केंद्रीय प्रोसेसर के विकास की संभावनाएं

सत्तर साल पहले, 1941 में, पहला प्रोग्रामेबल कंप्यूटर बनाया गया था। तब से, बहुत सारा पानी बह चुका है, और अब कंप्यूटर हर जगह हमें घेर लेते हैं। कंप्यूटर के डिजाइन के कई पहलू बहुत विकसित हुए हैं, कई, इसके विपरीत, बिल्कुल भी नहीं बदले हैं। विशेष रूप से, केंद्रीय प्रोसेसर के संचालन का सिद्धांत - एल्गोरिथम मॉडल - बदल नहीं गया है और शायद कभी नहीं बदलेगा। इस मॉडल की भौतिक सीमाओं को अच्छी तरह से समझा जाता है, और तदनुसार, उनकी गति के अर्थ में केंद्रीय प्रोसेसर की विकास सीमा स्पष्ट रूप से दिखाई देती है। तकनीकी रूप से, यह छत अभी भी काफी दूर है: कई दशकों के विकास और गति के कई आदेश। लेकिन यह हमें गंभीरता से सोचने से नहीं रोकना चाहिए कि उनके उच्च गति विकास की सीमा पर किस तरह के प्रोसेसर होंगे।

यह वास्तव में तथ्य है कि इस क्षेत्र में भविष्यवाणियां करने के लिए मौलिक भौतिक बाधाओं द्वारा विकास के संभावित मार्ग सख्ती से तय किए गए हैं: प्रकाश की गति की सूक्ष्मता, ऊष्मागतिकी के नियम और तत्वों के न्यूनतम आकार पर प्रतिबंध - वे एक अणु से छोटे नहीं हो सकते।

भाग 1. कंप्यूटिंग उपकरणों के सिद्धांत आज और भविष्य में

अपने अस्तित्व के शुरुआती दशकों में, कंप्यूटर का उपयोग केवल कंप्यूटिंग के लिए किया गया था। "कंप्यूटर" शब्द का मूल अर्थ रूसी में "स्वचालित कंप्यूटर" (एवीएम) के रूप में अनुवादित है। थोड़ी देर बाद, कंप्यूटरों को अन्य उपकरणों के नियंत्रण तत्वों के रूप में भी इस्तेमाल किया जाने लगा, और "कंप्यूटर" शब्द ने इसका आधुनिक अर्थ हासिल कर लिया: "सामान्य-उद्देश्य कार्यक्रम निष्पादित करने वाला कार्यक्रम" । आज, एवीएम अत्यधिक विशिष्ट (कंप्यूटर केंद्रों में उपयोग किए जाने वाले) उपकरण हैं, और कंप्यूटर एक नियंत्रण तत्व के रूप में, इसके विपरीत, लगभग सभी स्वचालित उपकरणों में उपयोग किया जाता है - माइक्रोवेव से लेकर रोबोट उत्पादन लाइनें और मोबाइल फोन से लेकर स्पेसशिप तक। विशेष रूप से, यह लैपटॉप, डेस्कटॉप वर्कस्टेशन और गेम कंसोल - घरेलू कंप्यूटर नामक उपकरणों में एक नियंत्रित भूमिका निभाता है।

कई अलग-अलग गणना मॉडल हैं, इसलिए भविष्य के एवीएम को संभवतः पूरी तरह से अप्रत्याशित तरीके से व्यवस्थित किया जाएगा। हालाँकि, किसी भी स्थिति में नियंत्रण उपकरण के रूप में कंप्यूटर में एक कार्यकारी इकाई (केंद्रीय प्रोसेसर) होना चाहिए, और इस इकाई का उपकरण अपने कार्यों के लिए बहुत ही निश्चित है: यह सक्षम होना चाहिए
- अन्य उपकरणों के लिए लगातार निर्देश जारी करें और
- मौजूदा परिस्थितियों के आधार पर आगे के कार्यक्रम का चुनाव करें।
इन दो आवश्यकताओं को स्वचालित रूप से अंग्रेजी में "आराम से अनुक्रमिक निष्पादन" नामक एक उपकरण मॉडल या रूसी भाषा की परंपरा में "एल्गोरिथम मॉडल" माना जाता है। यह मॉडल, कई अन्य लोगों के विपरीत, क्वांटम समकक्ष नहीं है, क्योंकि क्वांटम कंप्यूटिंग मौलिक रूप से प्रतिवर्ती है, और एक विकल्प बनाना मौलिक रूप से अपरिवर्तनीय है। इस मॉडल पर लेख के अगले दो भागों में चर्चा की जाएगी।

