Analyse einzelner Gates im Pentium-Prozessor: Standard Cells

Standard Cells im Pentium-Prozessor im Detail

• Einführung in den Pentium-Prozessor

  • Intel brachte 1993 den leistungsstarken Pentium-Prozessor auf den Markt
  • Der Pentium war ein komplexer Chip mit 3,3 Millionen Transistoren
  • Der Chip nutzte die ungewöhnliche BiCMOS-Technologie

• Standard-Cell-Design

  • Frühe Prozessoren der 1970er Jahre platzierten Transistoren von Hand
  • Die manuelle Platzierung war langsam und fehleranfällig, daher wurde das automatisierte Standard-Cell-Design entwickelt
  • Standard Cells haben eine feste Höhe und variable Breite und sind in Reihen angeordnet

• CMOS im Überblick

  • Moderne Prozessoren bestehen aus CMOS-Schaltungen mit NMOS- und PMOS-Transistoren
  • NMOS-Transistoren schalten ein, wenn das Gate high ist, PMOS-Transistoren schalten ein, wenn das Gate low ist
  • CMOS-Schaltungen verwenden einen komplementären Ansatz

• Die Schaltungsebenen des Pentium

  • Der Pentium besitzt an der Oberfläche des Silizium-Die vier Metallverdrahtungsebenen
  • Jede Metallebene ist mit den darüber- und darunterliegenden Ebenen verbunden, sodass Signale über den Chip hinweg geführt werden können
  • Software für automatisierte Platzierung und Verdrahtung erzeugt komplexe Routing-Pfade

• Inverter

  • Ein CMOS-Inverter besteht aus einem PMOS-Transistor und einem NMOS-Transistor
  • Wenn der Eingang 1 ist, schaltet der NMOS-Transistor ein und der Ausgang wird 0; wenn der Eingang 0 ist, schaltet der PMOS-Transistor ein und der Ausgang wird 1

• NAND-Gatter

  • Ein NAND-Gatter besteht aus zwei PMOS-Transistoren und zwei NMOS-Transistoren
  • Sind beide Eingänge high, schalten die NMOS-Transistoren ein und der Ausgang wird low
  • Ist einer der Eingänge low, schalten die PMOS-Transistoren ein und der Ausgang wird high

• OR-NAND-Gatter

  • Ein OR-NAND-Gatter mit fünf Eingängen besitzt eine komplexe Struktur
  • Die NMOS-Schaltung ist parallel aufgebaut, die PMOS-Schaltung seriell

• Latch

  • Ein Latch speichert ein Bit und wird durch ein Taktsignal gesteuert
  • Ist der Takt high, erscheint der Eingang sofort am Ausgang; ist der Takt low, bleibt der vorherige Wert erhalten

• Flip-Flop

  • Ein Flip-Flop ist einem Latch ähnlich, sein Takteingang ist jedoch flanken- statt pegelsensitiv
  • Es speichert den Eingangswert, wenn der Takt von low nach high wechselt

• BiCMOS-Puffer

  • Der Pentium nutzte BiCMOS-Technologie, die CMOS- und Bipolartransistoren kombiniert
  • BiCMOS-Schaltungen verringerten die Signalverzögerung um bis zu 35 %

• Fazit

  • Standard-Cell-Layouts werden in modernen Chips breit eingesetzt
  • Der Pentium besitzt die besondere Eigenschaft, BiCMOS-Schaltungen zu verwenden
  • Selbst komplexe Prozessoren bestehen aus einfachen Transistorschaltungen

Zusammenfassung von GN⁺

• Der Pentium-Prozessor war ein leistungsstarker Chip, der 1993 erschien und 3,3 Millionen Transistoren enthielt
• Das Standard-Cell-Design wurde entwickelt, um die Nachteile manueller Platzierung auszugleichen, und nutzt automatisierte Software für Platzierung und Routing
• Die BiCMOS-Technologie war wirksam bei der Reduzierung von Signalverzögerungen, wird in modernen Digitalschaltungen jedoch nicht mehr eingesetzt
• Der Artikel analysiert die Schaltungen des Pentium im Detail und zeigt, dass selbst komplexe Prozessoren aus einfachen Transistorschaltungen bestehen

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentar

• Intel verwendete beim 386-Prozessor automatische Platzierungs- und Routing-Techniken

  • Diese Technik war viel schneller als Handarbeit und reduzierte Fehler erheblich
  • Die Platzierung wurde mit dem Programm Timberwolf durchgeführt, das von einem Berkeley-Doktoranden entwickelt wurde
  • Eines der Teammitglieder sagte, dass das Management es nicht erlaubt hätte, wenn es gewusst hätte, dass ein Tool eines Doktoranden verwendet wurde
  • Dieser Doktorand war Carl Sechen, und sein Betreuer war Alberto Sangiovanni-Vincentelli

• Moderne Prozessoren sind wegen ihrer Transistoren im Nanometermaßstab schwer mit einem Mikroskop zu untersuchen

  • Es gab die Meinung, man solle Geld sammeln, um Ken ein Elektronenmikroskop zu kaufen

• Es gab die Meinung, dass die Bilder nicht sichtbar seien

  • Das liege an CloudFlare, da man beim Aufrufen der Seite eine „Menschlichkeitsprüfung“ durchlaufen müsse
  • Beim Laden der Bilder sei dieselbe Prüfung jedoch ebenfalls nötig, sie werde aber nicht angezeigt, sodass die Bilder nicht geladen würden

• Der Unterschied zwischen den im Artikel erwähnten Standardzellen und heutigen Zellen sei, dass die Routing-Kanäle entfernt wurden

  • Früher wurden Polysilizium-Leitungen verlängert, um zu vermeiden, dass Metall die Vdd- und Masseleitungen kreuzt
  • Heute gibt es genügend Metalllagen, sodass durch die Zelle selbst geroutet werden kann
  • Bei Ein- und Ausgängen müssen Vias vermieden werden, die zu den Transistoren hinunterführen
  • Wenn man die Zellreihen spiegelt, sodass sich die Rails von PMOS und NMOS überlappen, ergibt sich ein zusätzlicher Vorteil

• Es gab die Meinung, dass Kens Blogposts immer erstaunlich gewesen seien

  • Man liebe seine Arbeit und hoffe, dass er weitermacht

• Es wurde gefragt, ob moderne EDA-Software inzwischen so ausgereift ist, dass sie Transistoren platzieren kann, ohne auf Standardzellen angewiesen zu sein

• Es gab die Meinung, dass das „Sezieren“ eines Prozessors eine Bildungsaktivität ähnlich dem Froschsezieren in der Schule sein könnte

  • Das wäre unterhaltsam und lehrreich, ganz ohne Tierrechtsprobleme

• Für Menschen mit Interesse an Open-Source-Standardzellen wurden Links bereitgestellt

  • VLSTechnology
  • SkyWater and Google

• Es gab die Meinung, dass der „Popkultur“-Link genau dem Lied entspreche, das man erwartet hatte, was erfreulich sei