Cat de complex e un procesor modern?

Sunt oarecum curios in privinta asta dupa ce tot vad in descrieri ca procurile au "billions of transistors" si asta imi sugereaza o structura alambicata dar tot imi scapa imaginatiei gradul de complexitate.

Oare proiectantii procurilor chiar inteleg intreaga structura a unui cpu - pentru ca altfel cum sunt capabili sa le proiecteze?

Mie personal mi se pare imposibil de inteles un sistem compus din miliarde de componente de asta sunt curios cum reusesc ei sa se descurce si cum fac ca totul sa mearga pana la ultimul tranzistor.

sa vezi cum este cind ti se arde un tranzistor si cauti cu MAVO care este, ca sa-l schimbi ..

Cel mai simplu si greu de replicat procesor.... creierul...

[ https://www.youtube-nocookie.com/embed/TtuUANbaEFI?feature=oembed - Pentru incarcare in pagina (embed) Click aici ]

 abulafius43, on 17 octombrie 2020 - 20:27, said:

Sunt multe structuri care se repeta pentru a putea procesa in paralel o cantitate foarte mare de date - sunt tranzistori care realizeaza operatiuni logice de baza, acestia sunt combinati sa efectueze operatiuni matematice - adunari, scaderi, inmultiri, etc., aceste combinatii fac parte din alte grupuri ce efectueaza alte operatiuni si mai complexe: radacini patrate, functii trigonometrice, logaritmi, si tot asa.

Quote

Pe bucati. Un procesor e compus din mai multe "module" legate intre ele.
n om nu poate proiectaun procesor in ziua de azi. Sunte echipe care proiecteaza cate un modul.

Circuitele integrate ca si aplicatiile sunt programate si compilate ;> Vezi Verilog si VHDL

 eiffel, on 17 octombrie 2020 - 21:03, said:

Plus ca in ziua de azi deja se pleaca de la ceva ce e facut si doar se îmbunătățește

 abulafius43, on 17 octombrie 2020 - 20:27, said:

Este o structura ierarhica de oameni. Echipa de design e compusa din mai multe straturi. Nimeni nu stie absolut tot dintr-un SOC cu miliarde de tranzistoare.

Ai, ca prim strat, arhitectii de sistem. Astia stiu ce protocoale si interfete trebuie sa aiba sistemul, procesorul daca vrei. Ei vor diviza sistemul in subsisteme care vor fi proiectate de arhitectii de subsisteme (de multe ori se poate sa fie roluri duble .. un arhitect de sistem isi aloca un subsistem).
Acum se incepe proiectarea de subsisteme care contin blocuri logice care au input si output (vorbim de functii aici, nu de sarme).

Apoi intervine front-end design - adica RTL netlist - vhdl sau verilog functional, la nivel logic. Adica, daca ai 2 busuri de cate 16 bit de exemplu si vrei sa faci suma lor (pentru ca asa a dictat un arhitect de subsistem una din functiile unui bloc) coderul frontend va scrie o functie care aduna 2 valori de 8 bit fiecare si le va da intr-un registru de iesire ... inca nu vorbim de sarme .. asta e inca la nivel logic.

Cand un bloc este gata dpdv al codului RTL acesta pleaca in 2 directii: la echipa care face simulare functionala si la echipa care face implementarea.

Simularea functionala baga fiecare bloc intr-un software care creeaza stimuli pe care ii aplica codului RTL si urmareste iesirile. In clipa cand o iesire da rateu fata de valoarea asteptata se investigheaza cauza si se trimite feedback la echipa de front-end care ori repara codul, daca e aplicabil, sau il trage de maneca pe arhitect ca schimbe functia.
Mai tarziu in proces, echipa de la simulare va baga in verificare si subsisteme iar la sfarsit tot codul.
Pana aici a fost vorba de Frontend design (adica partea care nu lucreaza cu reprezentare fizica a functiilor ci doar cu cod).

Din punctul asta incepe Backend design (partea care se ocupa cu pozitionarea si conectarea celuleor functionale fizice).
Echipa de implementare preia codul RTL de mai sus si il baga in sinteza. SInteza transforma codul in porti logice pe baza unei biblioteci de celule logice functionale.
Acum incepe si analiza de arie, congestie, power, delay, latenta, clock skew, analiza de PLL jitter, OCV .. se scriu constrangeri de clock si de date ... se face analiza de hold si setup pentru implementarea fizica respectiva, in limita tehnologiei in care se face implementarea. Acum apar si primele forme de rutare pe metale si primii tranzistori desenati.

