प्रोसेसर कैसे डिजाइन और निर्मित होते हैं: सीपीयू डिजाइन

अब जब हम जानते हैं कि प्रोसेसर उच्च स्तर पर कैसे काम करते हैं, तो यह उनके आंतरिक घटकों को डिजाइन करने की प्रक्रिया में गहराई से उतरने का समय है। प्रोसेसर विकास पर एक श्रृंखला में यह दूसरा लेख है। मेरा सुझाव है कि आप पहले भाग का अध्ययन करें, ताकि आप नीचे उल्लिखित अवधारणाओं को समझ सकें।

भाग 1: कंप्यूटर वास्तुकला की मूल बातें (निर्देश सेट आर्किटेक्चर, कैशिंग, पाइपलाइन, हाइपरथ्रेडिंग)
भाग 2: सीपीयू डिज़ाइन प्रक्रिया (इलेक्ट्रिकल सर्किट, ट्रांजिस्टर, लॉजिक एलिमेंट्स, सिंक्रोनाइज़ेशन)
भाग 3: चिप का लेआउट और भौतिक निर्माण (वीएलएसआई और सिलिकॉन निर्माण)
भाग 4: कंप्यूटर आर्किटेक्चर में वर्तमान रुझान और महत्वपूर्ण भविष्य की दिशाएं (त्वरक का समुद्र, तीन आयामी एकीकरण, FPGA, मेमोरी कंप्लायंस के पास)

जैसा कि आप जानते हैं, प्रोसेसर और अधिकांश अन्य डिजिटल डिवाइस ट्रांजिस्टर से बने होते हैं। ट्रांजिस्टर को तीन संपर्कों के साथ नियंत्रित स्विच के रूप में देखने का सबसे आसान तरीका है। शटर चालू होने पर, ट्रांजिस्टर के माध्यम से विद्युत प्रवाह हो सकता है। शटर बंद होने पर, करंट प्रवाहित नहीं हो सकता है। शटर एक कमरे में एक प्रकाश स्विच की तरह है, केवल यह बहुत छोटा है, तेज है और इसे विद्युत रूप से नियंत्रित किया जा सकता है।

आधुनिक प्रोसेसर में दो मुख्य प्रकार के ट्रांजिस्टर का उपयोग किया जाता है: pMOS (PMOS) और nMOS (NMOS)। जब गेट को चार्ज किया जाता है या उच्च वोल्टेज होता है, तो nMOS ट्रांजिस्टर करंट गुजरता है, और जब गेट डिस्चार्ज होता है या कम वोल्टेज होता है, तो pMOS ट्रांजिस्टर करंट पास करता है। इस प्रकार के ट्रांजिस्टर को एक पूरक तरीके से जोड़कर, हम CMOS तर्क तत्व बना सकते हैं। इस लेख में, हम ट्रांजिस्टर के संचालन की विशेषताओं के बारे में विस्तार से विश्लेषण नहीं करेंगे, लेकिन हम श्रृंखला के तीसरे भाग में इस पर स्पर्श करेंगे।

एक तर्क तत्व एक सरल उपकरण है जो इनपुट सिग्नल प्राप्त करता है, एक ऑपरेशन करता है, और एक परिणाम आउटपुट करता है। उदाहरण के लिए, AND तत्व (AND) अपने आउटपुट सिग्नल को चालू करता है यदि और केवल यदि सभी गेट इनपुट चालू होते हैं। इन्वर्टर, या तत्व NOT (NOT), इनपुट अक्षम होने पर इसका आउटपुट चालू कर देता है। आप इन दो शटरों को जोड़ सकते हैं और एक नंद तत्व प्राप्त कर सकते हैं जो आउटपुट पर चालू होता है, अगर और केवल अगर कोई भी इनपुट चालू नहीं है। उनकी तार्किक कार्यक्षमता के साथ अन्य तत्व हैं, उदाहरण के लिए, या (OR), OR-NOT (NOR), अनन्य OR (XOR) और अनन्य OR व्युत्क्रम (XNOR)।

