왜 그렇게 많은 트랜지스터가 필요한가요?

트랜지스터는 전기 회로, 즉 스위치와 같은 다양한 용도로 사용되어 전자 신호를 증폭시켜 전류 등을 제어 할 수 있습니다.

그러나 최근에 나는 임의의 인터넷 기사 중에서 무어의 법칙에 대해 현대의 ​​전자 장치에는 수많은 수의 트랜지스터가 내장되어 있으며 현대 전자 장치에있는 트랜지스터의 수는 수십억이 아닌 수백만의 범위에 있음을 읽었습니다.

그러나 왜 누군가가 왜 그렇게 많은 트랜지스터를 필요로할까요? 트랜지스터가 스위치 등으로 작동한다면 현대 전자 장치에 왜 그렇게 많은 양의 트랜지스터가 필요합니까? 현재 사용중인 것보다 훨씬 적은 트랜지스터를 사용하도록보다 효율적으로 작업을 수행 할 수 없습니까?

트랜지스터는 스위치이지만, 스위치는 단순히 조명을 켜고 끄는 것 이상입니다.

스위치는 논리 게이트로 그룹화됩니다. 논리 게이트는 논리 블록으로 그룹화됩니다. 논리 블록은 논리 기능으로 그룹화됩니다. 논리 기능은 칩으로 그룹화됩니다.

예를 들어, TTL NAND 게이트는 일반적으로 2 개의 트랜지스터를 사용합니다 (NAND 게이트는 NOR과 함께 논리의 기본 빌딩 블록 중 하나로 간주 됨).

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}

기술이 TTL에서 CMOS로 전환되면서 (현재 사실상 표준 임) 기본적으로 순간적으로 두 배의 트랜지스터가있었습니다. 예를 들어, NAND 게이트는 2 개의 트랜지스터에서 4로 갔다.

^{이 회로를 시뮬레이션}

래치 (SR과 같은)는 2 개의 CMOS NAND 게이트, 즉 8 개의 트랜지스터를 사용하여 만들 수 있습니다. 따라서 32 비트 레지스터는 32 개의 플립 플롭, 따라서 64 개의 NAND 게이트 또는 256 개의 트랜지스터를 사용하여 만들 수 있습니다. ALU는 여러 개의 레지스터와 많은 다른 게이트를 가질 수 있으므로 트랜지스터 수가 빠르게 증가합니다.

칩이 수행하는 기능이 복잡할수록 더 많은 게이트가 필요하므로 더 많은 트랜지스터가 필요합니다.

요즘 평균 CPU는 30 년 전의 Z80 칩보다 훨씬 더 복잡합니다. 너비의 8 배인 레지스터를 사용할뿐만 아니라 실제 수행하는 작업 (복잡한 3D 변환, 벡터 처리 등)은 이전 칩이 수행 할 수있는 것보다 훨씬 더 복잡합니다. 최신 CPU의 단일 명령어는 오래된 8 비트에서 몇 초 (또는 몇 분)의 계산 시간이 소요될 수 있으며, 결국에는 더 많은 트랜지스터를 사용하여 수행됩니다.

나는 다양한 반도체 장치의 현지 공급 업체와 그들이 가지고있는 가장 큰 SRAM 칩을 32Mbits로 확인했습니다. 1 또는 0을 저장할 수있는 3 천 2 백만 개의 개별 영역입니다. 1 비트의 정보를 저장하기 위해 "적어도"1 개의 트랜지스터가 필요하다는 것을 감안할 때, 그것은 절대 최소값에서 3 천 2 백만 개의 트랜지스터입니다.

32MB는 무엇을 얻습니까? 4MB 또는 저품질 4 분 MP3 음악 파일 크기입니다.

편집-내 인터넷 검색에 따른 SRAM 메모리 셀은 다음과 같습니다.-

그래서 그것은 비트 당 6 개의 트랜지스터이고 제가 언급 한 칩의 1 억 9 천 9 백만 트랜지스터와 같습니다.

트랜지스터가 많은 전자 장치 로 인해 OP가 혼동 될 수 있다고 생각합니다 . 무어의 법칙은 주로 컴퓨터 (CPU, SRAM / DRAM / 관련 스토리지, GPU, FPGA 등) 의 관심사입니다 . 트랜지스터 라디오와 같은 뭔가가 하나의 칩에 (대부분)이 될 수도 있지만 모두 사용할 수 없습니다 그 많은 트랜지스터. 반면에, 컴퓨팅 장치는 추가 기능 및 더 넓은 데이터 폭을위한 트랜지스터에 대한 만족스러운 욕구를 갖는다.