Dupa un timp, cand blocurile functionale incep sa fie calificate ca functional OK, se incepe analiza de subsisteme si se asambleaza subsistemele .. apoi astea se pun impreuna si se face tot procesorul sau SOC-ul cu pricina ...

Este un proces care trebuie sa functioneze ca un ceas elvetian. De obicei, timpul intre momentul cand arhitectul incepe sa deseneze si momentul cand siliciul ajunge in mana clientilor este cam 3-4 ani, in functie de complexitate.

Asta e pe scurt, domeniul este foarte vast si implica o suita intreaga de specializari, de asta e vorba de o munca in echipa si distribuirea muncii. DUpa cum am zis la inceput, nimeni nu siie toate amanuntele unui asemenea SOC.

Edited by ro_explorer, 17 October 2020 - 21:23.

Sinteza facuta de @ro_explorer este excelenta, daca doresti ceva mai multe detalli vezi seria de mai jos:

https://www.techspot...gned-and-built/

"They pack about 4.8 billion transistors and, interestingly, contain 2 Km of internal wiring."
2 kilometri de fire intr-un centimetru patrat. Mi se pare destul de avansat.

https://www.dnaindia...is-year-2622875

Stiu ca unul dintre cele mai complexe procesoare a fost implemetat pe consola SONY Playstation 3, era atat de avansat la momentul respectiv incat multi ani a fost foarte dificil pentru dezvoltatorii de jocuri sa scrie cod pentru acea arhitectura.
Cell PS3 parca, 2006 cand majoritatea cetatenilor inca aveau computere cu 32 biti CPU ! Intel Core Duo 64 biti erau inca la inceput !

https://www.ps3blog....ad-of-its-time/

https://www.gtplanet...l-modern-chips/

Edited by doxan, 17 October 2020 - 22:56.

Dap. Un procesor este foarte complex.  
    De-asta au apărut specializările în muncă. Unii se pricep la electricitate, altii la arhitectura, unii la desen si altii la arhitectura unui procesor.
   Singurul impediment sunt ăștia care care cred că se pricep la de toate ! Gica-Castravete crede că o să fie capabil să proiecteze si el un procesor până săptămâna viitoare.

Ce-a zis ro_explorer e spot-on.

Pornind top-down, sunt cativa arhitecti care descriu functionalitatea chip-ului. Cel putin unul dintre ei este in stransa legatura cu marketing-ul care dicteaza ce functionalitate e necesara si timeline-ul pe piata. Odata functionalitatea de baza creionata se transeaza pe subsisteme.
Spre exemplu intr-un SOC (System on Chip) pot fi mai multe subsysteme:
1) CPU Core(s) - ex: core-uri ARM
2) Bus interface - interfetele pe care comunica CPU-rile cu memoria, cu perifericele, etc
3) Memoria - ex: RAM, ROM
4) Perifericele - ex: I2C, SPI, PCIe, USB, WiFi, etc

Cateodata, daca lucrurile sunt foarte complexe, un subsistem poate fi spart in mai multe subsisteme si tot asa.
Pana la urma fiecare subsistem ajunge sa fie spart in 2-30 module.

Fiecare modul, subsistem are arhitectul lui, Design Engineer-ul lui, Design Verification-ul lui. Fiecare e pe bucatica lui. Arhitectul defineste cum trebuie sa lucreze modulul, Design Eng scrie codul RTL, Design Verif scrie mediul de verificare ca sa se asigure ca spec-ul si implementarea sunt 100% identice dpdv al functionalitatii.
In functie de complexitate este posibil ca un om sa aiba in ograda 1-5 module, dar daca lucrurile sunt foarte complexe pot sa lucreze si 2-3 oameni pe acelasi subsistem/modul (2-3 pe proiectare si 2-3 pe verificare).

Cand apare o problema, verificarea o semnaleaza designerului care poate sa repare sau sa mearga la arhitect. Arhitectul la randul lui poate sa repare sau sa escaleze problema la arhitectul subsistemului sau al chip-ului pana cand apare o persoana competenta sa rezolve problema.
La nivel de modul, de obicei sedintele de debug sunt intre designer si verificator, cateodata si arhitect.
La nivel de subsistem sau de chip pot fi sedinte de debug cu 7-10 oameni, poate si mai mult.

