¿Por qué necesitamos tantos transistores?

Question

Los transistores sirven para múltiples propósitos en un circuito eléctrico, es decir, como interruptores, para amplificar señales electrónicas, permitiendo controlar la corriente, etc.

Sin embargo, hace poco leí sobre la ley de Moore, entre otros artículos aleatorios de Internet, que los dispositivos electrónicos modernos tienen un enorme número de transistores empaquetados en ellos, siendo la cantidad de transistores que hay en la electrónica moderna del orden de millones, si no miles de millones.

Sin embargo, ¿por qué exactamente se necesitan tantos transistores? Si los transistores funcionan como interruptores, etc., ¿por qué necesitamos una cantidad tan absurda de ellos en nuestros dispositivos electrónicos modernos? ¿No podemos hacer las cosas más eficientes para usar menos transistores de los que usamos actualmente?

Answer 1

Los transistores son interruptores, sí, pero los interruptores no sólo sirven para encender y apagar las luces.

Los interruptores se agrupan en puertas lógicas. Las puertas lógicas se agrupan en bloques lógicos. Los bloques lógicos se agrupan en funciones lógicas. Las funciones lógicas se agrupan en chips.

Por ejemplo, una puerta NAND TTL suele utilizar 2 transistores (las puertas NAND se consideran uno de los bloques fundamentales de la lógica, junto con el NOR):

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Cuando la tecnología pasó de TTL a CMOS (que es ahora el estándar de facto) hubo básicamente una duplicación instantánea de transistores. Por ejemplo, la puerta NAND pasó de 2 transistores a 4:

simular este circuito

Un latch (como un SR) puede hacerse utilizando 2 puertas NAND CMOS, es decir, 8 transistores. Por lo tanto, un registro de 32 bits podría hacerse utilizando 32 flip-flops, es decir, 64 puertas NAND, o 256 transistores. Una ALU puede tener varios registros, además de muchas otras puertas, por lo que el número de transistores crece rápidamente.

Cuanto más complejas son las funciones que realiza el chip, más puertas se necesitan y, por tanto, más transistores.

La CPU media de hoy en día es considerablemente más compleja que, por ejemplo, un chip Z80 de hace 30 años. No sólo utiliza registros 8 veces más anchos, sino que las operaciones que realiza (transformaciones 3D complejas, procesamiento de vectores, etc.) son mucho más complejas que las que podían realizar los antiguos chips. Una sola instrucción en una CPU moderna puede llevar muchos segundos (o incluso minutos) de cálculo en una antigua de 8 bits, y todo eso se hace, en última instancia, por tener más transistores.

Answer 2

Comprobé en un proveedor local de varios dispositivos semiconductores y el mayor chip SRAM que tenían era de 32Mbits. Eso son 32 millones de áreas individuales donde se puede almacenar un 1 o un 0. Teniendo en cuenta que se necesita "al menos" 1 transistor para almacenar 1 bit de información, son 32 millones de transistores como mínimo.

¿Qué te aportan los 32 Mbits? Son 4 Mbytes o el tamaño de un archivo de música MP3 de baja calidad de 4 minutos.

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EDIT - una célula de memoria SRAM según mi búsqueda en Google se parece a esto: -

Es decir, 6 transistores por bit y más bien 192 millones de transistores en ese chip que he mencionado.

Answer 3

Creo que el OP puede estar confundido por dispositivos electrónicos teniendo tantos transistores. La Ley de Moore se refiere principalmente a ordenadores (CPUs, SRAM/DRAM/almacenamiento relacionado, GPUs, FPGAs, etc.). Algo como una radio de transistores puede estar (en su mayor parte) en un solo chip, pero no puede hacer uso de todos que muchos transistores. Los dispositivos informáticos, en cambio, tienen un apetito insaciable de transistores para funciones adicionales y mayores anchuras de datos.

Answer 4

Como se ha dicho anteriormente, la SRAM requiere 6 transistores por bit. A medida que ampliamos nuestras cachés (por motivos de eficiencia), necesitamos cada vez más transistores. Mirando una oblea de procesador En el caso de la caché, puedes ver que es más grande que un solo núcleo de un procesador y, si miras más de cerca los núcleos, verás partes bien organizadas en ella, que también son caché (probablemente cachés L1 de datos e instrucciones). Con 6MB de caché, se necesitan 300 millones de transistores (más la lógica de direccionamiento).

Pero, también como se ha dicho anteriormente, los transistores no son la única razón para aumentar el número de transistores. En un Core i7 moderno, se ejecutan más de 7 instrucciones por período de reloj y por núcleo (utilizando la conocida prueba dhrystone). Esto significa una cosa: los procesadores de última generación hacen mucha computación en paralelo. Hacer más operaciones al mismo tiempo requiere tener más unidades para hacerlo, y una lógica muy inteligente para programarlo. Una lógica más inteligente requiere ecuaciones lógicas mucho más complejas, y por tanto muchos más transistores para implementarla.

Answer 5

Alejándonos un poco de los detalles:

Los ordenadores son complejos dispositivos de conmutación digital. Tienen capa sobre capa de complejidad. El nivel más sencillo es el de las puertas lógicas, como las puertas NAND, como ya se ha dicho. Luego se añade la lógica de reloj, la decodificación de instrucciones, las memorias caché, las unidades aritméticas, la decodificación de direcciones, y así sucesivamente. (Sin mencionar la memoria, que requiere varios transistores por cada bit de datos almacenados)

Cada uno de esos niveles utiliza muchas piezas del nivel de complejidad anterior, todas ellas basadas en muchísimas puertas lógicas básicas.

Luego se añade la concurrencia. Para conseguir un rendimiento cada vez más rápido, los ordenadores modernos están diseñados para hacer muchas cosas al mismo tiempo. Dentro de un mismo núcleo, el decodificador de direcciones, la unidad aritmética, el procesador vectorial, el gestor de caché y otros subsistemas se ejecutan al mismo tiempo, todos con sus propios sistemas de control y sincronización.

Los ordenadores modernos también tienen un número cada vez mayor de núcleos separados (múltiples CPU en un chip).

Cada vez que subes una capa de abstracción, tienes muchos órdenes de magnitud más de complejidad. Incluso el nivel más bajo de complejidad tiene miles de transistores. Si subimos a subsistemas de alto nivel, como una CPU, estamos hablando de al menos millones de transistores.

Luego están las GPU (unidades de procesamiento gráfico). Una GPU puede tener MIL procesadores de coma flotante separados, optimizados para hacer matemáticas vectoriales, y cada subprocesador tendrá varios millones de transistores.