कहानी की पूर्णता के लिए, हम इस समय ज्ञात सभी कम्प्यूटेशनल हार्डवेयर मॉडल की गणना की सूची देते हैं:
- एक एल्गोरिदमिक मॉडल, अर्थात् (सशर्त रूप से) निर्देशों का चरण-दर-चरण निष्पादन ("सशर्त रूप से" का अर्थ है कि स्वतंत्र निर्देशों के समानांतर निष्पादन की अनुमति है);
- स्ट्रीम वेक्टर कंप्यूटिंग और उनके प्राकृतिक सामान्यीकरण - क्वांटम कन्वेयर;
- सेलुलर / नेटवर्क ऑटोमेटा और उनके प्राकृतिक सामान्यीकरण - क्वांटम ऑटोमेटा।

वर्तमान में, अनुक्रमिक निष्पादन मॉडल के अपवाद के साथ, केवल स्ट्रीमिंग वेक्टर गणना का उपयोग किया जाता है: तीन-आयामी ग्राफिक्स (जीपीयू) के लिए विशेष कॉपोसेसरों में घरेलू कंप्यूटर पर, साथ ही संख्यात्मक सिमुलेशन और बड़े डेटा सरणियों के प्रसंस्करण के लिए कंप्यूटिंग स्टेशनों पर उनके बढ़े हुए पावर (GPGPU) के एनालॉग्स में। । केंद्रीय प्रोसेसर स्ट्रीम प्रोसेसर के लिए कुछ विशिष्ट कार्यों को प्रस्तुत करता है, हालांकि, केवल वह स्वयं नियंत्रण कार्य करता है। क्वांटम कंप्यूटिंग के विकास के साथ, इस स्थिति को बदलने की संभावना नहीं है: क्वांटम पाइपलाइन और मशीनें केंद्रीय प्रोसेसर के लिए केवल जोड़ होंगी, लेकिन इसके प्रतिस्थापन नहीं।

भाग 2. आज और भविष्य में प्रोसेसर का तत्व आधार

प्राथमिक स्तर पर, प्रोसेसर में दो प्रकार के तत्व होते हैं: स्विच और उन्हें जोड़ने वाले ट्रैक। पटरियों का कार्य सिग्नल को ले जाना है, और स्विच का कार्य इस सिग्नल को बदलना है। स्विच और पटरियों के कई अलग-अलग कार्यान्वयन हैं।

हमारे आसपास के डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स में, ट्रांजिस्टर को स्विच के रूप में उपयोग किया जाता है, और ट्रैक कंडक्टर से बने होते हैं।

§ 2.1। संकेत संचरण
बाइनरी डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स में, वोल्टेज का उपयोग सिग्नल को एनकोड करने के लिए किया जाता है। एक ट्रैक "शून्य" सिग्नल वहन करता है यदि एक संभावित (यू ₀ ε “) इसे लागू किया जाता है, और यदि एक संभावित (यू ₁ U is) इसे लागू किया जाता है, तो यह" एक "सिग्नल वहन करता है। U ₀ और U _{1 के} मूल स्तरों को चुना गया है ताकि (U ₀ + <) <(U ₁ - ₀ ), जहां error त्रुटि हो, तकनीकी कारणों से अपरिहार्य हो। एक राज्य से दूसरे राज्य में संक्रमण एक ठहराव है, या इसके विपरीत, एक चालक में इलेक्ट्रॉनों की एक बड़ी संख्या का त्वरण है। इन दोनों प्रक्रियाओं में काफी समय लगता है और ये अनिवार्य रूप से बड़े ऊर्जा नुकसान से जुड़े होते हैं।

डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स के विकल्प हैं, इस खामी से रहित: आप पटरियों के साथ इलेक्ट्रॉनों (तथाकथित स्पिंट्रॉनिक्स) या फोटॉनों (तथाकथित फोटॉन लॉजिक) की एक निरंतर स्ट्रीम भेज सकते हैं, और इस धारा के ध्रुवीकरण का उपयोग करके संकेत को एन्कोड कर सकते हैं। इलेक्ट्रॉनों और फोटॉनों दोनों एक-आयामी वेवगाइड के साथ आगे बढ़ते हैं, बिल्कुल दो ऑर्थोगोनल ध्रुवीकरण राज्यों में रहते हैं, जिनमें से एक को शून्य और दूसरे को घोषित किया जाता है। यह बेहतर है - फोटॉन लॉजिक या स्पिंट्रोनिक्स, जबकि यह स्पष्ट नहीं है:
- दोनों मामलों में, कण प्रवाह अपरिहार्य थर्मल नुकसान के साथ बहता है, हालांकि, ये नुकसान मनमाने ढंग से छोटे हो सकते हैं;
- दोनों मामलों में, प्रवाह वेग प्रकाश की गति से कम है, हालांकि, यह मनमाने ढंग से इसके करीब हो सकता है;
- दोनों ही मामलों में, जटिल तकनीकों की आवश्यकता होती है ताकि हस्तक्षेप, थर्मल शोर और पृष्ठभूमि विकिरण (अतीत में उड़ने वाले यादृच्छिक कण) सिग्नल को विकृत न करें।
दूसरे शब्दों में, दोनों प्रौद्योगिकियों की ज्ञात भौतिक सीमाएँ समान हैं। सबसे अधिक संभावना है, संयुक्त प्रौद्योगिकियां सबसे अच्छा परिणाम देंगी: फोटॉन परिवहन लंबी दूरी पर जीतता है और कम लोगों पर हारता है; इसी समय, फोटॉन और इलेक्ट्रॉन प्रवाह के ध्रुवीकरण के बीच एडेप्टर (दोनों दिशाओं में) के कार्य प्रोटोटाइप पहले ही विकसित हो चुके हैं। ग्राफीन स्प्रिंट्रोन पटरियों के लिए एक आदर्श सामग्री है: यह बहुत कम गर्मी के नुकसान के साथ उत्कृष्ट गति प्रदान करता है। इसके अलावा, निम्नलिखित तत्वों के कार्य प्रोटोटाइप पहले से मौजूद हैं:
- ट्रैक जो मज़बूती से छोटी और मध्यम दूरी पर वर्तमान ध्रुवीकरण बनाए रखते हैं;
- मेमोरी कोशिकाएं ध्रुवीकरण को संरक्षित करने और फिर संग्रहीत ध्रुवीकरण की एक धारा बनाने में सक्षम हैं।

ग्राफीन ट्रैक जानकारी:
२०१०-०६: ग्रेफीन नैनोवायर का विशाल निर्माण। जॉर्जिया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी।
2011-01: शोधकर्ताओं ने ग्राफीन में एक स्पिन करंट उत्पन्न करने में कामयाबी हासिल की। हांगकांग की सिटी यूनिवर्सिटी।
2011-02: ग्राफीन में शुद्ध स्पिन करंट का निर्माण। हांगकांग की सिटी यूनिवर्सिटी।
2011-02: बड़े पैमाने पर उत्पादन-तैयार तल-अप संश्लेषण घुलनशील दोष-मुक्त ग्राफीन नैनोरिबन्स के संश्लेषण के लिए। मैक्ज़ में मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर पॉलिमर रिसर्च।

§ 2.2। स्विच
डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किया जाने वाला ट्रांजिस्टर एक तीन-पिन डिवाइस है जो निम्नानुसार काम करता है:
- यदि मध्य संपर्क के लिए एक उच्च क्षमता लागू होती है, तो चरम संपर्क जुड़े हुए हैं, स्विच "कंडक्टर" स्थिति में है;
- यदि बीच में एक कम क्षमता लागू होती है, तो चरम संपर्क खुले हैं, स्विच "इन्सुलेटर" स्थिति में है।
फिलहाल, एक अणु से युक्त ट्रांजिस्टर को सफलतापूर्वक बनाया और परीक्षण किया गया है। उनकी गति और कॉम्पैक्टनेस लगभग सैद्धांतिक सीमा तक पहुंच जाती है, लेकिन अभी तक ऐसी तकनीकें नहीं हैं जो उनके बड़े पैमाने पर उत्पादन और उपयोग की अनुमति दें। सभी आधुनिक डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स धातु ऑक्साइड क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर (MOSFET) के आधार पर बनाए जाते हैं। कई दशकों से, चिप निर्माता केवल ऐसे ट्रांजिस्टर के रैखिक आयाम और बिजली की खपत को कम कर रहे हैं, हालांकि, कई प्रकार के मल्टी-टर्मिनल और ट्रांस्फ़ॉर्मलेस ट्रांजिस्टर (BDT, JNT) के औद्योगिक परीक्षण पहले ही आयोजित किए जा चुके हैं। इस तरह के ट्रांजिस्टर 4-6 गुना अधिक प्रदर्शन प्रदान करने में सक्षम होंगे। इस परिवर्तन को प्रक्रिया में बड़े बदलाव की आवश्यकता नहीं होगी और अगले 5 से 10 वर्षों में अपेक्षित है।

