или пластина составляет основу для всего процессора, на ней расположены все транзисторы, сама же пластина изготавливается из песка), зависит размер самих транзисторов, логично. Однако транзисторы настолько малы, что их измеряют в нанометрах. Отсюда и весь смысл этих цифр, то есть что такое 20 нанометров? Это если бы на вашем кончике пальца расположились 5 миллиардов транзисторов. Отметим, процесс создания процессоров настолько серьезен, что при их создании используют цеха, в которых воздух в 1000 раз чище, чем в хирургической операционной, потому что если хоть одна микропылинка попадёт на кремниевую пластину — образец можно выбрасывать.
Однако многих интересует вопрос: «Из чего же состоят эти транзисторы?».

Выше на картинке изображен транзистор, он представляет собой затвор управления и диэлектрик или изолятор, который изолирует его от поверхности кремниевой пластины. Когда на затвор поступает напряжение, он способствует появлению канала, соединяющий сток и исток.
Сегодня очень многое зависит от архитектуры процессора. От того, каким образом проведены соединения между транзисторами, а ведь это не один слой, наносят около 40 слоёв соединений. Процессоры, построенные на разных архитектурах, имеют различные соединения, которые еще принято называть шинами. Каждый год производители ищут новые пути для создания более технологичных архитектур. Например, Apple не так давно представила чип A8X, который является собственной разработкой компании и включает в себя трехъядерный CPU и восьмиядерный GPU, что даёт в сумме около трех миллиардов транзисторов.

NAND-память

Принцип её работы очень схож с тем, что мы видели чуть выше. Перед нами также кремниевая пластина, однако теперь между затвором управления и диэлектриком пластины расположился плавающий затвор, который имеет отрицательный заряд, он-то и стал «ахиллесовой пятой», ведь именно он определяет принцип работы памяти, именно в нем хранятся данные, а изоляция позволяет ему хранить заряд очень долгий период времени.
Существует два вида или, правильнее сказать, уровня памяти, первый может принимать лишь два значения: когда плавающий затвор не имеет положительного заряда, и наоборот, имеет. В случае, если имеет, то говорят, что транзистор хранит в себе один бит информации, и, соответственно, если не имеет заряда, то ничего в себе он не хранит. Отсюда получаем два возможных значения: 0 и 1. А вот мультиуровневая память может принимать множество различных значений, это позволило хранить больше памяти при том же объеме, однако это и создало ряд проблем, включая большое количество ошибок в момент чтения/записи данных из-за слишком маленькой разницы между уровнями.
Существует также CT-память (CFT), в которой вместо плавающего затвора используется отрицательно заряженная тонкая пленка, у нее много преимуществ, в том числе большие ёмкости при тех же габаритах, небольшие производственные затраты и невысокая цена. И время такой памяти уже, можно сказать, наступило, так как 20 нанометров — это некий предел для NAND-памяти, при более низких показателях возникнут различные ошибки при чтении/записи данных.

3D NAND-память

Данная технология была разработана в 2013 году компанией Samsung, более того, 3D NAND-память уже увидела свет на рынке в лице серии SSD Samsung 850. Память, построенная на данной технологии, более надежна, способна хранить больше информации, и её разработка обходится заметно дешевле. Удалось решить и проблемы, связанные с уменьшением размера транзисторов ниже 20 нанометров.

PC-память (Phase Change Flash)

IBM и Western Digital поработали на славу, продемонстрировав миру первые разработки PCF SSD. Отличительной особенностью стала скорость чтения/записи данных, которая варьируется, согласно коллегам из androidcentral, от 70 до 1 миллисекунды. В отличие от NAND-памяти, транзисторы в PCF не испытывают помех при значениях, не превышающих 20 нанометров.

Энергонезависимая магнитная оперативная память (MRAM)

Магнитные ленты использовались около века назад, однако сегодня, похоже, возрождение технологии неизбежно. С помощью магнитной памяти силами компании Everspin удалось уменьшить время чтения и записи до очень небольших показателей (небольшие десятичные значения). И если раньше это было лишь в теории, сегодня компания начала их производство, кто знает, может, совсем скоро именно магнитные свойства станут основой хранения всех данных современного человека, возвращаемся к истокам.

LPDDR4

LPDDR4 уже не новшество, более того, первые смартфоны на базе LPDDR4 совсем скоро появятся на прилавках магазинов. А всё благодаря Samsung, которая и затеяла всю игру, впрочем, затея привела к увеличению скорости передачи данных на 50%, потребление энергии снизилось на 40%. Первыми подобную память получат LG G Flex 2 и Xiaomi Mi Note Pro. Нет, Asus Zenfone 2 работает на LPDDR3-памяти.

20 нанометров. Кто меньше?

Как упоминалось выше, производство NAND-памяти зашло в тупик, вы не сможете создать память с транзисторами, по размерам менее 20 нанометров, всё упирается в законы физики. При создании транзисторов используют фотолитографию, с помощью которой гравируют поверхность кремниевых пластин, на которые перед этим наносят различные химикаты, нынешние технологии используют такие источники света, длина волны которых при транзисторах, размером менее 20 нанометров, равна длине зазора так называемого шаблона, что способствует рассеиванию света.
Однако «экстремальная ультрафиолетовая литография» позволила увеличить длину волны света таким образом, чтобы достигнуть значения в 13,5 нанометра. Показатель впечатляет, но пока это предел.
Предыдущие статьи цикла «Будущее смартфонов»:
Аккумуляторы
Дисплеи

Краткий экскурс об устройстве процессоров современных смартфонов

Краткий экскурс об устройстве процессоров современных смартфонов

Процессор или же чипсет, иначе говоря система на чипе (SoC), неотъемлемая часть любого устройства, будь то робот пылесос или умные колонки. В этой статье мы более подробно разберем, что такое система на чипе, но при этом постараемся рассказать так, чтобы было понятно любому рядовому пользователю.