निम्नलिखित दर्शाता है कि ट्रांजिस्टर से दो सरल तत्व कैसे इकट्ठे किए जाते हैं: एक इन्वर्टर और नंद। इन्वर्टर में, pMOS ट्रांजिस्टर (शीर्ष) बिजली से जुड़ा होता है, और nMOS ट्रांजिस्टर (नीचे) जमीन से जुड़ा होता है। पीएमओएस ट्रांजिस्टर के पदनाम पर गेट से जुड़ा एक छोटा सा सर्कल है। हमने कहा कि इनपुट बंद होने पर pMOS डिवाइस करंट पास करते हैं, और इनपुट चालू होने पर nMOS डिवाइस करंट पास करते हैं, इसलिए यह नोटिस करना आसान है कि आउटपुट सिग्नल (आउट) हमेशा इनपुट सिग्नल (In) के विपरीत होगा। नंद तत्व को देखते हुए, हम देखते हैं कि इसके लिए चार ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती है, और यदि इनपुट कम से कम बंद हो जाता है तो आउटपुट हमेशा अक्षम हो जाएगा। सरल नेटवर्क बनाने के लिए इस तरह से ट्रांजिस्टर कनेक्ट करना एक ही प्रक्रिया है जो प्रोसेसर के अंदर अधिक जटिल तर्क तत्वों और अन्य सर्किटों को डिजाइन करने के लिए उपयोग किया जाता है।


तार्किक तत्वों के रूप में बिल्डिंग ब्लॉक इतने सरल हैं कि यह समझना मुश्किल है कि वे एक कामकाजी कंप्यूटर में कैसे बदल जाते हैं। डिज़ाइन प्रक्रिया में एक छोटे उपकरण को बनाने के लिए कई तत्वों का संयोजन होता है जो एक साधारण कार्य कर सकता है। फिर आप इनमें से कई उपकरणों को मिलाकर कुछ ऐसा बना सकते हैं जो अधिक जटिल कार्य करता है। एक कार्य संरचना बनाने के लिए अलग-अलग घटकों के संयोजन की प्रक्रिया वास्तव में आधुनिक चिप्स बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली प्रक्रिया है। अंतर केवल इतना है कि एक आधुनिक चिप में अरबों ट्रांजिस्टर होते हैं।

एक छोटे से उदाहरण के रूप में, आइए एक सरल योजक लें - 1-बिट पूर्ण योजक। यह तीन इनपुट सिग्नल प्राप्त करता है - ए, बी, और कैरी-इन (ट्रांसफर इनपुट सिग्नल), और दो आउटपुट सिग्नल बनाता है - सम (सम) और कैरी-आउट (ट्रांसफर आउटपुट सिग्नल)। सरलतम सर्किट पांच तर्क तत्वों का उपयोग करता है, और उन्हें किसी भी आकार के योजक बनाने के लिए एक साथ जोड़ा जा सकता है। आधुनिक योजनाओं में, तर्क और हस्तांतरण संकेतों के हिस्से का अनुकूलन करके इस प्रक्रिया में सुधार किया जाता है, लेकिन मूलभूत सिद्धांत समान रहते हैं।

Sum का आउटपुट या तो A या B है, लेकिन दोनों के लिए कभी नहीं, या कोई इनपुट कैरी सिग्नल है, और फिर A और B दोनों चालू हैं या दोनों बंद हैं। स्थानांतरण आउटपुट थोड़ा अधिक जटिल है। यह तब सक्रिय होता है जब A और B एक ही समय पर होते हैं, या कैरी-इन होता है और A या B में से एक चालू होता है। एक व्यापक योजक बनाने के लिए कई 1-बिट एडर्स को कनेक्ट करने के लिए, हमें बस पिछले बिट के कैरी-आउट को वर्तमान बिट के कैरी-इन से कनेक्ट करना होगा। जितने अधिक जटिल सर्किट बनते हैं, तर्क को और अधिक भ्रमित करते हैं, लेकिन दो संख्याओं को जोड़ने का यह सबसे आसान तरीका है। आधुनिक प्रोसेसर अधिक परिष्कृत योजक का उपयोग करते हैं, लेकिन इस तरह की समीक्षा के लिए उनके सर्किट बहुत जटिल हैं। योजक के अतिरिक्त, प्रोसेसर में इन सभी फ़्लोटिंग पॉइंट ऑपरेशंस के डिवाइडिंग, गुणा, और संस्करण के लिए डिवाइस भी होते हैं।