मौलिक थर्मोडायनामिक कारणों के लिए, ट्रांजिस्टर-प्रकार स्विच कुशलता से काम नहीं कर सकते हैं: प्रभावी को एक तर्क तत्व के रूप में रूढ़िवादी और प्रतिवर्ती होना चाहिए। एक सममित स्विच, जिसे फ्रेडकिन वाल्व भी कहा जाता है, इन स्थितियों को संतुष्ट करता है। इस डिवाइस में दो इनपुट हैं ₁ , _{2 में} , दो आउटपुट आउट ₁ , आउट ₂ और एक निरंतर ट्रैक सी (नियंत्रण) । यदि C "0" स्थिति में है, तो इनपुट और आउटपुट सीधे जुड़े हुए हैं: ₁ में आउट _{1 के} साथ, ₂ में आउट _{2 के} साथ; यदि C स्थिति "1" में है, तो इनपुट और आउटपुट जुड़े हुए हैं: ₁ में आउट _{2 के} साथ, ₂ में आउट _{1 के} साथ। सबसे अधिक संभावना है, स्पिन सममितीय स्विच को एकल-आणविक संस्करण में लागू किया जा सकता है, जो अधिकतम कॉम्पैक्टनेस, गति और दक्षता का संयोजन करता है।

ट्रांजिस्टर और सममितीय स्विच दोनों का उपयोग किसी भी जटिलता के तर्क सर्किट बनाने के लिए किया जा सकता है, लेकिन सममित स्विच बहुत अधिक किफायती हैं। उदाहरण के लिए, एक सिग्नल और लॉजिकल ऑपरेशंस "नहीं", "और", "या", "और नहीं" और "चाहिए" को क्लोन करने के लिए, केवल एक सममित स्विच की आवश्यकता होती है, "या तो", "नहीं" और "नहीं" और "दो" स्विच करता है। ट्रांजिस्टर पर इन कार्यों को लागू करने के लिए, 4 से 6 ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती है:


एक तेज एकल-बिट योजक (आधा योजक) चार सममित स्विच (12 ट्रांजिस्टर के बजाय) का उपयोग करता है और आदर्श रूप से एक ट्रांजिस्टर एनालॉग की तुलना में काफी अधिक परिचालन गति प्रदान करता है: इसका ऑपरेटिंग समय केवल 2τ है, जहां one एक स्विच और एक ट्रैक का सिग्नल ट्रांजिट समय है। अधिक जटिल सर्किटों पर, सममित स्विच की कॉम्पैक्टनेस और गति का लाभ और भी स्पष्ट है। एक बहु-बिट योजक (पूर्ण योजक) के लिंक में दर्जनों ट्रांजिस्टर होते हैं, जबकि सममित स्विच पर कार्यान्वयन को 4 (सबसे कॉम्पैक्ट संस्करण) से 7 (सबसे तेज़ विकल्प) स्विच की आवश्यकता होती है:


सममितीय स्विचेस की एक अनूठी विशेषता यह है कि वे मल्टीप्लेक्सर्स और डेमल्टीप्लेकर्स की अधिकतम कॉम्पैक्टनेस और गति प्राप्त करने में मदद करते हैं, जो प्रोसेसर के बहुत सामान्य घटक हैं। दुर्भाग्य से, सममितीय स्विच केवल स्पिंट्रोनिक्स या फोटॉन लॉजिक का उपयोग करते समय आकर्षक हो जाते हैं। इलेक्ट्रॉनिक्स पारंपरिक ट्रांजिस्टर का उपयोग करने के लिए बर्बाद है।

* अनुच्छेद ब्रूस, थॉर्नटन एट अल के लेखों से सामग्री और छवियों का उपयोग करता है । , "कंजर्वेटिव रिवर्सिबल लॉजिक के आधार पर कुशल एडडर सर्किट" (मिसिसिपी स्टेट यूनिवर्सिटी, प्रोक। IEEE संगोष्ठी वीएलएसआई, 2002 पर); Rentergem, de Vos , "एक प्रतिवर्ती पूर्ण योजक का इष्टतम डिजाइन" (यूनिवर्सिटिटेंट जेंट, इंटरनेशनल जर्नल ऑफ अनकन्वेंशनल कम्प्यूटिंग, 2005), साथ ही साथ निजी पत्राचार। एकल-अणु ट्रांजिस्टर की छवि येल विश्वविद्यालय की वेबसाइट पर संबंधित प्रेस विज्ञप्ति से ली गई है।