앞에서 언급했듯이 SRAM에는 비트 당 6 개의 트랜지스터가 필요합니다. 효율성을 높이기 위해 캐시를 확장함에 따라 점점 더 많은 트랜지스터가 필요합니다. 프로세서 웨이퍼를 보면 캐시가 프로세서의 단일 코어보다 크다는 것을 알 수 있으며 코어를 자세히 살펴보면 캐시가 잘 정리 된 부분 (캐시 데이터 및 명령 L1)을 볼 수 있습니다. 캐시). 6MB의 캐시를 사용하려면 3 억 개의 트랜지스터 (및 주소 지정 논리)가 필요합니다.

그러나 앞서 언급 한 바와 같이 트랜지스터 수가 트랜지스터 수를 증가시키는 유일한 이유는 아닙니다. 최신 Core i7에서는 클럭주기 및 코어 당 7 개 이상의 명령이 실행됩니다 (잘 알려진 dhrystone 테스트 사용). 이것은 최첨단 프로세서가 많은 병렬 컴퓨팅을 수행한다는 것을 의미합니다. 동시에 더 많은 작업을 수행하려면 더 많은 작업을 수행해야하고 작업을 예약하기 위해 매우 영리한 논리가 필요합니다. 영리한 논리에는 훨씬 더 복잡한 논리 방정식이 필요하며이를 구현하려면 훨씬 더 많은 트랜지스터가 필요합니다.

세부 사항에서 조금 벗어나기 :

컴퓨터는 복잡한 디지털 스위칭 장치입니다. 그들은 복잡한 층에 층을두고있다. 가장 간단한 레벨은 NAND 게이트와 같은 로직 게이트입니다. 다음으로 가산기, 시프트 레지스터, 래치 등을 얻습니다. 그런 다음 클럭 로직, 명령어 디코딩, 캐시, 산술 단위, 주소 디코딩을 추가하고 계속 진행합니다. . (메모리는 말할 것도없고, 저장된 데이터 비트 당 여러 개의 트랜지스터가 필요합니다)

이러한 모든 수준은 이전 수준의 복잡성에서 많은 부분을 사용하고 있으며, 모두 기본 논리 게이트를 기반으로합니다.

그런 다음 동시성을 추가합니다. 더 빠르고 빠른 성능을 얻기 위해 최신 컴퓨터는 동시에 많은 작업을 수행하도록 설계되었습니다. 단일 코어 내에서, 주소 디코더, 산술 단위, 벡터 프로세서, 캐시 관리자 및 기타 다양한 서브 시스템은 모두 자체 제어 시스템 및 타이밍 시스템과 함께 동시에 실행됩니다.

최신 컴퓨터에는 또한 더 많은 수의 개별 코어 (칩의 여러 CPU)가 있습니다.

추상화 계층을 올라갈 때마다 훨씬 더 복잡합니다. 가장 낮은 수준의 복잡성에도 수천 개의 트랜지스터가 있습니다. CPU와 같은 높은 수준의 하위 시스템으로 이동하면 최소한 수백만 개의 트랜지스터를 사용하고 있습니다.

그리고 GPU (Graphics Processing Units)가 있습니다. GPU에는 벡터 수학을 수행하도록 최적화 된 THOUSAND 별도의 부동 소수점 프로세서가있을 수 있으며 각 하위 프로세서에는 수백만 개의 트랜지스터가 있습니다.

특정 항목에 몇 개의 트랜지스터가 필요한지 논의하지 않고 CPU는 다음과 같은 향상된 기능을 위해 더 많은 트랜지스터를 사용합니다.

• 더 복잡한 명령어 세트
• RAM에서 더 적은 페치가 필요하도록 더 많은 온칩 캐시
• 더 많은 레지스터
• 더 많은 프로세서 코어

RAM, 캐시, 레지스터의 원시 스토리지 용량을 늘리고 더 많은 컴퓨팅 코어와 더 넓은 버스 폭 (32 대 64 비트 등)을 추가하는 것 외에도 CPU가 점점 복잡해지기 때문입니다.