На рынке мобильных устройств существует десятки различных процессоров. И это не привычные процессоры, которые устанавливаются в ПК. SoC или же система на чипе содержит в себе память, различные блоки обработки, модемы и многое другое и все это распаяно на одной небольшой плате.

Система на чипе — сердце вашего смартфона

Подобная схема объединения важных компонентов на одной печатной плате значительно помогает в удешевление производства смартфона, а также способствует наилучшему энергопотреблению. К процессору (SoC) впоследствии подключаются остальные компоненты смартфона.

Приведу небольшой список модулей, которые установлены в системе на кристалле.

• Центральный процессор (ЦП) — «сердце» SoC. Выполняет основные инструкции и алгоритмы операционной системы и приложений
• Графический процессор (GPU) — выполняет задачи, связанные с графикой, отрисовка графической оболочки операционной системы, пользовательский интерфейс в приложениях, а также обрабатывают 2D и 3D графику.
• Блок обработки изображений (ISP) — преобразует данные полученные с камеры смартфона в фотографии и видео.
• Цифровой сигнальный процессор (DSP) — выполняет более сложные математические функции, чем центральный процессор. Производит распаковку музыкальных файлов и анализ данных датчика гироскопа.
• Блок нейронной обработки (NPU) — широко применяемый модуль, используемый в смартфонах среднего и высшего сегмента. Служит для аппаратного ускорения работы алгоритмов нейронных сетей, компьютерного зрения, распознавания по голосу, машинного обучения и других методов искусственного интеллекта.
• Видеокодер / декодер — обеспечивает энергоэффективное преобразование видеофайлов и форматов.
• Модемы — преобразует беспроводные сигналы в данные, понятные вашему телефону. Компоненты включают модемы сотовой связи, WiFi и Bluetooth.

Также важно знать, что система на чипе, как и любой другой чип производится по определенному техпроцессу. Техпроцесс — это технологический процесс изготовления полупроводниковых материалов. Совершенствование технологии позволяет улучшить характеристики полупроводников (размеры, энергопотребление, рабочие частоты, стоимость) .

На сегодняшний день, мобильные процессоры построенные на архитектуре ARM, выполнены по 7-нм техпроцессу, но уже сейчас ведется освоение производства полупроводников по 5-нм техпроцессу.

Кто производит мобильные процессоры

На сегодняшний день главным производителем мобильных процессоров является Qualcomm. Следом идет Mediatek и Samsung, а также Huawei, которые в скором времени из-за санкций США прекратят разработку и производство фирменных процессоров Kirin.

Итак, Qualcomm выпускает мобильные процессоры для флагманов, среднячков и бюджетных смартфонов. Флагманские процессоры представляют линейку Snapdragon 8xx. Процессоры среднего сегмента входят в 600-ю и 700-ю серию. Некоторые из этих чипов могут иметь постфикс с 5G или с буквой “G”, первое обозначение означает поддержку сетей пятого поколения, буква “G” в название чипа означает что он заточен под игры. Процессоры начального уровня относятся к 400-й серии.

Samsung также производит чипсеты для различных сегментов. Флагманская серия относится к 900-й серии, последний процессор Exynos 990, он установлен в Galaxy S20/ Note 20. В бюджетных смартфонах устанавливают процессоры с номером Exynos 7904 и Exynos 9610

Помимо вышеперечисленных процессоров существуют чипы от всем известной компании Mediatek. Их решения чаще всего можно встретить в бюджетных и среднебюджетных смартфонах, например в OPPO Reno 3. Mediatek производит платформы с именем Helio, существует основная линейка “P”, линейка нацеленная на игры под индексом “G”, а совсем недавно были представлены процессоры под именем Dimensity с поддержкой 5G .

Процессор — за что он отвечает и для чего нужен

Центральный процессор или же система на чипе в простонародье называют просто процессором. Он разработан и спроектирован так, чтобы выполнять гибкий круг задач. Процессор в первую очередь отвечает за работу системы Android и приложений внутри ОС.

Кроме того, он отвечает за синхронную работу других чипов на печатной плате. ЦП на борту для обработки данных имеет блоки прогнозирования, регистров и исполнительных блоков. Грубо говоря они отвечают за просчет сложных математических алгоритмов. Регистры содержат биты данных или указатели на память, часто в 64-битных форматах данных.

Мобильные процессоры сейчас по большей части построены на архитектуре ARM, эта платформа сейчас занимает огромный рынок и семимильными шагами вытесняет архитектуру x86. Всеми известная компания Apple уже вовсю начинает переход на своих знаменитых компьютерах Mac и ультрабуков MacBook на собственные процессоры Apple Silicone, которые в свою очередь основаны на ARM архитектуре.

Процессоры на архитектуре ARM на данный момент выпускаются либо с восемью ядрами, из которых чаще всего два производительных и шесть энергоэффективных ядер, предназначенных для повседневных задач. Например в Snapdragon 865 используется схема 1+3+4, из которых первое ядро Cortex-A77 на частоте 2.84 ГГц, три ядра Cortex-A77 на частоте 2.42 ГГц и четыре ядра Cortex-A55 на частоте 1.8 ГГц. В обновленной версии Snapdragon 865+ инженерам удалось достигнуть 3,4 ГГц на старшем ядре.

Графика и все что с ней связано

За графику и отрисовки графического интерфейса в свою очередь отвечает графический ускоритель (графический процессор). В смартфонах по понятным причинам он не такой же, как в привычных ПК.

Графический адаптер служит для тех задач, под которые центральный процессор либо не предназначен, либо для для тех, где ГП справится в разы быстрее. Например, в параллельных задачах, в то время как ЦП подходит для последовательных, ГП способен обработать огромное количество информации выводимое на экран смартфона.

На данный момент существует два основных графических процессора — это Mali от ARM и Adreno от Qualcomm. Также существует ГП PowerVR от Imagination Technologies , который до недавнего времени устанавливался в смартфоны и планшеты от Apple.