§ 2.3। निष्कर्ष
इसलिए, सीमा में, भविष्य का केंद्रीय प्रोसेसर, सबसे अधिक संभावना है, एक विशाल वेब होगा, जहां थ्रेड्स ग्राफीन टेप से बने होते हैं जो इलेक्ट्रॉनों की एक ध्रुवीकृत धारा का संचालन करते हैं, और नोड्स में लघु सममित स्विच होते हैं। लंबी दूरी पर, सिग्नल को प्रकाश में ट्रांसकोड किया जाएगा, फोटॉनों द्वारा वितरित किया जाएगा और गंतव्य पर वापस ट्रांसकोड किया जाएगा। क्वांटम कन्वेयर और स्वचालित मशीनों द्वारा कई विशेष कार्य (विशेष रूप से, खोज और छंटाई) किए जाएंगे।

भाग 3. आज और भविष्य में केंद्रीय प्रोसेसर की वास्तुकला

सभी सामान्य केंद्रीय प्रोसेसर आज वॉन न्यूमैन आर्किटेक्चर की रजिस्टर मशीनें हैं:
- प्रोसेसर में एक निश्चित संख्या में (उदाहरण के लिए, 16) गिने हुए मेमोरी सेल (उदाहरण के लिए, 64 बिट्स) होते हैं, जिन्हें ऑपरेशनल रजिस्टर कहा जाता है;
- प्रोसेसर कार्यक्रम के अनुसार रजिस्टरों की सामग्री को संसाधित करना है;
- कार्यक्रम निर्देशों का एक क्रम है, उदाहरण के लिए:
- रजिस्टर नंबर 2 और नंबर 5 से मान लें और रजिस्टर नंबर 8 में अपनी राशि रिकॉर्ड करें;
- रजिस्टर नंबर 4 में पढ़ें बाहरी मेमोरी सेल से रजिस्टर नंबर 6 के पते के साथ मूल्य;
- रजिस्टर नंबर 12 से बाहरी एनएनएन डिवाइस पर एक नंबर भेजें;
- डेटा और प्रोग्राम स्वयं रैम में संग्रहीत होते हैं, जबकि कार्यक्रमों के निर्देश संख्याओं में एन्कोड किए जाते हैं और क्रमिक मेमोरी कोशिकाओं को लिखे जाते हैं;
- वर्तमान में जिस सेल से निर्देश को निष्पादित किया जा रहा है, उस नंबर को इंस्टॉलेशन पॉइंटर नामक एक विशेष रजिस्टर में संग्रहीत किया जाता है, जो निष्पादन के अंत में अगले मेमोरी सेल में जाता है।

इस वास्तुकला के आगमन के बाद से आधी सदी से अधिक के लिए, अनुक्रमिक निष्पादन के आयोजन के लिए दर्जनों वैकल्पिक आर्कमैटिक सिस्टम प्रस्तावित किए गए हैं, हालांकि, उनमें से सभी प्रदर्शन छत में नीच हैं। प्रदर्शन छत का निर्धारण संरचना के महत्वपूर्ण भाग के रैखिक आयामों द्वारा (प्रकाश की गति की बारीकियों के कारण) किया जाता है, और यह शास्त्रीय रजिस्टर वास्तुकला है जो वर्तमान में प्रस्तावित अनुक्रमिक निष्पादन आर्किटेक्चर से गणना की अधिकतम स्थानीयता प्रदान करता है। तदनुसार, यह वास्तव में यह वास्तुकला है जिसे संरक्षित किया जाएगा, सबसे अधिक संभावना है, भविष्य में - कम से कम कुछ और दशकों तक।

§ 3.1। कार्यात्मक तार्किक इकाइयाँ
पहले भाग में वर्णित स्विचेस और ट्रैक्स कार्यात्मक लॉजिक इकाइयों जैसे कि एक योजक, मल्टीप्लायर, मल्टीप्लेक्सर, और डीमुल्टिप्लेकर के उत्पादन के लिए "कच्चा माल" हैं। मल्टीप्लेक्स और डेम्टिप्लेक्सर्स रेलवे पर मार्शल्डिंग यार्ड के समान उपकरण हैं (दाईं ओर चित्रण देखें)। मल्टीप्लेक्स का इनपुट n नंबर ( एक ₁ .. a _n ) और कंट्रोल नंबर m प्राप्त करता है । आउटपुट संख्या एक _{मीटर है} , अर्थात, n इनपुट संख्याओं का _मीटर है। Demultiplexer मल्टीप्लेक्स का दर्पण एनालॉग है: यह आने वाले सिग्नल को n आउटपुट के mth में स्थानांतरित करता है।


योजक का कार्य इसके लिए आपूर्ति की गई संख्याओं को जोड़ना है। एक n- बिट योजक के इनपुट को दो नंबर a और b के n बिट्स मिलते हैं और एक सिंगल-बिट नंबर c (0 या 1)। योजक इनपुट नंबर जोड़ता है और परिणाम ( a + b + c ) उत्पन्न करता है। यह एक ( n + 1) -बिट संख्या है।


