Как работает компьютер: биты, транзисторы, логические вентили и процессор
Компьютер работает так: вся информация превращается в биты, 0 и 1, которые хранятся как низкое или высокое напряжение в миллиардах крошечных транзисторных переключателей. Логические вентили из транзисторов, И, ИЛИ и НЕ, по простым правилам складывают биты и выполняют арифметику, а процессор миллиарды раз в секунду повторяет один цикл: выбрать команду, расшифровать, выполнить. В современном процессоре больше 10 миллиардов транзисторов, а тактовая частота составляет 3–5 ГГц, так что один такт на 3 ГГц длится около 0,33 наносекунды.
Компьютер показывает фильмы и играет в шахматы, хотя внутри знает всего два символа. Ниже: как биты изображают числа и буквы, как транзистор работает переключателем, как три вентиля умеют складывать, что процессор делает с каждой командой и чем память отличается от накопителя.
Главные идеи
- Все данные — биты. Восемь бит составляют байт, в нём 256 комбинаций. Двоичное 1011 — это число 11, а заглавная буква A хранится как 65, то есть 01000001.
- Транзистор — переключатель без движущихся частей. Первый построили в Bell Labs в декабре 1947 года, а в современном процессоре их больше 10 миллиардов.
- Трёх вентилей, И, ИЛИ и НЕ, хватает на любое логическое правило, включая полусумматор, который складывает два бита и передаёт перенос.
- Процессор повторяет цикл: выбрать, расшифровать, выполнить. На 3 ГГц один такт длится около 0,33 нс, и за это время свет проходит лишь около 10 сантиметров.
- Оперативная память быстрая, но забывает всё при отключении питания, а накопитель, например флеш-память, хранит данные без питания. Чем ближе к процессору, тем память быстрее и меньше.
Двух символов достаточно
Бит — наименьшая единица информации: 0 или 1, выключено или включено, низкое или высокое напряжение. Восемь бит составляют байт, в котором помещается 256 разных комбинаций. Двоичная система считает так же, как мы, только двумя цифрами вместо десяти. Комбинация 1011 означает 1 × 8 + 0 × 4 + 1 × 2 + 1 × 1 = 11.
Буквы, цвета и звуки — просто договорённые комбинации. Заглавная буква A — это 01000001, то есть 65 в распространённой кодировке ASCII. Каждый лишний бит удваивает число комбинаций: 8 бит дают 256, 10 бит — 1024, а 32 бита — около 4,3 миллиарда. Двоичный конвертер на VITON13 SCHOOL позволяет переворачивать биты и смотреть, как меняется число.
Переключатель из кремния
В декабре 1947 года в Bell Labs в Нью-Джерси Джон Бардин и Уолтер Браттейн в группе под руководством Уильяма Шокли создали первый транзистор. В 1956 году все трое разделили Нобелевскую премию по физике. Транзистор — переключатель без движущихся частей: небольшое напряжение на одном выводе пропускает ток между двумя другими или перекрывает его. Он заменил электронные лампы, которые были размером с большой палец, горячими и хрупкими.
Первый транзистор сделали вручную, он был около сантиметра в поперечнике. Сегодня в одном процессоре больше 10 миллиардов транзисторов, в крупнейших чипах для ИИ — около 100 миллиардов, и все они создаются сразу, когда рисунки печатают светом на кремниевой пластине.
Вентили — крошечные правила
Соедините несколько транзисторов, и получится логический вентиль. НЕ переворачивает вход: 0 становится 1. И отвечает 1, только когда оба входа равны 1. ИЛИ отвечает 1, когда хотя бы один вход равен 1. Больше ничего не нужно: любое логическое правило компьютера можно построить из этих трёх.
Теперь сложим два отдельных бита. 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, а 1 + 1 = 10 в двоичной записи: бит суммы 0 и бит переноса 1. Перенос — просто a И b. Сумма — «одно или другое, но не оба»: (a ИЛИ b) И НЕ (a И b). Несколько вентилей дают полусумматор. Соедините их цепочкой, где каждый передаёт перенос следующему, и можно складывать числа любой длины. Вычитание и умножение строятся на сложении.
Процессор: выбрать, расшифровать, выполнить
Центральный процессор — это вентили, собранные так, чтобы взять команду из памяти, расшифровать её, выполнить и взять следующую. Команда сама по себе — комбинация бит, например «прибавь число из регистра A к числу из регистра B». Игра или браузер — это миллионы таких команд, и процессор идёт по ним по порядку, если команда не велит перепрыгнуть в другое место.