Чем лучше процессор тем лучше фотографии

Ни для кого не секрет, что качество фотографии зависит не только от сенсора, линз и софта, но и от мощности процессора и блока обработки изображения. Вспомним Google Pixel 4, этот смартфон получил всего одну камеру, но при этом за счет флагманского процессора и фирменного гугловского процессора обработки фото, качество фотографий до сих пор на голову выше чем у многих смартфонов.

В последних смартфонах Huawei (Mate 30 Pro, P40 Pro) работающие на процессорах Kirin 990 являются лучшими фотофлагманами за счет доработанного блока ISP, который позволил улучшить шумоподавление в фото и видео. Это стало возможным благодаря технологии 3D-фильтрацией (BM3D) , обычно она используется в цифровых фотоаппаратах, исходя из этого становится понятно почему флагманы Huawei лучше по части фото чем все конкуренты.

Для чего нужны блоки нейронной обработки

Блоки нейронной обработки уже вовсю внедряют в системы на чипах. Нейронные процессоры служат для обработки математических алгоритмов, расчетов и служат для работы нейронный сетей. NPU разработаны так, чтобы выполнять задачи связанные нейронными сетями намного быстрее чем классический ЦП. Они используют собственную память, не обращаясь в оперативную, для того чтобы ускорить выполнение работы.

Во-первых, нейронные сети в смартфонах используются для обучения операционной системы, ОС учится запоминая поведение (использование смартфона) пользователя. Смартфон учится, запоминая ваше поведение, какие приложения вы используете, как часто вы запускаете ту или иную программу. Во-вторых, машинное обучение используется для достижения лучшего качества фотографии. Это еще одна причина по которой флагманы Huawei стали так круто фотографировать, все благодаря прокаченному NPU в Kirin 990.

Заключение

Системы на чипе по большому счету становятся сегодня все сложнее. С каждым годом появляются отдельные чипы для обработки конкретного алгоритма, будь то нейросеть или обработка снимка. Балом по-прежнему будет править архитектура ARM, а глобально будет меняться только техпроцесс.

Как работает процессор смартфона #2. От бездушного электричества к логике

Один из читателей DR как-то задал очень простой и конкретный вопрос — каким образом миллиарды микроскопических переключателей (они же — транзисторы) делают так, чтобы на экране смартфона появлялось изображение, а из динамика играла музыка?

Действительно, как это происходит? Ведь внутри телефона нет никакого разума или интеллекта. И, всё же, эти устройства достаточно умны.

К большому сожалению, простого ответа на этот вопрос нет и нам потребуется больше времени, чтобы лишь немножко приоткрыть завесу тайны.

В первой части мы выяснили, что для смартфона не существует никакой музыки, фильмов, фотографий, книг или приложений. Он оперирует лишь единичками и ноликами. Также мы разобрались, как именно картинка, текст или другая информация превращаются в те самые единички и нули, которые затем сохраняются в памяти смартфона.

Но постойте-ка! Какие ещё единички и нули, какая память!? Как можно сохранить в памяти то, чего в реальности не существует? Ведь, числа — это просто абстрактные понятия.

Я могу представить себе одно яблоко или один карандаш. Но это будут образы именно яблок или карандашей. А как представить и сохранить в памяти число? Зачастую, мы просто рисуем в своем воображении «картинку» этого числа — определенную цифру.

Если бы я сказал древнему римлянину запомнить число одиннадцать, он бы представил в уме латинскую букву икс с палочкой (XI), а затем вспоминал бы эту картинку каждый раз, когда хотел вспомнить нужное число. Мы же сохраняем этот образ в виде двух палочек с крючками — 11, то есть, также оперируем картинками и образами.

А что делает смартфон с числами 1 и 0? Как он физически их «запоминает»? Прежде, чем мы сможем ответить на этот вопрос, нужно разобраться с более фундаментальным и важным понятием. Об этом и пойдет речь во второй части.

Что такое транзистор и почему в iPhone 12 их около 12 млрд штук?

С устройством транзистора мы подробно разбирались в статье о том, что такое техпроцесс (те самые 7 или 5 нанометров, которые рекламируют производители смартфонов при выпуске очередного процессора).

Вкратце напомню, что транзистор — это крохотный переключатель (или выключатель), который мы можем «открывать» и «закрывать», словно кран с водой.

Главная особенность транзистора — это три контакта (электрода), называемые исток, затвор и сток. На исток подается основное напряжение от аккумулятора смартфона. Затвор, как можно догадаться по смыслу — это тот самый «кран», открыв который, ток пойдет на выход (сток), то есть, успешно пройдет через транзистор:

Открывается и закрывается транзистор при помощи небольшого напряжения, подаваемого на затвор. Если напряжение на затворе выше определенного порога, транзистор начинает пропускать ток, в противном случае — нет.

Такое незамысловатое устройство позволяет нам «щелкать» выключателем миллионы раз в секунду. А в одном мобильном процессоре находятся миллиарды транзисторов (например, 11.8 млрд в iPhone 12 или 15.3 млрд в Huawei Mate 40 Pro).

С этим, кажется, всё понятно. Есть маленький транзистор, по которому протекает ток и, в зависимости от состояния затвора, он либо проходит дальше, либо блокируется. Можно отобразить это схематически следующим образом:

Итак, если мы подаем напряжение на затвор, тогда транзистор открывается и на выходе имеем ток.

Теперь вспоминаем «единицы и нолики». Представим, что напряжение на затворе — это условная «единица», а отсутствие напряжения — это «ноль». Значит, если подать транзистору на вход «единицу» (дать небольшое напряжение на затвор), на выходе мы также получим «единицу», а если подавать «ноль» (отключить напряжение на затворе), то на выходе тоже будет «ноль» (нет тока):

Очень интересное и довольно бесполезное устройство, не находите? Подаем на вход напряжение (единицу) и получаем на выходе напряжение (единицу), не подаем ничего — ничего не получаем. С таким же успехом можно было просто использовать обычный провод.