कार्यात्मक-तार्किक इकाइयां तुरंत तर्कों में बदलाव का जवाब नहीं देती हैं: संकेत को सर्किट की शुरुआत से अंत तक सभी तरह से जाने की जरूरत है, सर्किट में स्विच और संभावित चक्रों से गुजरने के कारण होने वाली देरी को ध्यान में रखते हुए। डिजाइन के दौरान प्रत्येक कार्यात्मक-तार्किक इकाई के लिए, ऑपरेटिंग समय की गणना की जाती है। एक न्यूनतम रनटाइम के साथ कार्यात्मक तर्क इकाइयों को डिजाइन करने का एक व्यापक सिद्धांत विकसित किया गया है। तो, सबसे सरल मल्टी-डिजिट योजक, कागज पर एक कॉलम में छवि और समानता के अलावा प्रदर्शन करना, काम करने के लिए समय की आवश्यकता होती है, थोड़ा गहराई के साथ रैखिक रूप से बढ़ रहा है। 60 के दशक में, त्वरित हस्तांतरण योजनाओं को विकसित किया गया था जो एक लघुगणक के लिए विकास को कम कर दिया। सममित स्विच पर उनका उपयोग करने वाले को ⌈3 + लॉग ₂ (बिट क्षमता) which · ⌈ के लिए परिणाम की गणना करने की गारंटी दी जाती है, जो कि सैद्धांतिक गति सीमा है। एक 64-बिट योजक के मामले में, एक भोले कार्यान्वयन की तुलना में 15 गुना त्वरण प्राप्त किया जाता है। और त्रिकोणमितीय कार्यों के गुणन, विभाजन और गणना का सरल अनुकूलन कभी-कभी किसी को सैकड़ों बार त्वरण प्राप्त करने की अनुमति देता है।

§ 3.2। ऑपरेशन ब्लॉक
एक संचालन इकाई एक उपकरण है जो एक प्रकार के निर्देशों को निष्पादित कर सकता है - उदाहरण के लिए, जोड़ और घटाव। ऑपरेटिंग यूनिट का मूल तत्व एक मेमोरी सेल (तथाकथित निर्देश रजिस्टर) है जिसमें निष्पादित होने वाले निर्देश को लिखा जाता है। निर्देश के निष्पादन पर, ब्लॉक इस सेल को साफ करता है। ऑपरेशन ब्लॉक के बाकी हिस्सों में कार्यात्मक-तार्किक इकाइयों का एक सेट होता है जो एक दूसरे के साथ और अनुदेश रजिस्टर के साथ जुड़े होते हैं। उदाहरण के लिए, फॉर्म के निर्देशों का पालन करने में सक्षम एक संचालन इकाई पर विचार करें "रजिस्टर नंबर 2 और नंबर 5 से मूल्यों को जोड़ें और नंबर 8 को पंजीकृत करने के लिए राशि लिखें"।
हमें आवश्यकता होगी:
- निर्देश रजिस्टर, जो समन के संचालन के कोड और ऑपरेंड रजिस्टरों की संख्या (उपरोक्त कमांड में 2, 5 और 8) को संग्रहीत करता है;
- योजक;
- दो मल्टीप्लेक्स एक हाथ पर रजिस्टरों के ब्लॉक से जुड़े और दूसरे पर योजक के इनपुट: वे रजिस्टरों से उन दो का चयन करते हैं जिनके नंबर रजिस्टर निर्देशों ( नंबर 2 और नंबर 5 ) में संग्रहीत किए जाते हैं और योजक के आदानों को सामग्री खिलाते हैं;
- एक डेम्टिप्लेक्सर, योजक आउटपुट को रजिस्टर इनपुट्स को खिलाना, जिसमें इसे संग्रहीत किया जाना चाहिए।

आधुनिक प्रोसेसर में, ऑपरेटिंग इकाइयां एक से अधिक कार्रवाई करने में सक्षम हैं। उदाहरण के लिए, एक ब्लॉक में योजक के अलावा, एक गुणक हो सकता है। तकनीकी कार्यान्वयन के लिए, यह एक डीमूलिप्लेक्सर और एक मल्टीप्लेक्सर द्वारा तैयार किए गए एक गुणक के समानांतर में डालने के लिए पर्याप्त है, जो अनुदेशक रजिस्टर में संग्रहीत ऑपरेशन कोड के आधार पर, योजक या गुणक के माध्यम से संकेत का संचालन करने के लिए चुनते हैं।

§ 3.2.1। ऑपरेटिंग चक्र का संगठन: सिंक्रोनाइज़ेशन, सुपरसेलैरिटी, पाइपलाइनिंग
, « → → »:
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– : 20 °C , 90 °C .