इनपुट संकेतों पर एक फ़ंक्शन करने के लिए तत्वों के अनुक्रमों के इस तरह के संयोजन को कॉम्बिनेटरियल लॉजिक कहा जाता है । हालाँकि, यह कंप्यूटर में उपयोग किया जाने वाला एकमात्र प्रकार का तर्क नहीं है। यदि हम डेटा को स्टोर नहीं कर सकते या स्थिति को ट्रैक नहीं कर सकते तो यह बहुत काम का नहीं होगा। डेटा को बचाने में सक्षम होने के लिए, हमें अनुक्रमिक तर्क की आवश्यकता है।

अनुक्रमिक तर्क बड़े करीने से इनवर्टर और अन्य तर्क तत्वों को जोड़कर बनाया गया है ताकि उनके आउटपुट तत्वों के इनपुट के लिए प्रतिक्रिया संकेत संचारित कर सकें। इस तरह के फीडबैक लूप्स का उपयोग एक बिट डेटा को स्टोर करने के लिए किया जाता है और इसे स्टैटिक रैम या SRAM कहा जाता है। इस मेमोरी को डायनेमिक रैम (DRAM) के विपरीत स्टेटिक रैम कहा जाता है क्योंकि संग्रहीत डेटा हमेशा सकारात्मक वोल्टेज या जमीन से जुड़ा होता है।

एक SRAM बिट को लागू करने का मानक तरीका नीचे दिखाए गए 6 ट्रांजिस्टर सर्किट के साथ है। WL ( वर्ड लाइन ) के रूप में चिह्नित ऊपरवाला संकेत पता है, और जब इसे चालू किया जाता है, तो इस 1-बिट सेल में संग्रहीत डेटा को बीएल के रूप में चिह्नित बिट लाइन में स्थानांतरित किया जाता है। BLB आउटपुट को बिट लाइन बार कहा जाता है; यह बिट लाइन का उलटा मूल्य है। आपको दो प्रकार के ट्रांजिस्टर को पहचानना होगा और समझना होगा कि एम 3 के साथ एम 3, एम 2 के साथ एम 4 के साथ, एक इन्वर्टर बनाते हैं।


SRAM का उपयोग प्रोसेसर के अंदर अल्ट्राफास्ट कैश और रजिस्टर बनाने के लिए किया जाता है। यह मेमोरी बहुत स्थिर है, लेकिन प्रत्येक बिट डेटा को संग्रहीत करने के लिए छह से आठ ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती है। इसलिए, DRAM की तुलना में, यह चिप पर लागत, जटिलता और क्षेत्र के मामले में बेहद महंगा है। दूसरी ओर, डायनेमिक रैम लॉजिक गेट्स का उपयोग करने के बजाय एक छोटे कैपेसिटर में डेटा स्टोर करता है। इसे गतिशील कहा जाता है, क्योंकि संधारित्र पर वोल्टेज काफी भिन्न हो सकता है, क्योंकि यह बिजली या जमीन से जुड़ा नहीं है। संधारित्र में संग्रहीत डेटा तक पहुंचने के लिए केवल एक ट्रांजिस्टर का उपयोग किया जाता है।

चूंकि DRAM को प्रति बिट केवल एक ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती है और यह अत्यधिक स्केलेबल होता है, इसे घनी और सस्ते में पैक किया जा सकता है। DRAM का नुकसान यह है कि संधारित्र पर चार्ज इतना छोटा होता है कि इसे लगातार अपडेट करने की आवश्यकता होती है। यही कारण है कि, कंप्यूटर को बिजली बंद करने के बाद, सभी कैपेसिटर को छुट्टी दे दी जाती है और रैम में डेटा खो जाता है।


