Análisis de puertas individuales del procesador Pentium: celdas estándar

Celdas estándar del procesador Pentium vistas a través de puertas individuales

• Introducción al procesador Pentium

  • Intel lanzó el potente procesador Pentium en 1993
  • Pentium es un chip complejo que incluye 3.3 millones de transistores
  • Este chip utilizó una tecnología inusual llamada BiCMOS

• Diseño con celdas estándar

  • Los primeros procesadores de la década de 1970 colocaban los transistores manualmente
  • Como la colocación manual era lenta y propensa a errores, se desarrolló el diseño automatizado con celdas estándar
  • Las celdas estándar tienen altura fija y ancho variable, y se organizan en filas

• Resumen de CMOS

  • Los procesadores modernos están compuestos por circuitos CMOS que usan transistores NMOS y PMOS
  • Los transistores NMOS se encienden cuando la compuerta está en alto, y los transistores PMOS se encienden cuando la compuerta está en bajo
  • Los circuitos CMOS usan un enfoque complementario

• Capas de circuito del Pentium

  • Pentium tiene cuatro capas de cableado metálico sobre la superficie del dado de silicio
  • Cada capa metálica se conecta con las capas superior e inferior, permitiendo que las señales se desplacen a través del chip
  • El software automatizado de colocación y ruteo genera trayectorias de cableado complejas

• Inversor

  • Un inversor CMOS está compuesto por un transistor PMOS y un transistor NMOS
  • Cuando la entrada es 1, el transistor NMOS se enciende y la salida pasa a 0; cuando la entrada es 0, el transistor PMOS se enciende y la salida pasa a 1

• Puerta NAND

  • Una puerta NAND está compuesta por dos transistores PMOS y dos transistores NMOS
  • Cuando ambas entradas están en alto, los transistores NMOS se encienden y la salida baja
  • Cuando una de las entradas está en bajo, los transistores PMOS se encienden y la salida sube

• Puerta OR-NAND

  • La puerta OR-NAND de 5 entradas tiene una estructura compleja
  • El circuito NMOS está configurado en paralelo y el circuito PMOS en serie

• Latch

  • Un latch almacena un bit controlado por una señal de reloj
  • Cuando el reloj está en alto, la entrada aparece inmediatamente en la salida; cuando el reloj está en bajo, conserva el valor anterior

• Flip-flop

  • Un flip-flop es similar a un latch, pero su entrada de reloj es sensible al flanco en lugar de al nivel
  • Recuerda el valor de entrada cuando el reloj cambia de estado bajo a alto

• Buffer BiCMOS

  • Pentium usó tecnología BiCMOS, que emplea transistores CMOS y bipolares
  • Los circuitos BiCMOS reducen el retardo de señal hasta en un 35%

• Conclusión

  • El layout con celdas estándar se usa ampliamente en los chips modernos
  • Pentium tiene la característica distintiva de usar circuitos BiCMOS
  • Incluso los procesadores complejos están compuestos por circuitos de transistores simples

Resumen de GN⁺

• El procesador Pentium, lanzado en 1993, era un chip potente que incluía 3.3 millones de transistores
• El diseño con celdas estándar se desarrolló para compensar las desventajas de la colocación manual y utiliza software automatizado de colocación y ruteo
• La tecnología BiCMOS era efectiva para reducir el retardo de señal, pero no se usa en los circuitos digitales modernos
• Este artículo analiza en detalle los circuitos del Pentium y muestra que incluso los procesadores complejos están formados por circuitos de transistores simples

[GN⁺]

Comentarios de Hacker News

• Intel usó tecnología de colocación y enrutamiento automáticos en el procesador 386

  • Esta tecnología era mucho más rápida que el trabajo manual y reducía mucho los errores
  • La colocación se realizó con el programa Timberwolf, desarrollado por un estudiante de posgrado de Berkeley
  • Uno de los miembros del equipo dijo que, si la gerencia hubiera sabido que estaban usando la herramienta de un estudiante de posgrado, no lo habrían permitido
  • Ese estudiante de posgrado era Carl Sechen y su profesor asesor era Alberto Sangiovanni-Vincentelli

• Los procesadores modernos son difíciles de estudiar con un microscopio debido a sus transistores de escala nanométrica

  • Hubo una opinión de que se debería hacer una colecta para comprarle un microscopio electrónico a Ken

• Hubo comentarios de que no se podían ver las imágenes

  • Era por CloudFlare, ya que al entrar a la página hay que pasar una verificación de "humano"
  • Sin embargo, al cargar las imágenes también se requiere la misma verificación, pero como no se muestra, las imágenes no cargan

• Se comentó que la diferencia entre las celdas estándar mencionadas en el artículo y las actuales es que se eliminaron los canales de enrutamiento

  • Antes se alargaban las líneas de polisilicio para evitar que el metal cruzara las líneas de Vdd y tierra
  • Ahora hay suficientes capas de metal como para enrutar a través de la propia celda
  • Las entradas y salidas deben evitar las vías que bajan hacia los transistores
  • También hay una ganancia adicional al voltear las filas de celdas para que los rieles de PMOS y NMOS se superpongan

• Hubo una opinión de que las publicaciones del blog de Ken siempre han sido sorprendentes

  • Les encanta su trabajo y esperan que siga haciéndolo

• Se planteó la pregunta de si el software EDA moderno es lo bastante sofisticado como para colocar transistores sin depender de celdas estándar

• Se comentó que "disecar" un procesador podría ser una actividad educativa parecida a diseccionar una rana en la escuela

  • Sería divertido y educativo, sin los problemas de derechos de los animales

• Se compartieron enlaces para quienes estén interesados en celdas estándar de código abierto

  • VLSTechnology
  • SkyWater and Google

• Hubo una opinión de que el enlace de "cultura pop" coincidía exactamente con la canción que esperaban