Cand se asambleaza modulele se face o verificare mult mai lejera care contine conectivitatea si cateva teste de baza.
Cand se verifica tot chip-ul testele sunt si mai high-level, bazate in special pe faptul ca subsistemele pot sa comunice si ca nu apar desincronizari.
In general testele pe tot sistemul nu se mai simuleaza, ci se emuleaza. Codul RTL se baga in unul sau mai multe FPGA-uri care sunt stimulate cu masini speciale generatoare de traffic.
Se face asta datorita timpului foarte mare de rulare a unui test. Daca un test la nivel de modul poate sa dureze 5-10-60min, la nivel de subsystem dureaza de la 30min-1h-5h, iar la nivel de chip, un test poate rula cu zilele daca nu este emulat.

Nu este iesit din comun ca arhitectii sa faca niste modele C/Matlab pe care sa le ofere drept referinta pentru design si verificare.
Cateodata modelele astea se combina si poate iesi un model al intregului chip care e folosit
1) Pentru a scrie firmware-ul necesar. Aici exista API-uri proiectate de la inceput de catre arhitecti care urmeaza sa fie implementate. La fel se merge pe principiul un proiectant si un verificator.
2) Pentru a verifica daca chipul poate comunica cu alte chip-uri. Asta se cheama Arhitecture Verification si e in general focusata pe a gasi probleme de logica in proiectarea arhitecturii.

Asta a fost front-end-ul. Back-end-ul e alta mancare de peste la fel de complicata.

In general la un chip pot sa lucreze de la un minim de 10-15 oameni 6 luni pana spre cateva sute de oameni pe o perioada de 2-3 ani. Nu prea merge sa zici ca bagi mare 3-6-12luni si pe urma sa o freci inca 1-2 ani pentru ca chipurile au multe derivate (varianta de baza cu toate optiunile se face la inceput si apoi incep sa se ciunteasca varianta fara wifi si bluetooth, varianta fara gps, varianta cu mai putina memorie sau cu CPU-uri mai slabe) si toti lucreaza in paralel.  Cat timp front-end-ul face chip-ul X, back-end-ul lucreaza la chipul Y.

Un chip poate sa coste de pe la $1M pana la multe zeci. Se poate ajunge la sute sau chiar miliarde pe tehnologiile inovatoare sau constelatiile de mai multe chip-uri.

Revenind la chestiunea initiala, nu prea sunt oameni care sa stie toata functionalitatea unui chip. In general fiecare companie mare are niste (1-2) arhitecti platiti regeste care stiu tot ce misca in materie de functionalitate (nu sa scrie cod, nu back-end, nu fiecare functie din fw). Astia cam dau directia si sunt prin toate comitetele de standardizare. De obicei ajung la acel nivel pentru ca sunt in acelasi ecosistem de 10-15-20 ani in care au mancat pe paine zilnic zeci de probleme venite din toate colturile chip-ului.
Am vazut o singura data un om care a raspuns la orice intrebare pusa pe loc, fara timp de gandire. Era parte un start-up la care el gandise toata arhitectura. Chip-ul iesise din fab si nu mergea. Fiind start-up era singurul lor glont. S-au facut sesiuni si debug si nu i-au dat de cap. El intrat in "transa" vreo 3-4 zile dupa care-a iesit cu parametrii care trebuie programati. Si MAGICAL STUFF a mers!
Dupa cativa ani au fost cumparati, iar acum e SVP pe la un fortune 500 in California.

 abulafius43, on 17 octombrie 2020 - 20:27, said:

Se stie ca de fapt la baza e magie, dar nu vor sa recunoasca!

Asa par ei destepti.

Poze la microscop: https://zeptobars.co...-msp430-pic-z80

Asta era complexitatea acum 40 de ani. Imagineaza-ti cum e azi.

 FeDaYin, on 17 octombrie 2020 - 21:24, said:

Nu e vorba de  2 km fire ci trasee. ADN-ul nostru dintr-o singura celula e mai lung de 2 km.

@ro_explorer mersi pt explicatia detaliata si mersi si tuturor celorlalti care au mai lamurit din aspectul asta. ok deci un proc modern e prea complex pt a fi inteles si proiectat de un singur om si trebuie o echipa intreaga pt treaba asta.

nu sunt eu un savant dar am citit despre o teorie care zice ceva de genul ca un sistem poate deveni tot mai "haotic" pe masura ce devine tot mai complex si ma intreb daca asta se aplica si la procesoare. ma intreb daca un proc poate avea comportamente stranii si interactiuni neprevazute intre subsistemele interne - cum ar zice teoria aia. si cum reusesc proiectantii sa stapaneasca chestiile astea ca sa nu iasa totul de sub control.

mi se pare fascinant aspectul asta si de asta am deschis topicul. am vazut si poze ale pastilei de siliciu si mi se par si alea fascinante aproape niste opere de arta.