การวิเคราะห์เกตเดี่ยวของโปรเซสเซอร์ Pentium: Standard Cells

 (righto.com)
1 คะแนน โดย GN⁺ 2024-07-09 | 1 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp

Standard Cells ของโปรเซสเซอร์ Pentium เมื่อมองในระดับเกตเดี่ยว

  • แนะนำโปรเซสเซอร์ Pentium

    • Intel เปิดตัวโปรเซสเซอร์ Pentium อันทรงพลังในปี 1993
    • Pentium เป็นชิปที่ซับซ้อนซึ่งมีทรานซิสเตอร์ 3.3 ล้านตัว
    • ชิปนี้ใช้เทคโนโลยีเฉพาะที่เรียกว่า BiCMOS

  • การออกแบบ standard cell

    • โปรเซสเซอร์ยุคแรกในทศวรรษ 1970 จัดวางทรานซิสเตอร์ด้วยมือ
    • การจัดวางด้วยมือทำได้ช้าและเกิดข้อผิดพลาดได้มาก จึงมีการพัฒนาการออกแบบ standard cell แบบอัตโนมัติขึ้น
    • standard cell มีความสูงคงที่และความกว้างปรับเปลี่ยนได้ โดยจัดเรียงเป็นแถว

  • ภาพรวมของ CMOS

    • โปรเซสเซอร์สมัยใหม่ประกอบด้วยวงจร CMOS ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ NMOS และ PMOS
    • ทรานซิสเตอร์ NMOS จะเปิดเมื่อเกตมีค่าสูง และ PMOS จะเปิดเมื่อเกตมีค่าต่ำ
    • วงจร CMOS ใช้แนวทางแบบเสริมกัน

  • ชั้นวงจรของ Pentium

    • Pentium มีชั้นเดินสายโลหะสี่ชั้นอยู่บนพื้นผิวของซิลิคอนได
    • แต่ละชั้นโลหะเชื่อมต่อกับชั้นบนและชั้นล่าง ทำให้สัญญาณสามารถเดินทางข้ามชิปได้
    • ซอฟต์แวร์วางตำแหน่งและกำหนดเส้นทางอัตโนมัติสร้างเส้นทางการเดินสายที่ซับซ้อน

  • อินเวอร์เตอร์

    • อินเวอร์เตอร์แบบ CMOS ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ PMOS หนึ่งตัวและ NMOS หนึ่งตัว
    • เมื่ออินพุตเป็น 1 ทรานซิสเตอร์ NMOS จะเปิด ทำให้เอาต์พุตเป็น 0 และเมื่ออินพุตเป็น 0 ทรานซิสเตอร์ PMOS จะเปิด ทำให้เอาต์พุตเป็น 1

  • เกต NAND

    • เกต NAND ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ PMOS สองตัวและ NMOS สองตัว
    • เมื่ออินพุตทั้งสองมีค่าสูง ทรานซิสเตอร์ NMOS จะเปิด ทำให้เอาต์พุตมีค่าต่ำ
    • เมื่ออินพุตตัวใดตัวหนึ่งมีค่าต่ำ ทรานซิสเตอร์ PMOS จะเปิด ทำให้เอาต์พุตมีค่าสูง

  • เกต OR-NAND

    • เกต OR-NAND ที่มีอินพุต 5 ตัวมีโครงสร้างที่ซับซ้อน
    • วงจร NMOS จัดแบบขนาน ส่วนวงจร PMOS จัดแบบอนุกรม

  • แลตช์

    • แลตช์เก็บข้อมูลได้ 1 บิตและถูกควบคุมด้วยสัญญาณนาฬิกา
    • เมื่อนาฬิกาอยู่ในระดับสูง อินพุตจะปรากฏที่เอาต์พุตทันที และเมื่อนาฬิกาอยู่ในระดับต่ำ จะคงค่าก่อนหน้าไว้

  • ฟลิปฟลอป

    • ฟลิปฟลอปคล้ายกับแลตช์ แต่มีอินพุตนาฬิกาแบบไวต่อขอบสัญญาณแทนที่จะไวต่อระดับ
    • มันจะจดจำค่าอินพุตเมื่อสัญญาณนาฬิกาเปลี่ยนจากระดับต่ำไปเป็นระดับสูง

  • บัฟเฟอร์ BiCMOS

    • Pentium ใช้เทคโนโลยี BiCMOS ที่ใช้ทั้ง CMOS และทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์
    • วงจร BiCMOS ช่วยลดความหน่วงของสัญญาณได้สูงสุด 35%