Но давайте возьмем два транзистора и соединим их так, чтобы получилось два входа и один выход:

И вот здесь ситуация становится интересней, так как эти два транзистора уже могут умножать числа! В нашем случае (двоичная система счисления, о которой мы говорили в первой части) это 0 и 1:

В следующем примере (0 умножить на 1) на вход первого транзистора мы не подаем напряжение, а на второй подаем. В результате из нашего «калькулятора» всё равно не будет выходить ток. Да, второй транзистор «открылся», но к нему не поступает ток от первого транзистора, так как его затвор закрыт:

Теперь умножим 1 на 1, то есть, подадим напряжение на входы двух транзисторов. Ток заходит в первый транзистор, проходит через «открытый» затвор, идет на вход ко второму транзистору, а так как и он открыт, то на выходе из всей схемы мы получаем единицу (есть ток):

Казалось бы, настолько простая схема, а уже умеет умножать два числа! Такие незамысловатые устройства из нескольких транзисторов называются логическими вентилями (краниками). Конкретно этот вентиль, умножающий два числа, называется И (да, одна буква «и» или на английском AND).

Но почему вентиль называется логическим и почему буква «и»? На самом деле, всё очень просто.

Представьте, что мы не числа умножаем, а проверяем на истинность любые высказывания. Например, я говорю следующие две фразы: «В Африке обитают гепарды» и «Один из африканских гепардов написал эту статью«.

Первое высказывание — это правда (истина). Второе высказывание, очевидно, не является истинной, соответственно, оно ложно. А теперь нам нужно решить простенькую логическую задачку — определить истинность не каждого высказывания по отдельности, а всей фразы целиком: «В Африке обитают гепарды и один из африканских гепардов написал эту статью».

Очевидно, что вся фраза является ложью, так как гепарды не пишут статьи, хотя и обитают в Африке. Получается, если первая часть фразы — истина (1), а вторая — ложь (0), тогда всё высказывание в целом является ложью (0). Если обе части — ложь, то и всё высказывание в целом — ложь.

Если вы посмотрите на картинки выше, то увидите, что наш вентиль AND выдает точно такие же результаты, то есть, он решает простые логические задачки или, другими словами, производит логические операции. Отсюда и название.

Табличку с операциями умножения можно заменить на так называемую таблицу истинности, где вместо чисел у нас два высказывания — либо ложные, либо истинные:

Теперь если мы подаем напряжение (логическую единицу) только на один из транзисторов (на его затвор), на выходе из всего вентиля будет единица (ток):

Ложь (0) получится только в том случае, если оба выражения ложны или, другими словами, на выходе из нашего вентиля OR не будет напряжения только в том случае, если не подавать напряжение ни на один из транзисторов. Тогда ток от аккумулятора не пройдет через закрытые затворы:

Если присмотреться повнимательней, этот вентиль мог бы уже суммировать два числа. К примеру, подаем на входы 0 и 1, а на выходе получаем 1, значит 0+1=1. Вот еще примеры:

В двоичной системе всё выглядит ровно так же, только мы не можем «подняться выше» единицы, так как есть лишь две цифры — 0 и 1. Соответственно, 1+1 в двоичной системе выглядит, как:

Чтобы решать такие примеры, вентиль OR не подходит, значит, нам нужно создать третий вентиль, который называется исключающее ИЛИ (на английском XOR). Такой вентиль должен работать в точности, как OR, но с одним отличием: когда обе части высказывания истинны, всё высказывание должно быть ложным. Другими словами, когда мы подаем две единицы (подаем на каждый транзистор напряжение), на выходе из вентиля должен быть ноль (отсутствие напряжения).

В обычной жизни мы оперируем именно таким исключающим или союзом, то есть, истинность одной части фразы подразумевает ложность другой, например: «Мне принесли чашку кофе или мне принесли чашку чая». Если мне принесли кофе, значит, это не чай. И наоборот. Если же мы утверждаем, что оба высказывания истинны, значит, вся фраза — ложь, так как одна ее часть исключает другую.

Чтобы реализовать вентиль XOR, вначале нужно сделать еще один вентиль под названием НЕ (на английском — NOT). Всё, что он должен делать — это «переворачивать» значение, которое мы подаем на вход. Если на затвор транзистора подать напряжение, на выходе не должно быть тока. И наоборот, если на входе «ноль» (отсутствует напряжение), на выходе должна быть единица (ток). Такой вентиль еще называется инвертором.

Сделать вентиль NOT очень легко, достаточно его выход расположить сверху (возле истока), а нижний контакт заземлить. Теперь, когда затвор будет закрыт (подаем «ноль» на вход), ток будет спокойно проходить сразу от истока на выход из вентиля. А если открываем затвор, то ток устремится по пути наименьшего сопротивления и уйдет «в землю», а на выходе ничего не будет (0):

Итак, на текущий момент, имея в своем распоряжении только транзисторы и аккумулятор смартфона, который питает их электричеством, мы уже смогли создать три крошечных устройства: вентиль AND, вентиль OR и вентиль NOT:

Надеюсь, пока всё понятно.

Мы уже начинаем видеть какие-то зачатки «логики» и при этом хорошо понимаем физику процесса, но до ответов на все вопросы еще далеко. Я показываю всё на самом низком уровне (на уровне тока) для того, чтобы в работе смартфона и его «мозга» (процессора) не оставалось никакой «магии». Так что наберитесь еще немножко терпения, чтобы узнать больше.

Итак, теперь нужно сделать четвертый вентиль — исключающее ИЛИ (XOR). Он должен выдавать те же результаты, что и OR, за исключением лишь ситуации, когда на оба входа подаются единицы.

Чтобы сделать этот вентиль, мы воспользуемся уже имеющимися — AND, OR и NOT. Для начала параллельно соединим вентили AND и OR, к выходу END подсоединим вентиль NOT, чтобы он инвертировал значение, а затем соединим выходы вентилей NOT и OR со входом еще одного вентиля AND.