CPU는 다른 컴퓨팅 장치로 구성된 컴퓨팅 장치입니다. CPU 명령어는 여러 단계를 거칩니다. 옛날에는 한 단계가 있었으며 클럭 신호는 모든 논리 게이트 (트랜지스터로 만든)가 안착되는 최악의 시간만큼 길었습니다. 그런 다음 파이프 라이닝을 발명하여 CPU를 단계별로 나눕니다. 명령 가져 오기, 디코딩, 처리 및 결과 쓰기. 이 간단한 4 단계 CPU는 원래 클럭의 4 배 속도로 실행될 수 있습니다. 각 단계는 다른 단계와 별개입니다. 즉, 클럭 속도가 4x (4x 게인)로 4 배 증가 할 수있을뿐만 아니라 이제 CPU에 4 개의 명령어를 계층화 (또는 "파이프 라인")하여 4 배의 성능을 얻을 수 있습니다. 그러나 하나의 명령이 이전 명령의 결과에 따라 달라질 수 있기 때문에 "위험"이 생성됩니다. 파이프 라인을 사용하면 다른 단계가 프로세스 단계를 종료 할 때 프로세스 단계에 들어가므로 얻을 수 없습니다. 따라서이 결과를 프로세스 단계로 들어가는 명령으로 전달하려면 회로를 추가해야합니다. 대안은 성능을 저하시키는 파이프 라인을 정지시키는 것입니다.

각 파이프 라인 단계, 특히 프로세스 부분은 점점 더 많은 단계로 세분 될 수 있습니다. 결과적으로 파이프 라인의 모든 상호 종속성 (위험)을 처리 할 방대한 양의 회로를 생성하게됩니다.

다른 회로도 향상 될 수 있습니다. "리플 캐리"가산기라고하는 사소한 디지털 가산기는 가장 쉽고, 작지만 가장 느린 가산기입니다. 가장 빠른 가산기는 "캐리어 미리보기 (carry-ahead)"가산기이며 엄청나게 많은 양의 회로를 사용합니다. 컴퓨터 엔지니어링 과정에서 32 비트 캐리 룩어 헤드 가산기의 시뮬레이터에서 메모리가 부족하여 리플 캐리 구성에서 2 개의 16 비트 CLA 가산기를 반으로 줄였습니다. (더하기와 빼기는 컴퓨터에 매우 어렵고 곱하기 쉽고 나누기가 매우 어렵습니다)

이 모든 것의 부작용은 트랜지스터의 크기를 줄이고 스테이지를 세분화함에 따라 클럭 주파수가 증가 할 수 있다는 것입니다. 따라서 프로세서가 더 많은 작업을 수행 할 수 있으므로 더 뜨겁게 실행됩니다. 또한, 주파수가 증가함에 따라 전파 지연이보다 분명해집니다 (파이프 라인 단계가 완료되고 신호가 다른 쪽에서 사용 가능 해지는 데 걸리는 시간). 임피던스로 인해 전파의 유효 속도는 나노 초당 약 1 피트입니다. (1Ghz). 클럭 속도가 증가함에 따라 4Ghz 칩의 최대 크기가 3 인치이므로 칩 레이아웃이 점점 중요 해지고 있습니다. 이제 칩 주변의 모든 데이터를 관리하기 위해 추가 버스와 회로를 포함시켜야합니다.

또한 칩에 대한 지침도 항상 추가합니다. SIMD (단일 명령 다중 데이터), 절전 등 모두 회로가 필요합니다.

마지막으로 칩에 더 많은 기능을 추가합니다. 예전에는 CPU와 ALU (산술 논리 장치)가 분리되어있었습니다. 우리는 그것들을 결합했습니다. FPU (부동 소수점 단위)는 분리되어 결합되었습니다. 요즘에는 USB 3.0, 비디오 가속, MPEG 디코딩 등을 추가하고 있습니다. 소프트웨어에서 하드웨어로 점점 더 많은 계산을 옮깁니다.

Majenko는 트랜지스터 사용 방법에 대한 훌륭한 답변을 제공합니다. 다른 접근 방식에서 벗어나 효율성을 다루겠습니다.

무언가를 설계 할 때 가능한 적은 트랜지스터를 사용하는 것이 효율적입니까?

이것은 기본적으로 당신이 말하는 효율성으로 요약됩니다. 아마도 당신은 가능한 적은 수의 트랜지스터를 사용해야한다고 주장하는 종교의 일원 일 것입니다.이 경우 대답은 거의 주어집니다. 아니면 제품을 만드는 회사 일 수도 있습니다. 갑자기 효율성에 대한 간단한 질문은 비용-이익 비율에 대한 매우 복잡한 질문이됩니다.

집적 회로의 트랜지스터는 매우 저렴하고 시간이 지남에 따라 점점 저렴 해지고 있습니다 (SSD는 트랜지스터 비용이 어떻게 하락했는지를 보여주는 훌륭한 예입니다). 반면에 노동은 매우 비싸다.