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, . , : , , — . - ( ILLIAC I 1951 GA144 2010 ). , , , .

एक दशक से अधिक समय से, प्रोसेसर प्रत्येक प्रकार की कई ऑपरेटिंग इकाइयों को स्थापित कर रहे हैं। ऐसे प्रोसेसर को सुपरसर्लर कहा जाता है। वे एक साथ स्वतंत्र क्रिया कर सकते हैं - उदाहरण के लिए, समानांतर में "c = a + b" और "d = a a" निर्देशों को निष्पादित करें। . «pipelining»: - , , , . , « », . , , . , ऑपरेंड्स - उदाहरण के लिए, यदि ऑपरेंड्स में से एक शून्य के बराबर है, तो गुणन शून्य देगा, दूसरे ऑपरेंड के तैयार होने की प्रतीक्षा किए बिना। ऑपरेंड

उपलब्धता को अलग से नियंत्रित करने का एकमात्र प्रभावी तरीका है . , ( ). . : , . , : , .

§ 3.3.
नियंत्रण इकाई मुख्य मेमोरी में दर्ज कार्यक्रम के अनुसार ऑपरेटिंग इकाइयों के बीच कार्यों के वितरण के लिए जिम्मेदार है। यह रैम से प्रोग्राम निर्देशों को लोड करता है, उन्हें डिकोड करता है और उन्हें डीकोडेड रूप में फ्री ऑपरेटिंग ब्लॉकों के इंस्ट्रक्शन रजिस्टरों में भेजता है। इसके अलावा, यह शाखा और शाखा निर्देशों को निष्पादित करता है, अर्थात, यह एक परिचालन रजिस्टर के मूल्य के आधार पर प्रोग्राम शाखाओं में से एक का चयन करता है। प्रोसेसर में कई नियंत्रण इकाइयां हो सकती हैं, जो आपको समानांतर में कई कार्यक्रमों को निष्पादित करने की अनुमति देती हैं।

केंद्रीय प्रोसेसर न केवल कार्यक्रमों को निष्पादित करते हैं, बल्कि हार्डवेयर अनुरोधों का भी जवाब देते हैं। हार्डवेयर अनुरोध - , . , . . -. , , . . , .

§ 3.3.1. : , ,
एक प्रोग्राम लगातार मेमोरी स्थानों में स्थित अनुदेश-एन्कोडेड संख्याओं का एक समूह है। यदि, एक कारण या किसी अन्य के लिए, लगातार कोशिकाओं में लगातार निर्देशों की व्यवस्था करना संभव नहीं है, तो आमतौर पर एक कूद निर्देश का उपयोग किया जाता है। इस तरह के एक निर्देश को पढ़ते हुए, नियंत्रण इकाई अनुदेश में निर्दिष्ट पते को निर्देश सूचक में लिखती है। पारंपरिक आर्किटेक्चर में, संक्रमण के दौरान शेष रजिस्टरों की स्थिति नहीं बदलती है।

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एक विशेष मामला तथाकथित टेल कॉल है, अर्थात्, स्थिति जब एक निश्चित दिनचर्या च "कॉल जी के रूप में निर्देश के एक जोड़े के साथ समाप्त होता है और इसके निष्पादन के परिणाम को उच्च स्तर पर लौटाता है"। इस मामले में, जब कॉलिंग जी, आपको वर्तमान रजिस्टरों और रिटर्न पॉइंट को बचाने या मास्क करने की आवश्यकता नहीं है - इसके बजाय, आप रूटीन जी को पास कर सकते हैं, जिसका परिणाम एफ को नहीं लौटाया जाना चाहिए। , . , , , . -« » ( ), , -« » . ( , -« », .)

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match (a <> b) { case 0: { print "a and b are equal" } case 1: { print "a is greater than b" } case -1: { print "b is greater than a" } } 

ब्रांचिंग का सबसे आम विशेष मामला है अगर-तब-तब बाइनरी ब्रांचिंग:

  if (condition) { do_this } else { do_that } 

≡

 match (condition) { case True: { do_this } case False: { do that } } 

पुनरावर्तन उदाहरण:

  def gcd(a, b) = { if (b = 0) return a else return gcd(b, a % b) //   } 

§ 3.4। निष्कर्ष
जाहिर है, केंद्रीय प्रोसेसर की वास्तुकला वॉन न्यूमैन रहेगी। प्रदर्शन में वृद्धि निर्देशों के बेहतर समानांतरकरण और अतुल्यकालिक सर्किटरी में संक्रमण द्वारा सुनिश्चित की जाएगी। सर्वोत्तम संभव समानता सुनिश्चित करने के लिए, निर्देशों के अधिक उन्नत सेटों पर स्विच करना आवश्यक होगा - विशेष रूप से, रजिस्टरों के एकमुश्त उपयोग के लिए उपयुक्त।