इंटेल, एएमडी और एनवीडिया जैसी कंपनियां अपने प्रोसेसर के सर्किट आरेखों को प्रकाशित नहीं करती हैं, इसलिए आधुनिक प्रोसेसर के लिए ऐसे पूर्ण विद्युत सर्किट दिखाना असंभव है। हालांकि, यह सरल योजक आपको यह विचार प्राप्त करने की अनुमति देता है कि प्रोसेसर के सबसे जटिल हिस्सों को भी तार्किक और भंडारण तत्वों में विभाजित किया जा सकता है, और फिर ट्रांजिस्टर में।

अब जब हम जानते हैं कि कुछ प्रोसेसर घटकों का निर्माण कैसे किया जाता है, तो हमें यह पता लगाने की आवश्यकता है कि कैसे सब कुछ एक साथ रखा जाए और सिंक्रनाइज़ किया जाए। प्रोसेसर के सभी प्रमुख घटक एक घड़ी संकेत से जुड़े होते हैं। इसमें वैकल्पिक रूप से उच्च और निम्न वोल्टेज होता है, इसे दिए गए अंतराल के साथ बदलते हुए, आवृत्ति कहा जाता है । प्रोसेसर के अंदर तर्क आमतौर पर मूल्यों को स्विच करता है और गणना तब करता है जब घड़ी सिग्नल कम से उच्च पर वोल्टेज बदलता है। सभी भागों को सिंक्रनाइज़ करके, हम गारंटी दे सकते हैं कि डेटा हमेशा सही समय पर आता है ताकि प्रोसेसर में कोई गड़बड़ न हो।

आपने सुना होगा कि प्रोसेसर के प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए आप घड़ी की गति बढ़ा सकते हैं। यह प्रदर्शन वृद्धि इस तथ्य के कारण है कि प्रोसेसर के अंदर ट्रांजिस्टर और लॉजिक स्विच करना उद्देश्य से अधिक बार होने लगता है। चूंकि प्रति सेकंड अधिक चक्र हैं, इसलिए अधिक काम किया जा सकता है और प्रोसेसर में बेहतर प्रदर्शन होगा। हालाँकि, यह कुछ हद तक सही है। आधुनिक प्रोसेसर आमतौर पर 3.0 गीगाहर्ट्ज़ से 4.5 गीगाहर्ट्ज़ तक की आवृत्ति पर काम करते हैं, और यह मान पिछले दस वर्षों में बहुत अधिक नहीं बदला है। जिस तरह एक धातु श्रृंखला अपने सबसे कमजोर लिंक से अधिक मजबूत नहीं है, एक प्रोसेसर अपने सबसे धीमे हिस्से की तुलना में तेजी से नहीं चल सकता है। प्रत्येक घड़ी चक्र के अंत तक, प्रत्येक प्रोसेसर तत्व को अपना काम पूरा करना चाहिए। यदि कुछ हिस्सों ने इसे अभी तक पूरा नहीं किया है, तो घड़ी संकेत बहुत तेज है और प्रोसेसर काम नहीं करेगा। डिजाइनर इस सबसे धीमे हिस्से को क्रिटिकल पाथ कहते हैं, और यह वह है जो अधिकतम आवृत्ति निर्धारित करता है जिसके साथ प्रोसेसर काम कर सकता है। एक निश्चित आवृत्ति के ऊपर, ट्रांजिस्टर के पास बस जल्दी से स्विच करने का समय नहीं है और गलत आउटपुट मानों को विफल या उत्पादन करना शुरू कर देता है।

प्रोसेसर के वोल्टेज को बढ़ाकर, हम ट्रांजिस्टर के स्विचिंग को तेज कर सकते हैं, लेकिन यह भी एक निश्चित सीमा तक काम करता है। यदि बहुत अधिक वोल्टेज लगाया जाता है, तो हम प्रोसेसर को जलाने का जोखिम उठाते हैं। जब हम प्रोसेसर की आवृत्ति या वोल्टेज को बढ़ाते हैं, तो यह हमेशा अधिक गर्मी विकीर्ण करने लगता है और अधिक शक्ति का उपभोग करता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि प्रोसेसर की शक्ति आवृत्ति के सीधे आनुपातिक होती है और वोल्टेज के वर्ग के समानुपाती होती है। प्रोसेसर की बिजली की खपत को निर्धारित करने के लिए, हम प्रत्येक ट्रांजिस्टर को एक छोटे संधारित्र के रूप में मानते हैं जिसे चार्ज करने या छुट्टी देने की आवश्यकता होती है जब इसका मूल्य बदलता है।