IC가 방금 시작된시기에 필요한 부품의 양을 가능한 한 낮게 유지해야한다는 압박이있었습니다. 이는 단순히 최종 제품 비용 (실제로 대부분의 제품 비용)에 상당한 영향을 미치기 때문에 완성 된 "박스형"제품을 만들 때 인건비는 당신이 만드는 모든 조각에 퍼집니다. 초기 IC 기반 컴퓨터 (비디오 아케이드를 생각하십시오)는 가능한 한 작은 조각 당 비용으로 구동되었습니다. 그러나 고정 비용 (개별 비용과 달리)은 판매 할 수있는 금액의 영향을 크게받습니다. 부부 만 팔려고한다면 조각 당 비용을 낮추는 데 너무 많은 시간을 할애 할 가치가 없었을 것입니다. 반면에 거대한 시장을 만들려고한다면

중요한 부분에 주목하십시오. 대량 생산을 위해 무언가를 디자인 할 때 "효율성"을 개선하는 데 많은 시간을 투자하는 것이 좋습니다. 이것은 기본적으로 "산업"입니다. 숙련 된 인력 비용은 종종 완성 된 제품의 주요 비용이며, 공장에서는 더 많은 비용이 재료와 (비교적) 비 숙련 노동에서 비롯됩니다.

PC 혁명으로 빠르게 넘어 갑시다. IBM 스타일의 PC가 등장했을 때 매우 어리 석었습니다. 매우 바보입니다. 그들은 범용 컴퓨터였습니다. 거의 모든 작업에서 더 빠르고 더 빠르고 저렴하게 장치를 설계 할 수 있습니다. 다시 말해, 단순한 효율성 관점에서 보면 비효율적이었습니다. 계산기는 훨씬 저렴하고 주머니에 넣고 오랫동안 배터리를 사용합니다. 비디오 게임 콘솔에는 게임 제작에 매우 유용한 특별한 하드웨어가 있습니다. 문제는 다른 일을 할 수 없다는 것이 었습니다. PC는 모든 것을 할 수 있습니다-가격 / 출력 비율이 훨씬 나빴지 만 계산기 또는 2D 스프라이트 게임 콘솔을 사용하지 않았습니다. Wolfenstein과 Doom (Apple PC의 경우) 마라톤)은 게임 콘솔이 아닌 범용 컴퓨터에 표시됩니까? 콘솔은 2D 스프라이트 기반 게임 (일반적인 JRPG 또는 Contra와 같은 게임을 상상)을 수행하는 데 매우 뛰어 나기 때문에 효율적인 하드웨어에서 벗어나고 싶을 때 처리 능력이 충분하지 않다는 것을 알게되었습니다!

따라서 분명히 덜 효율적인 접근 방식은 매우 흥미로운 옵션을 제공합니다.

• 그것은 당신에게 더 많은 자유를줍니다. 구식 2D 콘솔과 구식 IBM PC, 구식 3D 그래픽 가속기를 현대 GPU와 대조하면 서서히 범용 컴퓨터가되고 있습니다.
• 최종 제품 (소프트웨어)이 어떤 방식으로 "아티산"이더라도 대량 생산 효율성을 높일 수 있습니다. 따라서 인텔과 같은 회사는 전 세계의 모든 개별 개발자보다 작업 비용을 훨씬 효율적으로 줄일 수 있습니다.
• 개발에서 더 많은 추상화를위한 더 많은 공간을 제공하므로 준비된 솔루션을 더 잘 재사용 할 수있어 개발 및 테스트 비용을 낮추고 더 나은 출력을 얻을 수 있습니다. 이것이 기본적으로 모든 남학생이 데이터베이스 액세스 및 인터넷 연결 기능을 갖춘 본격적인 GUI 기반 응용 프로그램과 항상 처음부터 시작해야 할 경우 개발하기가 매우 어려운 다른 모든 것을 작성할 수있는 이유입니다.
• PC에서 이것은 응용 프로그램이 기본적으로 입력없이 시간이 지남에 따라 더 빨 랐음을 의미했습니다. 자유 점심 시간은 컴퓨터의 기본 속도를 향상시키기가 점점 더 어려워지고 있지만 대부분의 PC 수명을 형성했기 때문에 대부분의 시간이 끝났습니다.

이 모든 것은 트랜지스터의 "폐기물"에서 발생하지만 실제 총 비용은 단순한 "가능한 적은 수의 트랜지스터"를 사용하는 경우보다 실제 총 비용이 저렴 하기 때문에 실제 낭비가 아닙니다 .

"너무 많은 트랜지스터"이야기의 또 다른 측면은 이러한 트랜지스터가 인간에 의해 개별적으로 설계되지 않았다는 것입니다. 최신 CPU 코어는 약 10 억 개의 트랜지스터를 가지고 있으며, 이러한 트랜지스터 중 하나를 직접 설계하는 사람은 없습니다. 불가능합니다. 75 년의 수명은 23 억 초에 불과합니다.