Да, звучит всё сложно и запутанно, на теперь посмотрите на картинку и всё станет сразу понятно:

Теперь проверим, как такой вентиль будет работать и подадим на входы две единицы. Вентиль OR в этом случае давал на выходе также единицу, но наш новый вентиль XOR выдаст ноль:

А вот что будет, если подать, к примеру, единицу и ноль:

Всё работает! На создание вентиля XOR ушло 7 транзисторов. Как видите, мы уже работали не с отдельными транзисторами, а использовали готовые вентили. Теперь у нас появился еще один сложный вентиль XOR, который дальше мы будем использовать в еще более сложных схемах.

На этом, в принципе, можно было бы и остановиться, так как уже должно приходить понимание того, как из простых выключателей (транзисторов) можно создавать элементарные устройства, которые объединяются в более сложные, а те — в еще более сложные. И так до тех пор, пока мы не построим процессор, состоящий из миллиардов транзисторов. Для этого и нужно такое большое количество этих крохотных выключателей.

Но давайте попробуем создать еще более сложное устройство!

Создаем из транзисторов примитивный калькулятор

В процессе ежедневной работы смартфон производит триллионы операций, складывая, вычитая и умножая различные числа.

Если мы хотим сделать фотографию более яркой, смартфон берет значение яркости каждой точки снимка и прибавляет к нему определенное число, то есть, проделывает операцию сложения для нескольких миллионов точек. Триллионы вычислений также происходят во время игр, просмотра видео или прослушивания музыки.

В общем, процессор то и дело постоянно производит математические операции. Но наши элементарные вентили не могут даже сложить два числа. Да, у нас есть вентиль XOR, который работает, как сложение, но если мы подадим на него две единицы, то на выходе получим просто 0, так как единичку нужно перенести в следующий разряд, а он этого делать не умеет.

Давайте исправим этот недостаток.

В двоичной системе 1 + 1 = 10. А это уже два бита (напомню, один бит — это либо единица, либо ноль, т.е. одно число). Наш вентиль XOR при поступлении на вход двух единиц (1+1) выдает только 0.

Чтобы всё работало корректно, мы подключаем к вентилю XOR еще один — AND. Получится вот так:

Теперь когда на XOR приходят две единицы, он выдает 0, но две единицы параллельно приходят и на вентиль AND, а тот, как мы разобрались выше, в этом случае выдаст 1. Вот и получаем нужный результат:

Чтобы убедиться, что всё работает, проверим наше новое устройство, отправив на него 1 и 0 (1+0 должно равняться просто 1):

Так и есть! Когда 1 и 0 поступили на вентиль XOR, он выдал единицу, а вентиль AND в этом же случае выдает 0.

Вот так просто у нас получилось новое устройство под названием полусумматор! И теперь мы можем использовать его уже в более сложных схемах, создавая всё более сложные устройства.

К сожалению, толку от этого полусумматора не так много. Наше крохотное устройство из 9 транзисторов может только складывать два бита, то есть, максимум посчитать, сколько будет «один плюс один».

Думаю, вы уже догадались, что можно из двух полусумматоров собрать один полный сумматор и он уже будет работать с тремя битами (складывать два числа одного разряда с учетом переноса из предыдущего разряда). Для этого нам потребуются два полусумматора и один вентиль OR. Но чтобы не перегружать статью лишней информацией, я уже не буду подробно описывать его работу.

Естественно, можно пойти дальше и собрать уже из сумматоров более сложные компоненты, скажем, 8-битный сумматор, который сможет складывать 8-битные числа (вплоть до 256+256). Это потребует сотни транзисторов, но какая разница, если мы можем в крохотном процессоре смартфона разместить 10-15 миллиардов транзисторов?

Процессор смартфона состоит из множества других логических схем для самых разнообразных операций (сложение, вычитание, увеличение или уменьшение числа на единицу, перевод чисел из положительных в отрицательные и наоборот, умножение и пр.).

Если раньше мы складывали транзисторы в вентили, а затем из вентилей создавали более сложные устройства (например, полусумматоры), то теперь нужно собрать всё воедино, создав тем самым АЛУ (арифметико-логическое устройство) — блок процессора, отвечающий за выполнение всех арифметических и логических операций:

На входы в этот блок мы подаем данные, над которыми нужно проделать определенные операции. Сам код операции (что именно нужно сделать) мы также подаем на еще один вход в АЛУ. Например, 0101 — это код сложения, а 0011 — означает, что нужно произвести вычитание.

Естественно, из АЛУ есть выход, куда отправляется готовый результат. Также из АЛУ выходят различные флаги (признаки), например, есть флаг отрицательного числа, если он равняется единице, то мы знаем, что число — отрицательное.

К сожалению, несмотря на объем статьи, она до сих пор не отвечает на многие вопросы. Всё еще не понятно, как именно числа хранятся в памяти, кто или что указывает процессору, какие конкретно операции и в какой последовательности нужно делать. Да и как, собственно, эти «указания» выглядят?

Со всем этим мы разберемся в следующей части, которая должна сложить все пазлы в единую понятную картину.

# факты | Как работает процессор компьютера?

Вы читаете эти строки со смартфона, планшета или компьютера. Любое из этих устройств основано на микропроцессоре. Микропроцессор является «сердцем» любого компьютерного устройства. Существует много типов микропроцессоров, но все они решают одни и те же задачи. Сегодня мы поговорим о том, как процессор работает и какие задачи он выполняет. На первый взгляд все это представляется очевидным. Но очень многим пользователям было бы интересно углубить свои знания о важнейшем компоненте, обеспечивающем работу компьютера. Мы узнаем о том, как технология, основанная на простой цифровой логике, позволяет вашему компьютеру не только решать математические задачи, но и быть развлекательным центром. Как всего две цифры — единица и ноль — преобразуются в красочные игры и фильмы? Этот вопрос многие неоднократно задавали себе и будут рады получить на него ответ. Ведь даже в основе недавно рассмотренного нами процессора AMD Jaguar, на котором базируются новейшие игровые приставки, лежит та же древняя логика.

В англоязычной литературе микропроцессор часто называют CPU (central processing unit, [единым] модулем центрального процессора). Причина такого названия кроется в том, что современный процессор представляет собою единый чип. Первый микропроцессор в истории человечества был создан корпорацией Intel в далеком 1971 году.