बिजली की आपूर्ति प्रोसेसर का इतना महत्वपूर्ण हिस्सा है कि कुछ मामलों में चिप पर आधे से अधिक भौतिक संपर्कों का उपयोग केवल बिजली या ग्राउंडिंग के लिए किया जा सकता है। पूर्ण लोड पर कुछ चिप्स 150 से अधिक एम्पीयर का उपभोग कर सकते हैं, और इस सभी वर्तमान के साथ आपको बेहद सावधानी से नियंत्रित करने की आवश्यकता है। तुलना के लिए: केंद्रीय प्रोसेसर परमाणु रिएक्टर की तुलना में प्रति इकाई क्षेत्र में अधिक गर्मी उत्पन्न करता है।

आधुनिक प्रोसेसर में घड़ी संकेत इसकी कुल शक्ति का लगभग 30-40% लेता है, क्योंकि यह बहुत जटिल है और कई अलग-अलग उपकरणों का प्रबंधन करना चाहिए। ऊर्जा के संरक्षण के लिए, अधिकांश कम-शक्ति वाले प्रोसेसर उपयोग में न होने पर चिप के कुछ हिस्सों को निष्क्रिय कर देते हैं। यह घड़ी को बंद करके (इस विधि को घड़ी गेटिंग कहा जाता है) या पावर (पावर गेटिंग) को बंद करके किया जा सकता है।

घड़ी के संकेत प्रोसेसर के डिजाइन में एक और कठिनाई पैदा करते हैं: चूंकि उनकी आवृत्तियों लगातार बढ़ रही हैं, भौतिकी के नियम काम को प्रभावित करना शुरू करते हैं। प्रकाश की अत्यधिक उच्च गति के बावजूद, यह उच्च-प्रदर्शन प्रोसेसर के लिए पर्याप्त बड़ा नहीं है। यदि आप चिप के एक छोर पर एक घड़ी सिग्नल कनेक्ट करते हैं, तो जब तक सिग्नल दूसरे छोर तक नहीं पहुंचता, तब तक यह एक महत्वपूर्ण राशि द्वारा सिंक से बाहर हो जाएगा। चिप के सभी भागों को सिंक्रनाइज़ करने के लिए, घड़ी संकेत को तथाकथित एच-ट्री का उपयोग करके वितरित किया जाता है। यह एक संरचना है जो यह सुनिश्चित करती है कि सभी समापन बिंदु केंद्र से समान दूरी पर हों।


ऐसा लग सकता है कि चिप में प्रत्येक व्यक्तिगत ट्रांजिस्टर, घड़ी संकेत और बिजली के संपर्क का डिज़ाइन एक अत्यंत नीरस और कठिन काम है, और यह वास्तव में ऐसा है। भले ही हजारों इंजीनियर इंटेल, क्वालकॉम और एएमडी जैसी कंपनियों के लिए काम करते हैं, लेकिन वे चिप के हर पहलू को मैन्युअल रूप से डिजाइन करने में सक्षम नहीं होंगे। इस पैमाने के चिप्स को डिजाइन करने के लिए, वे कई परिष्कृत उपकरणों का उपयोग करते हैं जो स्वचालित रूप से डिजाइन और विद्युत सर्किट उत्पन्न करते हैं। इस तरह के उपकरणों को आमतौर पर एक उच्च-स्तरीय विवरण मिलता है कि घटक को क्या करना चाहिए, और इन आवश्यकताओं को पूरा करने वाले सर्वोत्तम हार्डवेयर कॉन्फ़िगरेशन का निर्धारण करें। हाल ही में, उच्च स्तरीय संश्लेषण नामक एक विकास दिशा उत्पन्न हुई है, जो डेवलपर्स को कोड में आवश्यक कार्यक्षमता निर्दिष्ट करने की अनुमति देती है, जिसके बाद कंप्यूटर यह निर्धारित करते हैं कि उपकरण में इसे कैसे प्राप्त किया जाए।