따라서, 이러한 거대한 디자인을 실현 가능하게하기 위해, 인간은 개별 트랜지스터보다 훨씬 더 높은 추상화 레벨에서 장치의 기능을 정의하는 데 관여합니다. 개별 트랜지스터로의 변환은 회로 합성으로 알려져 있으며, 수십 년에 걸쳐 개발하는 데 10 억 달러 정도의 비용이 드는 주요 독점 도구를 사용하여 주요 CPU 제조업체와 파운드리 사이에 통합됩니다.

회로 합성 툴은 가능한 가장 적은 수의 트랜지스터로 설계를 생성하지 않습니다. 이것은 여러 가지 이유로 수행됩니다.

먼저 가장 기본적인 경우를 다루겠습니다. 복잡한 회로는 메모리가 충분하고 훨씬 간단한 직렬 CPU로 시뮬레이션 할 수 있습니다. Arduino에 충분한 직렬 RAM을 연결하면 i7 칩을 완벽하게 정확하게 시뮬레이션 할 수 있습니다. 이러한 솔루션은 실제 CPU보다 훨씬 적은 트랜지스터를 가지며 1kHz 이하의 유효 클럭 속도로 아주 느리게 실행됩니다. 우리는 명확하게 갈 트랜지스터 수가 감소하지 않을 까지 그 .

따라서 우리는 특정 설계-트랜지스터 변환, 즉 원래 설계에 내장 된 병렬 용량을 유지하는 변환으로 제한해야합니다.

그럼에도 불구하고, 최소 개수의 트랜지스터에 대한 최적화는 기존의 반도체 공정을 사용하여 제조 할 수없는 설계를 생성 할 수 있습니다. 왜? 실제로 만들 수있는 칩은 2D 구조이기 때문에 약간의 회로 중복성이 필요하므로 킬로그램의 금속을 사용하지 않고도 트랜지스터를 서로 연결할 수 있습니다. 트랜지스터의 팬인 및 팬 아웃 및 결과 게이트는 중요합니다.

마지막으로이 툴은 이론적으로 완벽하지는 않다. 일반적으로 제조 가능한 칩의 제약 조건에 따라 트랜지스터 수 측면에서 전 세계적으로 최소의 솔루션을 생성하려면 CPU 시간과 메모리가 너무 많이 필요하다.

OP가 알아야 할 것은 '간단한 스위치'에 종종 여러 개의 트랜지스터가 필요하다는 것입니다. 왜? 여러 가지 이유가 있습니다. 때때로 '켜짐'또는 '꺼짐'상태에서 전력 사용량이 낮도록 추가 트랜지스터가 필요합니다. 때로는 전압 입력 또는 구성 요소 사양의 불확실성을 처리하기 위해 트랜지스터가 필요합니다. 많은 이유가 있습니다. 그러나 나는 그 점에 감사한다. OP-AMP의 회로도를 보면 수십 개의 트랜지스터가 보입니다! 그러나 그들은 회로에 어떤 목적을 제공하지 않으면 거기에 없었을 것입니다.

기본적으로 모든 컴퓨터는 0과 1을 이해합니다. 이러한 스위치에 의해 결정됩니다. 그렇습니다. 트랜지스터의 기능은 스위치의 기능보다 더 큽니다. 따라서 스위치가 출력이 0인지 1인지를 결정할 수 있으면 (단일 bi 연산으로 가정) 비트 수가 더 많아집니다. 더 많은 트랜지스터 .. 왜 우리가 왜 단일 마이크로 프로세서에 수백만 개의 트랜지스터를 내장해야하는지 궁금하지 않습니다 .. :)

기술 시대에는 스마트 기기 (작고 빠르며 효율적인)가 필요합니다. 이 장치는 IC (No.)를 포함하는 집적 회로 (IC)로 구성됩니다. 트랜지스터. 전자 장치에서 IC의 모든 회로는 가산기, 감산기, 곱셈기, 분배기, 논리 게이트, 레지스터, 멀티플렉서, 플립 플롭, 카운터, 시프터, 메모리로 구성되어 있기 때문에 IC를 더욱 스마트하고 빠르게 만들려면 더 많은 트랜지스터가 필요합니다. 장치의 로직을 구현하기위한 마이크로 프로세서 등이 있으며 이들은 트랜지스터 (MOSFET)로만 구성됩니다. 트랜지스터의 도움으로 모든 로직을 구현할 수 있습니다. 그래서 우리는 점점 더 많은 트랜지스터가 필요합니다 .....