Роль Intel в истории микропроцессорной индустрии

Первым микропроцессором для домашних компьютеров стал представленный в 1974 году Intel 8080. Вся вычислительная мощность 8-битного компьютера помещалась в одном чипе. Но по-настоящему большое значение имел анонс процессора Intel 8088. Он появился в 1979 году и с 1981 года стал использоваться в первых массовых персональных компьютерах IBM PC.

Далее процессоры начали развиваться и обрастать мощью. Каждый, кто хоть немного знаком с историей микропроцессорной индустрии, помнит, что на смену 8088 пришли 80286. Затем настал черед 80386, за которым следовали 80486. Потом были несколько поколений «Пентиумов»: Pentium, Pentium II, III и Pentium 4. Все это «интеловские» процессоры, основанные на базовой конструкции 8088. Они обладали обратной совместимостью. Это значит, что Pentium 4 мог обработать любой фрагмент кода для 8088, но делал это со скоростью, возросшей примерно в пять тысяч раз. С тех пор прошло не так много лет, но успели смениться еще несколько поколений микропроцессоров.

• Name (Название). Модель процессора
• Date (Дата). Год, в который процессор был впервые представлен. Многие процессоры представляли многократно, каждый раз, когда повышалась их тактовая частота. Таким образом, очередная модификация чипа могла быть повторно анонсирована даже через несколько лет после появления на рынке первой его версии
• Transistors (Количество транзисторов). Количество транзисторов в чипе. Вы можете видеть, что этот показатель неуклонно увеличивался
• Microns (Ширина в микронах). Один микрон равен одной миллионной доле метра. Величина этого показателя определяется толщиной самого тонкого провода в чипе. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет 100 микрон
• Clock speed (Тактовая частота). Максимальная скорость работы процессора
• Data Width. «Битность» арифметико-логического устройства процессора (АЛУ, ALU). 8-битное АЛУ может слагать, вычитать, умножать и выполнять иные действия над двумя 8-битными числами. 32-битное АЛУ может работать с 32-битными числами. Чтобы сложить два 32-битных числа, восьмибитному АЛУ необходимо выполнить четыре инструкции. 32-битное АЛУ справится с этой задачей за одну инструкцию. Во многих (но не во всех) случаях ширина внешней шины данных совпадает с «битностью» АЛУ. Процессор 8088 обладал 16-битным АЛУ, но 8-битной шиной. Для поздних «Пентиумов» была характерна ситуация, когда шина была уже 64-битной, а АЛУ по-прежнему оставалось 32-битным
• MIPS (Миллионов инструкций в секунду). Позволяет приблизительно оценить производительность процессора. Современные микропроцессоры выполняют настолько много разных задач, что этот показатель потерял свое первоначальное значение и может использоваться, в основном, для сравнения вычислительной мощности нескольких процессоров (как в данной таблице)

Существует непосредственная связь между тактовой частотой, а также количеством транзисторов и числом операций, выполняемых процессором за одну секунду. Например, тактовая частота процессора 8088 достигала 5 МГЦ, а производительность: всего 0,33 миллиона операций в секунду. То есть на выполнение одной инструкции требовалось порядка 15 тактов процессора. В 2004 году процессоры уже могли выполнять по две инструкции за один такт. Это улучшение было обеспечено увеличением количества процессоров в чипе.

Чип также называют интегральной микросхемой (или просто микросхемой). Чаще всего это маленькая и тонкая кремниевая пластинка, в которую «впечатаны» транзисторы. Чип, сторона которого достигает двух с половиной сантиметров, может содержать десятки миллионов транзисторов. Простейшие процессоры могут быть квадратиками со стороной всего в несколько миллиметров. И этого размера достаточно для нескольких тысяч транзисторов.

Логика микропроцессора

Микропроцессор способен выполнять определенный набор машинных инструкций (команд). Оперируя этими командами, процессор выполняет три основные задачи:

• C помощью своего арифметико-логического устройства, процессор выполняет математические действия: сложение, вычитание, умножение и деление. Современные микропроцессоры полностью поддерживают операции с плавающей точкой (с помощью специального арифметического процессора операций с плавающей точкой)
• Микропроцессор способен перемещать данные из одного типа памяти в другой
• Микропроцессор обладает способностью принимать решение и, на основании принятого им решения, «перепрыгивать», то есть переключаться на выполнение нового набора команд

• Address bus (адресную шину). Ширина этой шины может составлять 8, 16 или 32 бита. Она занимается отправкой адреса в память
• Data bus (шину данных): шириной 8, 16, 32 или 64 бита. Эта шина может отправлять данные в память или принимать их из памяти. Когда говорят о «битности» процессора, речь идет о ширине шины данных
• Каналы RD (read, чтения) и WR (write, записи), обеспечивающие взаимодействие с памятью
• Clock line (шина синхронизирующих импульсов), обеспечивающая такты процессора
• Reset line (шина стирания, шина сброса), обнуляющая значение счетчика команд и перезапускающая выполнение инструкций

Поскольку информация достаточно сложна, будем исходить из того, что ширина обеих шин — и адресной и шины данных — составляет всего 8 бит. И кратко рассмотрим компоненты этого сравнительно простого микропроцессора:

• Регистры A, B и C являются логическими микросхемами, используемыми для промежуточного хранения данных
• Address latch (защелка адреса) подобна регистрам A, B и C
• Счетчик команд является логической микросхемой (защелкой), способной приращивать значение на единицу за один шаг (если им получена соответствующая команда) и обнулять значение (при условии получения соответствующей команды)
• ALU (арифметико-логическое устройство) может осуществлять между 8-битными числами действия сложения, вычитания, умножения и деления или выступать в роли обычного сумматора
• Test register (тестовый регистр) является специальной защелкой, которая хранит результаты операций сравнения, производимых АЛУ. Обычно АЛУ сравнивает два числа и определяет, равны ли они или одно из них больше другого. Тестовый регистр способен также хранить бит переноса последнего действия сумматора. Он хранит эти значения в триггерной схеме. В дальнейшем эти значения могут использоваться дешифратором команд для принятия решений
• Шесть блоков на диаграмме отмечены, как «3-State». Это буферы сортировки. Множество источников вывода могут быть соединены с проводом, но буфер сортировки позволяет только одному из них (в один момент времени) передавать значение: «0» или «1». Таким образом буфер сортировки умеет пропускать значения или перекрывать источнику вывода возможность передавать данные
• Регистр команд (instruction register) и дешифратор команд (instruction decoder) держат все вышеперечисленные компоненты под контролем

На данной диаграмме не отображены линии управления дешифратора команд, которые можно выразить в виде следующих «приказов»:

• «Регистру A принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру B принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру C принять значение, поступающее в настоящий момент от арифметико-логического устройства»
• «Регистру счетчика команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Адресному регистру принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Счетчику команд увеличить значение [на единицу]»
• «Счетчику команд обнулиться»
• «Активировать один из из шести буферов сортировки» (шесть отдельных линий управления)
• «Сообщить арифметико-логическому устройству, какую операцию ему выполнять»
• «Тестовому регистру принять тестовые биты из АЛУ»
• «Активировать RD (канал чтения)»
• «Активировать WR (канал записи)»

В дешифратор команд поступают биты данных из тестового регистра, канала синхронизации, а также из регистра команд. Если максимально упростить описание задач дешифратора инструкций, то можно сказать, что именно этот модуль «подсказывает» процессору, что необходимо сделать в данный момент.

Память микропроцессора

Выше мы писали о шинах (адресной и данных), а также о каналах чтения (RD) и записи (WR). Эти шины и каналы соединены с памятью: оперативной (ОЗУ, RAM) и постоянным запоминающим устройством (ПЗУ, ROM). В нашем примере рассматривается микропроцессор, ширина каждой из шин которого составляет 8 бит. Это значит, что он способен выполнять адресацию 256 байт (два в восьмой степени). В один момент времени он может считывать из памяти или записывать в нее 8 бит данных. Предположим, что этот простой микропроцессор располагает 128 байтами ПЗУ (начиная с адреса 0) или 128 байтами оперативной памяти (начиная с адреса 128).

Модуль постоянной памяти содержит определенный предварительно установленный постоянный набор байт. Адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, который следует передать шине данных. Когда канал чтения (RD) меняет свое состояние, модуль ПЗУ предоставляет запрошенный байт шине данных. То есть в данном случае возможно только чтение данных.

Из оперативной памяти процессор может не только считывать информацию, он способен также записывать в нее данные. В зависимости от того, чтение или запись осуществляется, сигнал поступает либо через канал чтения (RD), либо через канал записи (WR). К сожалению, оперативная память энергозависима. При отключении питания она теряет все размещенные в ней данные. По этой причине компьютеру необходимо энергонезависимое постоянное запоминающее устройство.

Более того, теоретически компьютер может обойтись и вовсе без оперативной памяти. Многие микроконтроллеры позволяют размещать необходимые байты данных непосредственно в чип процессора. Но без ПЗУ обойтись невозможно. В персональных компьютерах ПЗУ называется базовой системой ввода и вывода (БСВВ, BIOS, Basic Input/Output System). Свою работу при запуске микропроцессор начинает с выполнения команд, найденных им в BIOS.

Команды BIOS выполняют тестирование аппаратного обеспечения компьютера, а затем они обращаются к жесткому диску и выбирают загрузочный сектор. Этот загрузочный сектор является отдельной небольшой программой, которую BIOS сначала считывает с диска, а затем размещает в оперативной памяти. После этого микропроцессор начинает выполнять команды расположенного в ОЗУ загрузочного сектора. Программа загрузочного сектора сообщает микропроцессору о том, какие данные (предназначенные для последующего выполнения процессором) следует дополнительно переместить с жесткого диска в оперативную память. Именно так происходит процесс загрузки процессором операционной системы.

Инструкции микропроцессора

Приведем список слов-команд языка ассемблера для условного простого процессора, который мы рассматриваем в качестве примера к нашему повествованию:

• LOADA mem — Загрузить (load) регистр A из некоторого адреса памяти
• LOADB mem — Загрузить (load) регистр B из некоторого адреса памяти
• CONB con — Загрузить постоянное значение (constant value) в регистр B
• SAVEB mem — Сохранить (save) значение регистра B в памяти по определенному адресу
• SAVEC mem — Сохранить (save) значение регистра C в памяти по определенному адресу
• ADD — Сложить (add) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
• SUB — Вычесть (subtract) значение регистра B из значения регистра A. Результат действия сохранить в регистре C
• MUL — Перемножить (multiply) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
• DIV — Разделить (divide) значение регистра A на значение регистра B. Результат действия сохранить в регистре C
• COM — Сравнить (compare) значения регистров A и B. Результат передать в тестовый регистр
• JUMP addr — Перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JEQ addr — Если выполняется условие равенства значений двух регистров, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JNEQ addr — Если условие равенства значений двух регистров не выполняется, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JG addr — Если значение больше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JGE addr — Если значение больше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JL addr — Если значение меньше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JLE addr — Если значение меньше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• STOP — Остановить (stop) выполнение

Английские слова, обозначающие выполняемые действия, в скобках приведены неспроста. Так мы можем видеть, что язык ассемблера (как и многие другие языки программирования) основан на английском языке, то есть на привычном средстве общения тех людей, которые создавали цифровые технологии.

Работа микропроцессора на примере вычисления факториала

факториал от 5 = 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120

На языке программирования C этот фрагмент кода, выполняющего данное вычисление, будет выглядеть следующим образом:

Когда эта программа завершит свою работу, переменная f будет содержать значение факториала от пяти.