Первый однокристальный микропроцессор, 1971 год, содержал 2300 транзисторов и работал на частоте 740 кГц. Современный процессор работает на 3–5 ГГц. На 3 ГГц один такт длится 1 / 3 000 000 000 с, около 0,33 наносекунды, а свет за это время проходит лишь около 10 сантиметров, и это одна из причин, почему чипы должны быть маленькими. В современных процессорах к тому же несколько ядер — копий процессора, работающих рядом.
На фотографии голый кремниевый кристалл 8-битного микропроцессора семейства Z80. Упорядоченные блоки и более густая путаница логики — всё это транзисторы и проводники, а маленькие квадраты по краю — контактные площадки, к которым тонкие проводки присоединяют чип к внешнему миру.
Память и накопитель
Процессору нужны данные поближе. Оперативная память — рабочая: очень быстрая, но при отключении питания она забывает всё. Между ними стоит небольшой, ещё более быстрый кэш. Накопитель, например флеш-чипы в телефоне или SSD, хранит данные без питания, удерживая крошечные электрические заряды.
Байт — это 8 бит, поэтому телефон на 256 ГБ вмещает около 256 × 8 = 2048 миллиардов бит, примерно 2 триллиона. Практическое правило: чем ближе к процессору, тем память быстрее и меньше. Любое приложение, которое вы открываете, — это тот же танец бит в гигантских масштабах.
Как это показывает VJOURNAL SMART BOOK
В главе «Компьютер и чип» книги «Как это работает» VJOURNAL SMART BOOK, том I, пять анимированных моментов: ряд ячеек светится как биты, переключается транзистор, три вентиля складывают два числа, процессор тикает в гигагерцах, а память отличается от накопителя. В анимации вентили — маленькие блоки с огоньками на проводах, а сигналы бегут слева направо.
Под картинкой есть песочница. Задайте входные биты сами, проследите сигнал через вентили и проверьте все четыре пары входов полусумматора, прочитав сумму и перенос. В главе также есть ключевые факты, тест из трёх вопросов с объяснениями и источники.
Простыми словами
Компьютер — огромная толпа выключателей, соединённых так, что щелчок одних по строгим правилам щёлкает другие. Если делать это достаточно быстро, миллиарды раз в секунду, выключатели складывают числа, рисуют картинки и играют музыку.
Попробуйте сами
Переведите двоичное число 1101 в десятичное, а затем сложите с ним 1011 в двоичной записи. Проверьте ответ сложением в десятичной системе.
Ожидаемый результат
1101 = 8 + 4 + 0 + 1 = 13, а 1011 = 11. В двоичной системе 1101 + 1011 = 11000, то есть 16 + 8 = 24, что равно 13 + 11.
Проверьте себя: Сколько разных значений поместится в 10 бит?
Два в десятой степени, то есть 1024 значения, от 0 до 1023.
Вопросы и ответы
Что на самом деле делает компьютер?
Выполняет команды: берёт одну из памяти, расшифровывает, выполняет и повторяет. Команды простые, например сложить два числа, сравнить их или перейти в другое место, а всё, что вы видите на экране, складывается из миллиардов таких команд в секунду.
Почему компьютеры используют двоичную систему?
Два состояния легко надёжно различать. Транзистор либо проводит ток, либо нет, напряжение либо низкое, либо высокое, и небольшая электрическая помеха не превращает одно в другое. Сигналы со многими значениями было бы намного труднее держать чистыми.
Чем отличаются процессор и оперативная память?
Процессор обрабатывает данные. Оперативная память хранит программы и данные, которые нужны прямо сейчас, чтобы процессор мог быстро до них добраться, и теряет содержимое при отключении питания.
Сколько транзисторов в компьютерном чипе?
Первый транзистор 1947 года был единственным. В микропроцессоре 1971 года их было 2300. В современном процессоре больше 10 миллиардов, а в крупнейших чипах для ИИ около 100 миллиардов.
Что значит 3 ГГц?
Гигагерц — миллиард тактов в секунду, поэтому 3 ГГц значит около 3 миллиардов тактов каждую секунду. Один такт длится около 0,33 наносекунды, и процессор может выполнить часть работы в каждом такте.
Запомните три строки: всё — биты, транзистор — переключатель, а вентили из транзисторов умеют складывать. Затем откройте главу и сложите два бита сами в песочнице.
Источники и дальнейшее чтение
- Nobel Prize: Physics 1956, the transistor ↗Источники проверены:
- Computer History Museum: The Silicon Engine ↗Источники проверены:
- Computer History Museum: the microprocessor integrates the CPU onto a single chip ↗Источники проверены:
- Britannica: Transistor ↗Источники проверены: