Компьютеры по своей сути работают только с нулями и единицами. Языки программирования дают людям писать программы в понятном виде, а потом переводят эти инструкции для компьютера. Чем больше таких вычислений из нулей и единиц может вместить машина, тем большая у неё будет вычислительная мощность.
Все эти вычисления происходят на транзисторах. Сколько их нужно для современного компьютерного чипа, как уместить все транзисторы на процессоре и как что-то посчитать — рассказываем сегодня.
Что такое транзистор простыми словами
Процессоры в компьютерах, телефонах и любой электронике состоят из транзисторов. В чипах макбуков Apple M2 Max 67 миллиардов транзисторов, а в процессорах серии AMD Ryzen 9000 для настольных ПК — в 8 раз меньше.
Именно транзисторы выполняют всю компьютерную работу: считают, запускают программы, управляют датчиками и отвечают за работу устройства в целом.
При этом сам транзистор — простейший прибор, который по сути похож на кран или электрические ворота. Через транзистор идёт какой-то один ток, а другим током этот поток можно либо пропустить, либо заблокировать. И всё.
Вот примерная схема. В жизни ножки транзистора могут быть расположены не так, как на схеме, но для наглядности нам надо именно так:
Ток пытается пройти сквозь транзистор, но транзистор «закрыт»: на его управляющую ногу не подан другой ток.
А теперь мы подали на управляющую ногу немного тока, и теперь транзистор «открылся» и пропускает через себя основной ток.
Из миллиардов таких простейших кранов и состоит любая современная вычислительная машина: от чайника с электронным управлением до суперкомпьютера в подвалах Пентагона. И до чипа в вашем смартфоне.
В середине XX века транзисторы были большими: сотней транзисторов можно было набить карман, их продавали в радиотехнических магазинах, у них были прочные корпуса и металлические ножки, которые нужно было паять на плате. Такие транзисторы до сих пор продаются и производятся, но в микроэлектронике они не используются — слишком большие.
Современный транзистор уменьшен в миллионы раз, у него нет корпуса, а процесс его монтажа можно сравнить скорее с процессом лазерной печати. Транзисторы размером несколько нанометров в буквальном смысле печатают поверх пластин, из которых потом получаются наши процессоры и память. Такие пластины называют вафлями, и если смотреть на них без микроскопа, это будут просто такие радужные поверхности. Радужные они потому, что состоят из миллиардов маленьких выемок, которые играют на свету — транзисторов, резисторов и прочих микрокомпонентов:
Что внутри транзистора
Если бы мы могли разрезать один транзистор в микропроцессоре, мы бы увидели что-то вроде этого:
Слева — проводник, по которому бежит ток, справа — просто проводник, пока без тока. Между ними находится проводящий канал — те самые «ворота». Когда ворота открыты, ток из левого проводника поступает в правый. Когда закрыты — правый остаётся без тока. Чтобы ворота открылись, на них нужно подать ток откуда-то ещё. Если тока нет, то ворота закрыты.
Теперь, если грамотно соединить тысячу транзисторов, мы получим простейшую вычислительную машину. А если миллиард — получим процессор.
Для чего нужен транзистор
Транзисторы — это ребята, которые управляют нулями и единицами в компьютере. Если на условном конце транзистора есть ток, это единица. Если нет, то ноль. Все большие сложные команды в итоге состоят из огромного числа нулей и единиц, то есть можно сказать, что машинный код — это физические транзисторы в чистом виде.
Поэтому получается, что компьютеры основаны на битах, а биты — на транзисторах.
Как работает транзистор
Сейчас будет немного химии, чтобы понять, почему транзистор может пропускать (или не пропускать) электрический ток и выдавать значения компьютерных битов.
Транзистор — это один из самых распространённых полупроводников. В качестве основного материала для них используют кремний, в каждом атоме которого находится 4 электрона. Получается ровная аккуратная решётка связанных между собой атомов:
Может показаться, что у каждого атома 8 электронов. Это потому, что к каждому электрону привязан ещё один от другого ядра. Поэтому все электроны всегда находятся в парах и не дают проводимости тока — для этого им нужно двигаться.
Но если кремний смешать с другими элементами, количество электронов может меняться — например, в одном смешанном материале будет 3 электрона вместо 4, а в другом 5.
Элементы с лишним электроном называются материалами N-типа, а с недостающим электроном — материалами P-типа:
Посмотрите, на основное природное устройство это не влияет: лишний электрон как будто просится на своё обычное место в материале P-типа. И это на самом деле так и работает: если соединить два разных материала, электроны перескочат на своё место и между слоями образуется тонкий слой обычного кремния, который не проводит электричество. Этот слой называется обеднённым.
Чтобы транзисторы начали проводить ток и работать в качестве битов, разные слои этих материалов нужно последовательно соединить и подключить к току в нужных местах. Тогда электроны смогут переходить из одного слоя в другой — появятся электрические импульсы, нужные компьютеру для вычислений.
Какие есть виды транзисторов
Комбинируя слои P- и N-типов, можно получить разные виды транзисторов. Некоторые используются в микроэлектронике, некоторые добавляют к более крупным устройствам, например блоку питания компьютера.
Вот два основных вида.
Биполярные транзисторы
Называются так потому, что заряд переносят материалы и P-, и N-типа. В этих транзисторах три обычных слоя и два обеднённых между ними:
Чтобы биполярный транзистор открылся и начал пропускать электроны, на средний слой, который называется базой, подают электрический ток.
Этот тип транзисторов используется в аналоговой электронике и в устаревших цифровых схемах. Биполярные транзисторы потребляют много энергоресурсов и их сложно уменьшить до таких размеров, которые поместятся на тонкой пластине процессора.
