Análise de portas individuais do processador Pentium: Standard Cells

Standard cells do processador Pentium vistas porta por porta

• Introdução ao processador Pentium

  • A Intel lançou o poderoso processador Pentium em 1993
  • O Pentium é um chip complexo que contém 3,3 milhões de transistores
  • Esse chip usava uma tecnologia incomum chamada BiCMOS

• Design de standard cells

  • Os primeiros processadores dos anos 1970 posicionavam transistores manualmente
  • O posicionamento manual era lento e sujeito a erros, então foi desenvolvido o design automatizado de standard cells
  • As standard cells têm altura fixa e largura variável, e são organizadas em linhas

• Visão geral de CMOS

  • Os processadores modernos são compostos por circuitos CMOS que usam transistores NMOS e PMOS
  • Transistores NMOS ligam quando a gate está em nível alto, e transistores PMOS ligam quando a gate está em nível baixo
  • Os circuitos CMOS usam uma abordagem complementar

• Camadas de circuito do Pentium

  • O Pentium possui quatro camadas de interconexão metálica na superfície do die de silício
  • Cada camada metálica se conecta às camadas superior e inferior, permitindo que os sinais se movimentem pelo chip
  • O software de placement e routing automático cria caminhos de fiação complexos

• Inversor

  • Um inversor CMOS é composto por um transistor PMOS e um transistor NMOS
  • Quando a entrada é 1, o transistor NMOS liga e a saída se torna 0; quando a entrada é 0, o transistor PMOS liga e a saída se torna 1

• Porta NAND

  • A porta NAND é composta por dois transistores PMOS e dois transistores NMOS
  • Quando as duas entradas estão em nível alto, os transistores NMOS ligam e a saída fica baixa
  • Quando uma das entradas está em nível baixo, os transistores PMOS ligam e a saída fica alta

• Porta OR-NAND

  • A porta OR-NAND com 5 entradas tem uma estrutura complexa
  • O circuito NMOS é configurado em paralelo, e o circuito PMOS em série

• Latch

  • Um latch armazena um bit controlado por um sinal de clock
  • Quando o clock está alto, a entrada aparece imediatamente na saída; quando o clock está baixo, o valor anterior é mantido

• Flip-flop

  • Um flip-flop é semelhante a um latch, mas sua entrada de clock é sensível à borda, não ao nível
  • Ele memoriza o valor de entrada quando o clock faz a transição do nível baixo para o alto

• Buffer BiCMOS

  • O Pentium usava a tecnologia BiCMOS, que combina CMOS e transistores bipolares
  • Circuitos BiCMOS reduziam o atraso de sinal em até 35%

• Conclusão

  • Layouts com standard cells são amplamente usados em chips modernos
  • O Pentium tem a característica única de usar circuitos BiCMOS
  • Mesmo processadores complexos são compostos por circuitos simples de transistores

Resumo do GN⁺

• O processador Pentium, lançado em 1993, era um chip poderoso com 3,3 milhões de transistores
• O design de standard cells foi desenvolvido para compensar as desvantagens do posicionamento manual e usa software automatizado de placement e routing
• A tecnologia BiCMOS era eficaz para reduzir o atraso de sinal, mas não é usada em circuitos digitais modernos
• Este artigo analisa em detalhe os circuitos do Pentium e mostra que até processadores complexos são compostos por circuitos simples de transistores

[GN⁺]

Comentários do Hacker News

• A Intel usou tecnologia de posicionamento e roteamento automáticos no processador 386

  • Essa tecnologia era muito mais rápida que o trabalho manual e reduzia bastante os erros
  • O posicionamento foi feito com o programa Timberwolf, desenvolvido por um estudante de pós-graduação de Berkeley
  • Um dos membros da equipe disse que, se a diretoria soubesse que estavam usando a ferramenta de um pós-graduando, não teria permitido
  • Esse pós-graduando era Carl Sechen, e seu orientador era Alberto Sangiovanni-Vincentelli

• Os processadores modernos são difíceis de estudar com microscópios por causa dos transistores em escala nanométrica

  • Houve a sugestão de fazer uma vaquinha para comprar um microscópio eletrônico para Ken

• Houve comentários dizendo que não era possível ver as imagens

  • A culpa é da CloudFlare, pois é preciso passar por uma verificação "humana" ao acessar a página
  • Porém, a mesma verificação também é exigida ao carregar as imagens, mas como ela não é exibida, as imagens não carregam

• Foi comentado que a diferença entre as células padrão mencionadas no artigo e as células atuais é que os canais de roteamento foram removidos

  • Antigamente, as linhas de polisilício eram estendidas para evitar que o metal cruzasse as linhas de Vdd e terra
  • Hoje há camadas metálicas suficientes para fazer o roteamento através da própria célula
  • É preciso evitar vias de entrada e saída descendo até os transistores
  • Inverter as fileiras de células para que os trilhos de PMOS e NMOS se sobreponham também traz ganho adicional

• Houve a opinião de que as postagens do blog de Ken sempre foram incríveis

  • Dizem adorar o trabalho dele e querem que ele continue

• Houve uma pergunta sobre se o software moderno de EDA é sofisticado o bastante para posicionar transistores sem depender de células padrão

• Houve a opinião de que "dissecar" um processador poderia ser uma atividade educacional semelhante à dissecação de sapos na escola

  • Seria divertido e educativo, sem os problemas ligados aos direitos dos animais

• Foram fornecidos links para quem tem interesse em células padrão open source

  • VLSTechnology
  • SkyWater and Google

• Houve um comentário dizendo estar feliz porque o link de "cultura pop" correspondia exatamente à música que a pessoa esperava