O único objetivo dos transistores em uma CPU é atuar como os comutadores que definem seu conjunto de instruções? E se sim, por que aumentar o número de transistores aumenta sua velocidade?
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Tyler
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Respostas:
Em cima da minha cabeça:
Mais cache , mais rápido que a RAM
Mais instruções SIMD , que processam mais rápido que as instruções de dados únicos
Mais núcleos , para que você possa fazer duas ou mais coisas ao mesmo tempo
Unidades mais funcionais, como built-in FPU s, e múltipla ALU s
Pipelines , para que cada núcleo possa fazer mais coisas ao mesmo tempo
Melhor lógica de processamento, como lógica de previsão de ramificação mais sofisticada
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Se você está curioso sobre esse tipo de coisa, recomendo vivamente o livro Os Elementos da Computação, de Noam Nisan e Shimon Schocken (pelo menos na primeira metade). Depois de analisá-lo, você poderá responder à sua própria pergunta detalhadamente, com uma apreciação completa das partes envolvidas.
O site complementar possui alguns exemplos de capítulos e notas. É um livro muito acessível. Eu passei por isso sozinho e sem problemas e, em seguida, fiz uma aula nova na minha universidade que o usou como texto principal.
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A resposta simples é que mais transistores não fazem o resto deles ir mais rápido , mas em vez de fazer uma coisa por período de tempo, agora podemos fazer duas (com algumas limitações).
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Ken já resumiu algumas das razões em sua resposta . Para expandir ainda mais
Caches obviamente maiores precisam de mais transistores. Mas com mais transistores, também temos a opção de usar caches mais rápidos . Caches de CPU são apenas SRAM, normalmente feitos de 6 transistores (AKA 6T SRAM). No entanto, quando existem transistores suficientes, pode valer a pena usar células SRAM mais rápidas, porém maiores, feitas com mais de 6 transistores (como 8T, 10T SRAM)
Não apenas SIMD, mas qualquer tipo de instruções de aceleração. Por exemplo, as arquiteturas modernas costumam ter uma unidade AES para criptografia / descriptografia mais rápida, FMA para melhor computação matemática (especialmente processamento de sinal digital) ou virtualização para máquinas virtuais mais rápidas. Suportar mais instruções significa que são necessários mais recursos para decodificá-los e executá-los
Estes são bastante claros
No passado, não havia uma área de matriz suficiente para a FPU, portanto, as pessoas deveriam comprar uma área separada se tivessem altos requisitos de aritmética de ponto flutuante. Com significativamente mais transistores, é possível ter o FPU embutido, acelerando muito a matemática de ponto flutuante
Além disso, as CPUs modernas são superescalares e tentam fazer várias coisas ao mesmo tempo , encontrando dados independentes e calculando-os mais cedo, mesmo que o fluxo de instruções seja linear e serial. Quanto mais coisas eles puderem fazer em paralelo, mais rápido eles serão. Para fazer isso, uma CPU pode ter várias ALUs e uma ALU pode ter várias unidades de execução. Se, por exemplo, uma CPU possui 5 adicionadores em comparação com 4 na geração anterior, ela já está rodando 25% mais rápido na situação mais otimista, sem alterações no relógio. CPUs mais sofisticadas ainda empregam execução fora de ordem (que é o caso da maioria das CPUs de alto desempenho modernas)
As operações normalmente podem ser realizadas de várias maneiras. Se você tiver mais transistores, terá mais recursos para usar uma técnica mais rápida. Alguns exemplos simples:
Mudança de bit:
Um simples shifter é feito ao conectar serialmente os chinelos.
Isso precisa de apenas um flip-flop por bit, portanto, extremamente compacto. Mas ele precisa de um relógio para mudar um pouco para a esquerda ou direita. É por isso que os microcontroladores e as pequenas CPUs incorporadas têm apenas instruções para mudar uma a uma. Vejo
Quando você tiver mais transistores para gastar, poderá mudar para um shifter de barril . Agora, uma CPU pode mudar bits em um único relógio com o custo de centenas ou milhares de transistores
Adição:
O mesmo se aplica a outras unidades, como multiplicadores, divisores, agendador ... Por exemplo, podemos fazer uma multiplicação extremamente rápida em um único relógio usando a lógica combinacional . Você pode ver alguns exemplos simples na pergunta multiplicadores de 3 bits - como eles funcionam? . Mas os transistores necessários aumentarão para o quadrado das larguras de entrada; portanto, pequenas CPUs com um multiplicador usam a lógica seqüencial em vez disso, para economizar muito espaço para o multiplicador:
Depois de ter um enorme conjunto de transistores, você pode até usar a lógica combinacional para criar uma FMA que consome muito mais recursos do que um multiplicador
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O aumento do número de transistores geralmente é feito diminuindo-os, o que os aproxima, o que reduz o tempo de propagação do sinal.
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