Analisis gerbang individual pada prosesor Pentium: Standard Cells

Standard cell pada prosesor Pentium yang meninjau gerbang individual

• Pengenalan prosesor Pentium

  • Intel merilis prosesor Pentium yang bertenaga pada tahun 1993
  • Pentium adalah chip yang kompleks dan mencakup 3,3 juta transistor
  • Chip ini menggunakan teknologi unik bernama BiCMOS

• Desain standard cell

  • Prosesor awal pada tahun 1970-an menempatkan transistor secara manual
  • Penempatan manual lambat dan rawan kesalahan, sehingga dikembangkan desain standard cell yang terotomatisasi
  • Standard cell memiliki tinggi tetap dan lebar yang bervariasi, lalu disusun dalam baris

• Ikhtisar CMOS

  • Prosesor modern terdiri dari rangkaian CMOS yang menggunakan transistor NMOS dan PMOS
  • Transistor NMOS menyala saat gate tinggi, sedangkan transistor PMOS menyala saat gate rendah
  • Rangkaian CMOS menggunakan pendekatan yang saling melengkapi

• Lapisan rangkaian Pentium

  • Pentium memiliki empat lapisan kabel logam di permukaan die silikon
  • Setiap lapisan logam terhubung dengan lapisan di atas dan di bawahnya, sehingga sinyal dapat bergerak melintasi chip
  • Perangkat lunak automatic placement and routing membuat jalur pengkabelan yang kompleks

• Inverter

  • Inverter CMOS terdiri dari satu transistor PMOS dan satu transistor NMOS
  • Saat input bernilai 1, transistor NMOS menyala sehingga output menjadi 0, dan saat input bernilai 0, transistor PMOS menyala sehingga output menjadi 1

• Gerbang NAND

  • Gerbang NAND terdiri dari dua transistor PMOS dan dua transistor NMOS
  • Saat kedua input sama-sama tinggi, transistor NMOS menyala sehingga output menjadi rendah
  • Saat salah satu input rendah, transistor PMOS menyala sehingga output menjadi tinggi

• Gerbang OR-NAND

  • Gerbang OR-NAND dengan 5 input memiliki struktur yang kompleks
  • Rangkaian NMOS disusun paralel, sedangkan rangkaian PMOS disusun seri

• Latch

  • Latch menyimpan satu bit yang dikendalikan oleh sinyal clock
  • Saat clock tinggi, input langsung muncul pada output, dan saat clock rendah, nilai sebelumnya dipertahankan

• Flip-flop

  • Flip-flop mirip dengan latch, tetapi input clock-nya peka terhadap edge, bukan level
  • Flip-flop mengingat nilai input saat clock berpindah dari keadaan rendah ke tinggi

• Buffer BiCMOS

  • Pentium menggunakan teknologi BiCMOS yang memakai transistor CMOS dan bipolar
  • Rangkaian BiCMOS mengurangi delay sinyal hingga 35%

• Kesimpulan

  • Layout standard cell digunakan secara luas pada chip modern
  • Pentium memiliki karakteristik unik karena menggunakan rangkaian BiCMOS
  • Bahkan prosesor yang kompleks pun tersusun dari rangkaian transistor sederhana

Ringkasan GN⁺

• Prosesor Pentium adalah chip bertenaga yang dirilis pada tahun 1993 dan mencakup 3,3 juta transistor
• Desain standard cell dikembangkan untuk mengatasi kelemahan penempatan manual dan menggunakan perangkat lunak automatic placement and routing
• Teknologi BiCMOS efektif untuk mengurangi delay sinyal, tetapi tidak digunakan dalam rangkaian digital modern
• Artikel ini menganalisis rangkaian Pentium secara rinci dan menunjukkan bahwa bahkan prosesor yang kompleks pun tersusun dari rangkaian transistor sederhana

[GN⁺]

Komentar Hacker News

• Intel menggunakan teknik penempatan dan perutean otomatis pada prosesor 386

  • Teknik ini jauh lebih cepat daripada pekerjaan manual dan sangat mengurangi kesalahan
  • Penempatan dilakukan dengan program Timberwolf yang dikembangkan oleh seorang mahasiswa pascasarjana di Berkeley
  • Salah satu anggota tim mengatakan bahwa jika manajemen tahu mereka menggunakan alat buatan mahasiswa pascasarjana, mereka tidak akan mengizinkannya
  • Mahasiswa pascasarjana itu adalah Carl Sechen, dan dosen pembimbingnya adalah Alberto Sangiovanni-Vincentelli

• Prosesor modern sulit diteliti dengan mikroskop karena transistor berskala nanometer

  • Ada komentar yang mengusulkan penggalangan dana untuk membelikan Ken mikroskop elektron

• Ada komentar bahwa gambar tidak bisa dilihat

  • Penyebabnya adalah CloudFlare, dan saat mengakses halaman harus melalui prosedur "verifikasi manusia"
  • Namun saat memuat gambar, prosedur verifikasi yang sama juga diperlukan, tetapi karena verifikasinya tidak ditampilkan, gambar tidak dimuat

• Ada komentar bahwa perbedaan antara sel standar yang disebut dalam artikel dan sel saat ini adalah kanal peruteannya telah dihapus

  • Dulu, garis polisilikon diperpanjang untuk menghindari logam melintasi jalur Vdd dan ground
  • Sekarang ada cukup banyak lapisan logam sehingga perutean bisa dilakukan melalui sel itu sendiri
  • Input dan output harus menghindari via yang turun ke transistor
  • Membalik baris sel agar rel PMOS dan NMOS saling bertumpuk memberi keuntungan tambahan

• Ada komentar bahwa tulisan blog Ken selalu luar biasa

  • Mereka menyukai karyanya dan berharap ia terus melanjutkannya

• Ada pertanyaan apakah perangkat lunak EDA modern sudah cukup canggih untuk menempatkan transistor tanpa bergantung pada sel standar

• Ada komentar bahwa "membedah" prosesor bisa menjadi aktivitas pendidikan seperti pembedahan katak di sekolah

  • Ini akan menyenangkan dan edukatif tanpa masalah hak-hak hewan

• Tautan diberikan bagi orang yang tertarik pada sel standar open source

  • VLSTechnology
  • SkyWater and Google

• Ada komentar yang senang karena tautan "budaya pop" persis cocok dengan lagu yang mereka harapkan