Pentium işlemcisinin tek tek kapılarının analizi: Standard Cells

Tek tek kapılara bakan Pentium işlemcisinin standart hücreleri

• Pentium işlemcisine giriş

  • Intel, 1993'te güçlü Pentium işlemcisini piyasaya sürdü
  • Pentium, 3,3 milyon transistör içeren karmaşık bir çipti
  • Bu çip, BiCMOS adlı alışılmadık bir teknoloji kullanıyordu

• Standart hücre tasarımı

  • 1970'lerin ilk işlemcilerinde transistörler elle yerleştiriliyordu
  • Elle yerleştirme yavaş ve hataya açık olduğundan otomatik standart hücre tasarımı geliştirildi
  • Standart hücreler sabit yükseklik ve değişken genişliğe sahiptir, satırlar halinde dizilir

• CMOS'a genel bakış

  • Modern işlemciler, NMOS ve PMOS transistörleri kullanan CMOS devrelerinden oluşur
  • NMOS transistörleri kapı yüksek olduğunda açılır, PMOS transistörleri ise kapı düşük olduğunda açılır
  • CMOS devreleri tamamlayıcı bir yaklaşım kullanır

• Pentium'un devre katmanları

  • Pentium, silikon kalıbın yüzeyinde dört metal bağlantı katmanına sahiptir
  • Her metal katman üst ve alt katmanlara bağlanır ve sinyallerin çip boyunca hareket etmesini sağlar
  • Otomatik yerleştirme ve yönlendirme yazılımı karmaşık kablolama yolları oluşturur

• İnvertör

  • CMOS invertörü bir PMOS transistörü ve bir NMOS transistöründen oluşur
  • Giriş 1 olduğunda NMOS transistörü açılır ve çıkış 0 olur; giriş 0 olduğunda PMOS transistörü açılır ve çıkış 1 olur

• NAND kapısı

  • NAND kapısı iki PMOS transistörü ve iki NMOS transistöründen oluşur
  • Her iki giriş de yüksek olduğunda NMOS transistörleri açılır ve çıkış düşük olur
  • Girişlerden biri düşük olduğunda PMOS transistörü açılır ve çıkış yüksek olur

• OR-NAND kapısı

  • 5 girişli OR-NAND kapısı karmaşık bir yapıya sahiptir
  • NMOS devresi paralel, PMOS devresi ise seri olarak yapılandırılmıştır

• Latch

  • Latch, saat sinyali tarafından kontrol edilen bir biti saklar
  • Saat yüksekken giriş doğrudan çıkışa yansır, saat düşükken önceki değer korunur

• Flip-flop

  • Flip-flop, latch'e benzer ancak saat girişi seviye duyarlı değil kenar duyarlıdır
  • Saat düşük durumdan yüksek duruma geçtiğinde giriş değerini hatırlar

• BiCMOS buffer

  • Pentium, CMOS ve bipolar transistörleri kullanan BiCMOS teknolojisini kullanıyordu
  • BiCMOS devreleri sinyal gecikmesini %35'e kadar azaltır

• Sonuç

  • Standart hücre yerleşimi modern çiplerde yaygın olarak kullanılır
  • Pentium, BiCMOS devreleri kullanan benzersiz özelliklere sahiptir
  • Karmaşık işlemciler bile basit transistör devrelerinden oluşur

GN⁺ Özeti

• Pentium işlemcisi, 1993'te piyasaya sürülen ve 3,3 milyon transistör içeren güçlü bir çipti
• Standart hücre tasarımı, elle yerleştirmenin dezavantajlarını gidermek için geliştirildi ve otomatik yerleştirme ile yönlendirme yazılımı kullanır
• BiCMOS teknolojisi sinyal gecikmesini azaltmada etkiliydi, ancak modern dijital devrelerde kullanılmıyor
• Bu makale, Pentium'un devrelerini ayrıntılı biçimde analiz ederek karmaşık işlemcilerin bile basit transistör devrelerinden oluştuğunu gösteriyor

[GN⁺]

Hacker News yorumları

• Intel, 386 işlemcisinde otomatik yerleştirme ve yönlendirme teknolojisi kullandı

  • Bu teknoloji, elle yapılan çalışmadan çok daha hızlıydı ve hataları büyük ölçüde azaltıyordu
  • Yerleştirme, Berkeley'de bir yüksek lisans öğrencisi tarafından geliştirilen Timberwolf programıyla yapıldı
  • Ekip üyelerinden biri, yöneticiler yüksek lisans öğrencisinin aracının kullanıldığını bilseydi buna izin vermeyeceklerini söyledi
  • O yüksek lisans öğrencisi Carl Sechen'di; danışmanı ise Alberto Sangiovanni-Vincentelli'ydi

• Modern işlemciler, nanometre ölçeğindeki transistörler nedeniyle mikroskopla incelenmesi zor yapılar

  • Ken'e bir elektron mikroskobu almak için bağış kampanyası başlatalım şeklinde bir yorum vardı

• Görsellerin görülemediğine dair bir yorum vardı

  • Bunun nedeni CloudFlare; sayfaya girerken "insan doğrulaması" sürecinden geçmek gerekiyor
  • Ancak görsel yüklenirken de aynı doğrulama gerekiyor, fakat doğrulama ekranı gösterilmediği için görseller yüklenmiyor

• Makalede bahsedilen standart hücrelerle güncel hücreler arasındaki farkın, yönlendirme kanallarının kaldırılması olduğu belirtildi

  • Geçmişte, metalin Vdd ve toprak hatlarını çaprazlamasını önlemek için polisilikon hatlar uzatılıyordu
  • Günümüzde yeterli metal katmanı olduğu için yönlendirme hücrenin içinden yapılabiliyor
  • Giriş ve çıkışlarda, transistörlere inen via'lardan kaçınmak gerekiyor
  • Hücre satırlarını ters çevirip PMOS ve NMOS raylarının çakışmasını sağlamak ek kazanç getiriyor

• Ken'in blog yazılarının her zaman etkileyici olduğuna dair bir yorum vardı

  • Yaptığı işin sevildiği ve devam etmesinin istendiği ifade edildi

• Modern EDA yazılımının, standart hücrelere bağlı kalmadan transistör yerleştirecek kadar gelişmiş olup olmadığı soruldu

• Bir işlemciyi "diseke etmenin", okulda kurbağa diseksiyonuna benzer bir eğitim etkinliği olabileceğine dair bir yorum vardı

  • Hayvan hakları sorunu olmadan eğlenceli ve eğitici olacağı söylendi

• Açık kaynak standart hücrelerle ilgilenenler için bağlantılar paylaşıldı

  • VLSTechnology
  • SkyWater and Google

• "Pop kültürü" bağlantısının, beklenen şarkıyla tam olarak eşleşmesinden memnuniyet duyuldu