  • บทสรุป

    • เลย์เอาต์ standard cell ถูกใช้อย่างกว้างขวางในชิปสมัยใหม่
    • Pentium มีลักษณะเฉพาะจากการใช้วงจร BiCMOS
    • แม้โปรเซสเซอร์ที่ซับซ้อนก็ยังประกอบขึ้นจากวงจรทรานซิสเตอร์ที่เรียบง่าย

สรุปโดย GN⁺

  • โปรเซสเซอร์ Pentium เป็นชิปทรงพลังที่เปิดตัวในปี 1993 และมีทรานซิสเตอร์ 3.3 ล้านตัว
  • การออกแบบ standard cell ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อแก้ข้อเสียของการจัดวางด้วยมือ และใช้ซอฟต์แวร์วางตำแหน่งและกำหนดเส้นทางอัตโนมัติ
  • เทคโนโลยี BiCMOS มีประสิทธิภาพในการลดความหน่วงของสัญญาณ แต่ไม่ได้ใช้ในวงจรดิจิทัลสมัยใหม่แล้ว
  • บทความนี้วิเคราะห์วงจรของ Pentium อย่างละเอียด เพื่อแสดงให้เห็นว่าแม้โปรเซสเซอร์ที่ซับซ้อนก็ยังประกอบขึ้นจากวงจรทรานซิสเตอร์ที่เรียบง่าย

บทความที่เกี่ยวข้อง

1 ความคิดเห็น

 
GN⁺ 2024-07-09
ความเห็นจาก Hacker News

  • Intel ใช้เทคโนโลยีการจัดวางและการเดินสายอัตโนมัติกับโปรเซสเซอร์ 386

    • เทคโนโลยีนี้เร็วกว่าการทำด้วยมือมากและช่วยลดข้อผิดพลาดได้อย่างมาก
    • การจัดวางทำด้วยโปรแกรม Timberwolf ที่พัฒนาโดยนักศึกษาปริญญาโทของ Berkeley
    • หนึ่งในสมาชิกทีมบอกว่า ถ้าฝ่ายบริหารรู้ว่าใช้เครื่องมือของนักศึกษาปริญญาโท ก็คงไม่อนุญาต
    • นักศึกษาคนนั้นคือ Carl Sechen และอาจารย์ที่ปรึกษาคือ Alberto Sangiovanni-Vincentelli

  • โปรเซสเซอร์สมัยใหม่ศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์ได้ยาก เพราะทรานซิสเตอร์มีขนาดระดับนาโนเมตร

    • มีความเห็นว่าควรระดมทุนซื้อกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนให้ Ken

  • มีความเห็นว่ามองไม่เห็นภาพ

    • เป็นเพราะ CloudFlare และต้องผ่านขั้นตอน "ยืนยันว่าเป็นมนุษย์" ตอนเข้าไปที่หน้าเว็บ
    • แต่ตอนโหลดภาพก็ต้องผ่านการยืนยันแบบเดียวกัน ทว่าหน้าต่างยืนยันไม่แสดงขึ้น จึงทำให้ภาพไม่โหลด

  • มีความเห็นว่าความแตกต่างระหว่าง standard cells ที่กล่าวถึงในบทความกับเซลล์ปัจจุบันคือมีการตัด routing channels ออกไป

    • ในอดีตมีการยืดเส้น polysilicon เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้โลหะพาดข้ามเส้น Vdd และกราวด์
    • ปัจจุบันมีชั้นโลหะเพียงพอ จึงสามารถเดินสายผ่านตัวเซลล์เองได้
    • ต้องหลีกเลี่ยง via ที่ลงไปยังทรานซิสเตอร์สำหรับอินพุตและเอาต์พุต
    • การกลับแถวของเซลล์เพื่อให้รางของ PMOS และ NMOS ซ้อนทับกันยังให้ประโยชน์เพิ่มเติมด้วย

  • มีความเห็นว่าโพสต์บล็อกของ Ken น่าทึ่งเสมอ

    • ชอบงานของเขามากและอยากให้ทำต่อไป

  • มีคำถามว่า ซอฟต์แวร์ EDA สมัยใหม่มีความซับซ้อนพอที่จะวางทรานซิสเตอร์ได้โดยไม่ต้องพึ่ง standard cells หรือไม่

  • มีความเห็นว่าการ "ชำแหละ" โปรเซสเซอร์อาจเป็นกิจกรรมการเรียนรู้แบบเดียวกับการผ่ากบในโรงเรียนได้

    • น่าจะทั้งสนุกและให้ความรู้โดยไม่มีประเด็นเรื่องสิทธิสัตว์

  • มีการแชร์ลิงก์สำหรับผู้ที่สนใจ standard cells แบบโอเพนซอร์ส

  • มีความเห็นว่าดีใจที่ลิงก์ "ป๊อปคัลเจอร์" ตรงกับเพลงที่คาดหวังไว้อย่างพอดี