आधुनिक प्रोसेसर 1 से 16 नियंत्रण इकाइयों और 4 से 64 ऑपरेटिंग इकाइयों का उपयोग करते हैं। अतुल्यकालिक सर्किटरी के लिए संक्रमण में, कई दर्जन नियंत्रण इकाइयों और कई सौ ऑपरेटिंग इकाइयों का उपयोग करना उचित होगा। इस तरह के एक संक्रमण, एक साथ ब्लॉकों की संख्या में वृद्धि के साथ, परिमाण के एक आदेश से अधिक परिमाण के दो आदेशों और औसत उत्पादकता से शिखर प्रदर्शन में वृद्धि प्रदान करेगा।

भाग 4. चाहता था!

1962 में, डोनाल्ड नुथ ने प्रसिद्ध पुस्तक श्रृंखला द आर्ट ऑफ़ प्रोग्रामिंग शुरू करना शुरू किया, जो प्रभावी एल्गोरिदम का वर्णन करता है और उनकी गति का विश्लेषण करता है। निम्न-स्तरीय एल्गोरिदम का वर्णन करने और उनके निष्पादन के समय का सही मूल्यांकन करने की क्षमता को संरक्षित करने के लिए, उन्होंने उच्च-स्तरीय प्रोग्रामिंग भाषाओं का उपयोग नहीं करने का निर्णय लिया, लेकिन कोडांतरक में लिखने के लिए। हालांकि, वास्तविक प्रोसेसर के आर्किटेक्चर और असेंबलर विचित्र तकनीकी विशेषताओं से भरे हुए हैं जो सार से विचलित करते हैं - उन दिनों में वे आवश्यक इंजीनियरिंग समझौता और तकनीकी चाल के परिणाम थे, आज उनका मुख्य स्रोत पुराने मॉडलों के साथ पिछड़ी संगतता की आवश्यकता है। अनावश्यक और तेजी से उम्र बढ़ने के विवरण के साथ पाठक को अधिभार नहीं देने और प्रस्तुति की बहुमुखी प्रतिभा को संरक्षित करने के लिए, नॉट ने अपने स्वयं के कंप्यूटर वास्तुकला को विकसित करने का फैसला किया, विशेष रूप से प्रशिक्षण के लिए डिज़ाइन किया गया। इस वास्तुकला को MIX कहा जाता है।

अगले तीन दशकों में, कंप्यूटर प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में बड़े बदलाव हुए हैं, और MIX काफी हद तक पुराना है। "आर्ट ऑफ प्रोग्रामिंग" को एक प्रासंगिक स्रोत के रूप में जारी रखने के लिए, लेखक ने MMIX प्रोसेसर के प्रमुख औद्योगिक डेवलपर्स के साथ मिलकर एक नया काल्पनिक कंप्यूटर विकसित करने का फैसला किया , जो कि 1990 के दशक के उत्तरार्ध में कंप्यूटरों का एक आदर्श और बेहतर एनालॉग है। एमएमआईएक्स एक अच्छी तरह से सोचा जाने वाला आर्किटेक्चर है जो तत्काल हार्डवेयर कार्यान्वयन के लिए उपयुक्त है और आज सभी व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले प्रोसेसर आर्किटेक्चर की तुलना में अधिक विकसित है।

1990 के दशक के उत्तरार्ध के उपकरणों का उपयोग करके "हार्डवेयर में" प्रभावी रूप से लागू की जा सकने वाली मशीन बनाने की इच्छा ने भविष्य के लिए पर्याप्त रिजर्व को रोक दिया - दुर्भाग्य से, एमिंक अनुदेश सेट असिंक्रोनस सुपरसालकर प्रोसेसर की क्षमता को साकार करने के लिए व्यावहारिक रूप से अनुपयुक्त है। तथ्य यह है कि एमएमआईएक्स में कॉल का संगठन पारंपरिक संक्रमण के उपयोग पर आधारित है और रजिस्टरों के पुनर्लेखन की आवश्यकता है। होनहार प्रोग्रामिंग तकनीकों के व्यावहारिक अध्ययन के लिए, ऊपर वर्णित केंद्रीय प्रोसेसर के विकास में अपरिहार्य रुझानों के अनुसार निर्देशों के इस सेट को संशोधित करना आवश्यक है - सौभाग्य से, यह इतना मुश्किल काम नहीं है।