इसी तरह से आप कोड के माध्यम से कंप्यूटर प्रोग्राम का वर्णन कर सकते हैं, डिजाइनर कोड के साथ हार्डवेयर उपकरणों का वर्णन कर सकते हैं। वेरिलॉग और वीएचडीएल जैसी भाषाएं उपकरण डिजाइनरों को उनके द्वारा बनाए गए किसी भी सर्किटरी की कार्यक्षमता को व्यक्त करने की अनुमति देती हैं। ऐसी परियोजनाओं के सिमुलेशन और सत्यापन करने के बाद, उन्हें विशिष्ट ट्रांजिस्टर में संश्लेषित किया जा सकता है, जिनमें से विद्युत सर्किट शामिल होंगे। हालांकि सत्यापन चरण एक नया कैश या कर्नेल डिजाइन करने में उतना रोमांचक नहीं लग सकता है, लेकिन यह उनके मुकाबले कहीं अधिक महत्वपूर्ण है। किसी कंपनी द्वारा काम पर रखे गए प्रत्येक डिज़ाइन इंजीनियर के लिए पाँच या अधिक सत्यापन इंजीनियर हो सकते हैं।

एक नई परियोजना का सत्यापन अक्सर चिप बनाने से अधिक समय और पैसा लेता है। कंपनियां सत्यापन पर इतना समय और पैसा खर्च करती हैं, क्योंकि चिप को उत्पादन में भेजने के बाद, इसे ठीक नहीं किया जा सकता है। सॉफ़्टवेयर में त्रुटि के मामले में, आप पैच जारी कर सकते हैं, लेकिन उपकरण अलग तरह से काम करता है। उदाहरण के लिए, इंटेल ने कुछ पेंटियम चिप्स के फ्लोटिंग पॉइंट डिवीजन मॉड्यूल में एक बग की खोज की, और परिणामस्वरूप, यह मौजूदा $ 2 बिलियन के बराबर नुकसान हुआ।

यह समझना मुश्किल है कि एक चिप में कई अरब ट्रांजिस्टर हो सकते हैं और समझ सकते हैं कि वे सभी क्या करते हैं। यदि आप चिप को अपने व्यक्तिगत आंतरिक घटकों में तोड़ते हैं, तो यह थोड़ा आसान हो जाता है। तर्क तत्व ट्रांजिस्टर से बने होते हैं, तर्क तत्वों को कार्यात्मक मॉड्यूल में संयोजित किया जाता है जो एक विशिष्ट कार्य करते हैं, और ये कार्यात्मक मॉड्यूल कंप्यूटर आर्किटेक्चर बनाने के लिए एक साथ जुड़े हुए हैं जिन्हें हमने श्रृंखला के पहले भाग में चर्चा की थी।

अधिकांश डिज़ाइन कार्य स्वचालित हैं, लेकिन उपरोक्त हमें यह महसूस करने की अनुमति देता है कि हमने जो नया सीपीयू खरीदा है वह कितना जटिल है।

श्रृंखला के दूसरे भाग में, मैंने सीपीयू डिजाइन प्रक्रिया के बारे में बात की। हमने ट्रांजिस्टर, लॉजिक गेट, पावर और क्लॉक सिग्नल, डिज़ाइन सिंथेसिस और सत्यापन पर चर्चा की। तीसरे भाग में, हम यह पता लगाएंगे कि चिप के भौतिक उत्पादन के लिए क्या आवश्यक है। सभी कंपनियां इस बात से प्यार करना पसंद करती हैं कि उनकी निर्माण प्रक्रिया कितनी आधुनिक है (Intel - 10nm, Apple और AMD - 7nm, आदि), लेकिन इन नंबरों का वास्तव में क्या मतलब है? हम इसके बारे में अगले भाग में बात करेंगे।

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