Компилятор C транслирует (то есть переводит) этот код в набор инструкций языка ассемблера. В рассматриваемом нами процессоре оперативная память начинается с адреса 128, а постоянная память (которая содержит язык ассемблера) начинается с адреса 0. Следовательно, на языке данного процессора эта программа будет выглядеть так:

// Предположим, что a по адресу 128// Предположим, что F по адресу 1290 CONB 1 // a=1;1 SAVEB 1282 CONB 1 // f=1;3 SAVEB 1294 LOADA 128 // if a > 5 the jump to 175 CONB 56 COM7 JG 178 LOADA 129 // f=f*a;9 LOADB 12810 MUL11 SAVEC 12912 LOADA 128 // a=a+1;13 CONB 114 ADD15 SAVEC 12816 JUMP 4 // loop back to if17 STOP

Теперь возникает следующий вопрос: а как же все эти команды выглядят в постоянной памяти? Каждая из этих инструкций должна быть представлена в виде двоичного числа. Чтобы упростить понимание материала, предположим, что каждая из команд языка ассемблера рассматриваемого нами процессора имеет уникальный номер:

• LOADA — 1
• LOADB — 2
• CONB — 3
• SAVEB — 4
• SAVEC mem — 5
• ADD — 6
• SUB — 7
• MUL — 8
• DIV — 9
• COM — 10
• JUMP addr — 11
• JEQ addr — 12
• JNEQ addr — 13
• JG addr — 14
• JGE addr — 15
• JL addr — 16
• JLE addr — 17
• STOP — 18

Будем считать эти порядковые номера кодами машинных команд (opcodes). Их еще называют кодами операций. При таком допущении, наша небольшая программа в постоянной памяти будет представлена в таком виде:

// Предположим, что a по адресу 128// Предположим, что F по адресу 129Addr машинная команда/значение0 3 // CONB 11 12 4 // SAVEB 1283 1284 3 // CONB 15 16 4 // SAVEB 1297 1298 1 // LOADA 1289 12810 3 // CONB 511 512 10 // COM13 14 // JG 1714 3115 1 // LOADA 12916 12917 2 // LOADB 12818 12819 8 // MUL20 5 // SAVEC 12921 12922 1 // LOADA 12823 12824 3 // CONB 125 126 6 // ADD27 5 // SAVEC 12828 12829 11 // JUMP 430 831 18 // STOP

Как вы заметили, семь строчек кода на языке C были преобразованы в 18 строчек на языке ассемблера. Они заняли в ПЗУ 32 байта.

Декодирование

Дешифратор команд нужен для того, чтобы перевести каждый машинный код в набор сигналов, приводящих в действие различные компоненты микропроцессора. Если упростить суть его действий, то можно сказать, что именно он согласует «софт» и «железо».

Рассмотрим работу дешифратора команд на примере инструкции ADD, выполняющей действие сложения:

• В течение первого цикла тактовой частоты процессора происходит загрузка команды. На этом этапе дешифратору команд необходимо: активировать буфер сортировки для счетчика команд; активировать канал чтения (RD); активировать защелку буфера сортировки на пропуск входных данных в регистр команд
• В течение второго цикла тактовой частоты процессора команда ADD декодируется. На этом этапе арифметико-логическое устройство выполняет сложение и передает значение в регистр C
• В течение третьего цикла тактовой частоты процессора счетчик команд увеличивает свое значение на единицу (теоретически, это действие пересекается с происходившим во время второго цикла)

Каждая команда может быть представлена в виде набора последовательно выполняемых операций, которые в определенном порядке манипулируют компонентами микропроцессора. То есть программные инструкции ведут ко вполне физическим изменениям: например, изменению положения защелки. Некоторые инструкции могут потребовать на свое выполнение двух или трех тактовых циклов процессора. Другим может потребоваться даже пять или шесть циклов.

Микропроцессоры: производительность и тенденции

Многие транзисторы поддерживают технологию конвейеризации. В рамках конвейерной архитектуры происходит частичное наложение выполняемых инструкций друг на друга. Инструкция может требовать на свое выполнение все тех же пяти циклов, но если процессором одновременно обрабатываются пять команд (на разных этапах завершенности), то в среднем на выполнение одной инструкции потребуется один цикл тактовой частоты процессора.

Во многих современных процессорах дешифратор команд не один. И каждый из них поддерживает конвейеризацию. Это позволяет выполнять более одной инструкции за один такт процессора. Для реализации этой технологии требуется невероятное множество транзисторов.

64-битные процессоры

Основная причина, по которой процессорам нужна 64-битность, состоит в том, что данная архитектура расширяет адресное пространство. 32-битные процессоры могут получать доступ только к двум или четырем гигабайтам оперативной памяти. Когда-то эти цифры казались гигантскими, но миновали годы и сегодня такой памятью никого уже не удивишь. Несколько лет назад память обычного компьютера составляла 256 или 512 мегабайт. В те времена четырехгигабайтный лимит мешал только серверам и машинам, на которых работают большие базы данных.

Но очень быстро оказалось, что даже обычным пользователям порой не хватает ни двух, ни даже четырех гигабайт оперативной памяти. 64-битных процессоров это досадное ограничение не касается. Доступное им адресное пространство в наши дни кажется бесконечным: два в шестьдесят четвертой степени байт, то есть что-то около миллиарда гигабайт. В обозримом будущем столь гигантской оперативной памяти не предвидится.

64-битная адресная шина, а также широкие и высокоскоростные шины данных соответствующих материнских плат, позволяют 64-битным компьютерам увеличить скорость ввода и вывода данных в процессе взаимодействия с такими устройствами, как жесткий диск и видеокарта. Эти новые возможности значительно увеличивают производительность современных вычислительных машин.

Но далеко не все пользователи ощутят преимущества 64-битной архитектуры. Она необходима, прежде всего, тем, кто занимается редактированием видео и фотографий, а также работает с различными большими картинками. 64-битные компьютеры по достоинству оценены ценителями компьютерных игр. Но те пользователи, которые с помощью компьютера просто общаются в социальных сетях и бродят по веб-просторам да редактируют текстовые файлы никаких преимуществ этих процессоров, скорее всего, просто не почувствуют.