Полевые транзисторы
То, что используется внутри процессоров, оперативной памяти и видеокарт.
Управляются не электрическим током, а напряжением. Электричество внутри перемещается материалом только какого-то одного типа — либо с дополнительными электронами, либо с нехватающими. Поэтому эти транзисторы однополярные.
Почему все так полюбили транзисторы
До транзисторов у учёных уже было некое подобие вычислительных машин. Например, счёты: там оператор управлял перемещением бусин в регистрах и складывал таким образом числа. Но оператор медленный и может ошибаться, поэтому система была несовершенной.
Были механические счётные машины, которые умели складывать и умножать числа за счёт сложных шестерней, бочонков и пружин, — например, арифмометр. Они работали медленно и были слишком дорогими для масштабирования.
Были вычислительные машины на базе механических переключателей — реле. Они были очень большими — те самые «залы, наполненные одним компьютером». Их могли застать наши родители, бабушки и дедушки.
Позже придумали электронные лампы: там управлять током уже можно было с помощью другого тока. Но лампы перегревались, ломались, на них мог прилететь мотылёк, вот такой:
И только в конце сороковых учёные изобрели твердотельные транзисторы: вся кухня с включением и выключением тока проходила внутри чего-то твёрдого, устойчивого и безопасного, не привлекающего внимания мотыльков. За основу взяли германий и кремний и стали развивать эту технологию.
Кайф твердотельных транзисторов в том, что взаимодействия там происходят на скоростях, близких к скорости света. Чем меньше сам транзистор, тем быстрее по нему пробегают электроны, тем меньше времени нужно на вычисления. Ну и сломать твердотельный транзистор в хорошем прочном корпусе намного сложнее, чем хрупкую стеклянную лампу или механическое реле.
Как считают транзисторы
Транзисторы соединены таким хитрым образом, что, когда на них подаётся ток в нужных местах, они выдают ток в других нужных местах. И всё вместе приводит к какой-то математической операции.
Пока что не будем думать, как именно соединены транзисторы. Просто посмотрим на принцип.
Допустим, нам надо сложить числа 4 и 7. Нам, людям, очевидно, что результат будет 11. Закодируем эти три числа в двоичной системе:
| Десятичная | Двоичная |
| 4 | 0100 |
| 7 | 0111 |
| 11 | 1011 |
Теперь представим, что мы собрали некую машину, которая получила точно такой же результат: мы с одной стороны подали ей ток на входы, которые соответствуют первому слагаемому; с другой стороны — подали ток на входы второго слагаемого; а на выходе подсветились выходы, которые соответствовали сумме.
Смотрите, что тут происходит: есть восемь входов и четыре выхода. На входы подаётся электричество. Это просто электричество, оно не знает, что оно обозначает числа. Но мы, люди, знаем, что мы в этом электричестве зашифровали числа.
Так же на выходе: электричество пришло на какие-то контакты. Мы как-то на них посмотрели и увидели, что эти контакты соответствуют какому-то числу. Мы делаем вывод, что эта простейшая машина сложила два числа. Хотя на самом деле она просто хитрым образом перемешала электричество.
Вот простейший пример компьютера, собранного на транзисторах. Он складывает два числа от 0 до 15 и состоит только из транзисторов, резисторов (чтобы не спалить) и всяких вспомогательных деталей типа батарейки, выключателей и лампочек. Можно сразу посмотреть концовку, как он работает (осторожно, Ютуб, может понадобиться VPN). Вот ровно это, только в миллиард раз сложнее, и происходит в наших компьютерах.
Что есть, кроме транзисторов
Все современные компьютеры, которыми пользуются обычные люди для работы и жизни, работают на транзисторах и битах. Есть ещё один вид компьютеров, которые сегодня пока что слабо распространены и используются только для некоторых задач, — квантовые.
В квантовых компьютерах используются не обычные биты, а квантовые. Современные транзисторы уменьшены до таких масштабов, что для одного бита достаточно — по очень примерным подсчётам — нескольких тысяч атомов кремния. В квантовых компьютерах в теории для одного кубита должно быть достаточно одного кванта — например, один фотон может дать один кубит.
Выглядит всё это совсем иначе, чем обычный компьютер, вот пример визуализации такой технологии:
Логически получается, что квантовым компьютерам нужно в несколько тысяч раз меньше физического места для основных компонентов для вычислений, а считать они могут в миллиарды раз быстрее. Но пока что создать достаточно мощный квантовый компьютер не получается, потому что кванты слишком нестабильны и постоянно разрушаются.
А даже если в ближайшем будущем и появится достаточно мощный квантовый компьютер, его можно будет использовать только для определённых задач. Поэтому транзисторы никуда не денутся.
Что дальше
Что мы знаем на этом этапе:
- Транзисторы — это просто «краны» для электричества.
- Если их хитрым образом соединить, то они будут смешивать электричество полезным для человека образом.
- Все компьютерные вычисления основаны на том, чтобы правильно соединить и очень плотно упаковать транзисторы.
В следующей части разберём, как именно соединены эти транзисторы и что им позволяет так интересно всё считать.
Бонус для читателей
Если вам интересно погрузиться в мир ИТ и при этом немного сэкономить, держите наш промокод на курсы Практикума. Он даст вам скидку при оплате, поможет с льготной ипотекой и даст безлимит на маркетплейсах. Ладно, окей, это просто скидка, без остального, но хорошая.
Вам слово
Приходите к нам в соцсети поделиться своим мнением о статье и почитать, что пишут другие. А ещё там выходит дополнительный контент, которого нет на сайте — шпаргалки, опросы и разная дурка. В общем, вот тележка, вот ВК — велком!
