Простыми словами о транзисторах в процессорах и памяти

Привет!

Хотите легко и непринуждённо загнать человека в ступор? Спросите у него, как работает транзистор.

Сегодня разберёмся, почему в процессорах и различных видах памяти используются транзисторы и как они работают. Без сложной теории и скучных формул - объясняю понятным языком!

Почему так популярны транзисторы и что это такое?

Транзистор - это устройство, позволяющее управлять проходимым через него током (потоком электронов)

Принцип работы транзисторов лучше всего понятен при использовании аналогий с устройствами повседневной жизни, например, рукомойником.

Есть бак или ёмкость с водой (аналогия - источник тока, например, аккумулятор). Ёмкость соединена трубопроводом (аналогия - провод) с шаровым краном (аналогия - транзистор). За шаровым краном идёт сливная труба, из которой может (по необходимости) выливаться вода.

Принцип работы транзистора аналогичен работе шарового крана

Если шаровой кран закрыт, вода не проходит через него. Если же повернуть ручку крана, то вода устремляется наружу.

Перейдём теперь к транзисторам.

В компьютеростроении наибольшее распространение получили полевые транзисторы с изолированным затвором, или MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Они бывают разных форм и размеров. Вот так, например, выглядит силовой полевой транзистор:

MOSFET-транзистор, используемый в блоках питания

MOSFET транзистор имеет 3 контакта со специальными названиями:

Исток - место, откуда начинает течь ток (аналог - конец шарового крана со стороны бака).

Сток - место, куда может течь ток (аналог - другой конец шарового крана со стороны сливной трубы).

Затвор - контакт, который управляет потоком тока (ручка шарового крана).

У MOSFET транзистора ток (поток электронов) хочет течь от истока к стоку, а затвор может или разрешить ему течь, или запретить.

Затвор тоже управляется током. Есть ток на затворе - транзистор пропускает ток от истока к стоку, нет тока - не пропускает.

Итак, MOSFET транзистор может либо проводить ток, либо не проводить его. Такое поведение отлично накладывается на компьютерную двоичную (булеву) логику: "0 / 1" или "включено / выключено".

Современные микросхемы (микрочипы) процессоров, модулей оперативной (RAM) и постоянной (NAND) памяти состоят из миллиардов малюсеньких транзисторов, соединённых определённым образом. Как соединены транзисторы знают только сотрудники, занимающиеся разработкой архитектуры микрочипов.

Однако, в основе сложной архитектуры лежат простые соединения транзисторов для выполнения простейших двоичных (булевых) операций - "НЕ", "И" и "ИЛИ". Помните о таких из курса школьной информатики? Ничего, сейчас освежим память 😊

Операция "ИЛИ"

Рассмотрим тот же бак с водой. Только теперь к баку параллельно подключены 2 шаровых крана (смотрим рисунок). После шаровых кранов два трубопровода соединяются в один, из которого может вытекать вода.

Логическая операция "ИЛИ" на примере трубопровода. Вода не течёт, только когда оба крана закрыты

Два крана дают 4 возможных состояния трубопровода. Вода будет течь, когда открыт хотя бы один кран, и не будет течь, только если оба крана закрыты.

Вода течёт, когда открыт ИЛИ верхний, ИЛИ нижний, ИЛИ оба крана.

Сказанное отражено в таблицах:

Левая таблица отражает состояния трубопровода. Правая таблица - то же самое, но в булевой логике, где "0" - отсутствие (потока воды, напряжения и т.п.), а "1" - наличие. В зависимости от состояний "Вход 1" и "Вход 2" формируется результат на "Выходе"

Кажется, что я слишком сложно объясняю простые вещи 😊

Операция "И"

Соединим теперь бак с двумя кранами, идущими последовательно друг за другом.

Логическая операция "И". Вода вытекает из трубопровода, только когда оба крана открыты, то есть открыт кран 1 И кран 2.

Здесь обратная ситуация. Вода будет вытекать только если оба крана открыты: кран 1, И кран 2.

Левая таблица - состояния трубопровода. Правая таблица - то же самое, но в булевой логике.

Операция "НЕ"

Операция "НЕ" - это инверсия состояния, или операция отрицания.

Попытаемся представить неправдоподобную ситуацию, что когда Вы закрываете кран, то вода начинает течь, но когда открываете - вода течь перестаёт. Сложно такое представить, не так ли? 😊

В компьютере если на входе имеется логическая "1", то после операции НЕ на выходе имеем логический "0" и наоборот.

Заключительная часть

Из цепочек простых логических элементов "И", "ИЛИ" и "НЕ" строятся различные сложные устройства: сумматоры, шифраторы, дешифраторы и т.д. - не будем забивать ими голову и оставим это специалистам.

И процессоры, и чипы памяти состоят из миллиардов различных транзисторов со сложными соединениями друг с другом. Такие соединения позволяют управлять током (потоком электронов) нужным образом, производя различные логические и арифметические операции.

Я постарался объяснить всё "на пальцах", не вдаваясь в физику полупроводниковых переходов.

Открывающая серию статья:

Продолжим изучать процессоры и память в следующих статьях 😊

Хэштеги #it-технологии #транзисторы #электроника #компьютерное железо #принцип работы #компьютерная логика #MOSFET #булева логика #процессор #микросхемы