Analyse des portes individuelles du processeur Pentium : cellules standard

Cellules standard du processeur Pentium examinées porte par porte

• Présentation du processeur Pentium

  • Intel a lancé en 1993 le puissant processeur Pentium
  • Le Pentium est une puce complexe qui contient 3,3 millions de transistors
  • Cette puce utilisait une technologie particulière appelée BiCMOS

• Conception en cellules standard

  • Les premiers processeurs des années 1970 plaçaient les transistors à la main
  • Le placement manuel était lent et source de nombreuses erreurs, ce qui a conduit au développement de la conception automatisée en cellules standard
  • Les cellules standard ont une hauteur fixe et une largeur variable, et sont disposées en rangées

• Aperçu du CMOS

  • Les processeurs modernes sont composés de circuits CMOS utilisant des transistors NMOS et PMOS
  • Les transistors NMOS s'activent lorsque la grille est à l'état haut, et les transistors PMOS s'activent lorsque la grille est à l'état bas
  • Les circuits CMOS utilisent une approche complémentaire

• Couches de circuit du Pentium

  • Le Pentium dispose de quatre couches de métallisation à la surface de la puce en silicium
  • Chaque couche métallique est connectée aux couches supérieures et inférieures, ce qui permet aux signaux de circuler à travers la puce
  • Les logiciels de placement et routage automatiques génèrent des chemins de câblage complexes

• Inverseur

  • Un inverseur CMOS se compose d'un transistor PMOS et d'un transistor NMOS
  • Lorsque l'entrée vaut 1, le transistor NMOS s'active et la sortie devient 0 ; lorsque l'entrée vaut 0, le transistor PMOS s'active et la sortie devient 1

• Porte NAND

  • Une porte NAND se compose de deux transistors PMOS et de deux transistors NMOS
  • Lorsque les deux entrées sont à l'état haut, les transistors NMOS s'activent et la sortie passe à l'état bas
  • Si l'une des entrées est à l'état bas, les transistors PMOS s'activent et la sortie passe à l'état haut

• Porte OR-NAND

  • La porte OR-NAND à 5 entrées présente une structure complexe
  • Le circuit NMOS est monté en parallèle, tandis que le circuit PMOS est monté en série

• Latch

  • Un latch stocke un bit contrôlé par un signal d'horloge
  • Lorsque l'horloge est à l'état haut, l'entrée apparaît immédiatement en sortie ; lorsque l'horloge est à l'état bas, la valeur précédente est conservée

• Flip-flop

  • Un flip-flop est similaire à un latch, mais son entrée d'horloge est sensible au front plutôt qu'au niveau
  • Il mémorise la valeur d'entrée lorsque l'horloge passe de l'état bas à l'état haut

• Buffer BiCMOS

  • Le Pentium utilisait une technologie BiCMOS combinant CMOS et transistors bipolaires
  • Les circuits BiCMOS réduisaient le délai de signal jusqu'à 35 %

• Conclusion

  • Les layouts en cellules standard sont largement utilisés dans les puces modernes
  • Le Pentium présente la particularité d'utiliser des circuits BiCMOS
  • Même les processeurs complexes sont constitués de circuits de transistors simples

Résumé de GN⁺

• Le processeur Pentium, lancé en 1993, était une puce puissante intégrant 3,3 millions de transistors
• La conception en cellules standard a été développée pour compenser les limites du placement manuel, en s'appuyant sur des logiciels automatisés de placement et de routage
• La technologie BiCMOS était efficace pour réduire le délai des signaux, mais elle n'est plus utilisée dans les circuits numériques modernes
• Cet article analyse en détail les circuits du Pentium et montre que même les processeurs complexes sont constitués de circuits de transistors simples

[GN⁺]

Avis Hacker News

• Intel a utilisé des techniques de placement et routage automatiques pour le processeur 386

  • Cette technique était bien plus rapide que le travail manuel et réduisait fortement les erreurs
  • Le placement a été réalisé avec le programme Timberwolf, développé par un doctorant de Berkeley
  • L’un des membres de l’équipe a dit que la direction ne l’aurait pas autorisé si elle avait su qu’ils utilisaient l’outil d’un doctorant
  • Ce doctorant était Carl Sechen, et son directeur de thèse était Alberto Sangiovanni-Vincentelli

• Les processeurs modernes sont difficiles à étudier au microscope à cause des transistors à l’échelle du nanomètre

  • Quelqu’un a suggéré de lancer une collecte pour acheter un microscope électronique à Ken

• Quelqu’un a dit qu’il ne pouvait pas voir les images

  • C’est à cause de CloudFlare, qui impose une procédure de « vérification humaine » lors de l’accès à la page
  • Mais la même vérification est aussi requise au chargement des images, sauf qu’elle n’est pas affichée, donc les images ne se chargent pas

• Quelqu’un a expliqué que la différence entre les cellules standard mentionnées dans l’article et les cellules actuelles est la suppression des canaux de routage

  • Autrefois, on allongeait les lignes de polysilicium pour éviter que le métal ne traverse les lignes Vdd et de masse
  • Aujourd’hui, il y a assez de couches métalliques pour pouvoir router à travers la cellule elle-même
  • Il faut éviter que les entrées et sorties passent par des vias descendant jusqu’aux transistors
  • Inverser les rangées de cellules pour que les rails PMOS et NMOS se chevauchent apporte aussi un gain supplémentaire

• Quelqu’un a dit que les billets de blog de Ken étaient toujours incroyables

  • Il adore son travail et espère qu’il continuera

• Quelqu’un a demandé si les logiciels EDA modernes étaient assez sophistiqués pour placer les transistors sans dépendre des cellules standard

• Quelqu’un a dit que « disséquer » un processeur pourrait devenir une activité pédagogique semblable à la dissection de grenouilles à l’école

  • Ce serait amusant et éducatif, sans les problèmes liés aux droits des animaux

• Des liens ont été partagés pour les personnes intéressées par les cellules standard open source

  • VLSTechnology
  • SkyWater and Google

• Quelqu’un s’est dit heureux que le lien « pop culture » corresponde exactement à la chanson qu’il espérait