Курс «Архитектура компьютера»: Организация и основы

Коммуникация и организация

Общие вопросы (по материалам, организации) задавать в общем чате Telegram.
Личные вопросы (болезнь, перенос дедлайнов) — в личные сообщения преподавателю.
Глобальные организационные вопросы решаются централизованно (через старост или группу студентов).

Система оценивания

Баллы в семестре: набираются за домашние задания и тесты (≈80 баллов).
Экзамен: проводится во время сессии, даёт дополнительные ≈20 баллов. Можно повысить итоговую оценку.
Оценки: классическая система (тройка с 60%, четвёрка с 75%, пятёрка с 90%).
Посещение экзамена необязательно, если набранных баллов достаточно для желаемой оценки.

Материалы и литература

Лекции: проходят по субботам онлайн, записи выкладываются на YouTube (канал Clecturers) и ВК.
Презентации: доступны на slides.com, ссылки будут в чате.
Рекомендованная литература:
- «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера» (Харрис и Харрис)
- «Архитектура компьютера» (Таненбаум)
- Статья «What Every Programmer Should Know About Memory» (Дреппер) — лучше читать на английском.
Для углубления: дополнительные книги на английском (без перевода).
Литература опциональна: все задания можно выполнить по материалам лекций.

Цель курса

Курс — это набор полезных историй для программистов, а не строгая математическая дисциплина. Цель — дать понимание, как работает железо, чтобы писать более эффективный код.

Что будет полезно:

Понимание работы памяти (ОЗУ, кэш) для оптимизации кода.
Знание о виртуальной памяти и спекулятивном выполнении (branch prediction).
Умение читать ассемблерный код для профилирования и оптимизации.
Понимание управления памятью (стек, куча) в языках типа C++/Rust.
Навык абстрагирования на примере уровней организации компьютера.

Уровни абстракции компьютера

Организация компьютера разбивается на 9 независимых уровней:

Физика (квантовая механика, уравнения Максвелла).
Устройства (Devices) — полупроводниковые устройства (транзисторы, диоды).
Аналоговые схемы — схемы с непрерывными сигналами (например, усилитель).
Цифровые схемы — схемы с дискретными уровнями сигнала.
Логические элементы — базовые булевы вентили.
Логические схемы — комбинации вентилей (сумматоры, мультиплексоры).
Микроархитектура — реализация конкретной архитектуры на логических элементах.
Архитектура — абстрактное описание команд, типов данных (ISA: x86, ARM, RISC-V).
Операционная система — интерфейс для прикладного кода к железу.
Прикладной код — программы пользователя.

Архитектуры:

x86/x64 (AMD64): доминирует на десктопах и серверах. Проприетарная (Intel, AMD).
ARM: доминирует в мобильных и встраиваемых системах, появляется в ноутбуках (Apple M1). Проприетарная (Arm Holdings).
RISC-V: открытая архитектура, набирает популярность в IoT.

От аналогового к цифровому: дискретизация сигналов

Аналоговый (непрерывный) сигнал — меняется плавно.
Цифровой (дискретный) сигнал — принимает фиксированные значения (обычно 0 и 1).
Задача дискретизации: преобразовать непрерывный сигнал в цифровой, определив пороговые напряжения для логических 0 и 1.
Важно: делать уровни сигнала достаточно разными, чтобы помехи не искажали логическое значение.

Физическая основа: полупроводники

Проводники: хорошо проводят ток (металлы).
Диэлектрики: плохо проводят ток (дистиллированная вода).
Полупроводники: проводимость зависит от внешних условий (кремний).

Легирование кремния:

Примесь N-типа (например, фосфор): добавляет свободные электроны (отрицательные носители заряда).
Примесь P-типа (например, бор): создаёт дырки (отсутствие электрона, положительные носители заряда).

PN-переход и диод

PN-переход — область контакта полупроводников P и N типов.
Диод — устройство на основе PN-перехода.
Принцип работы:
- Прямое включение (P к «+», N к «-»): переход сужается, диод пропускает ток (для кремния с ≈0.7 В).
- Обратное включение (P к «-», N к «+»): переход расширяется, диод не пропускает ток (до напряжения пробоя).

Полевые транзисторы (MOSFET)

Транзистор имеет три контакта: Gate (затвор), Source (исток), Drain (сток).

Типы и принцип работы:

NMOS (N-тип):
- Подложка (P-тип) заземлена.
- Gate = 1: между Source и Drain открывается N-канал, транзистор пропускает сигнал.
- Gate = 0: канал закрыт, сигнал не проходит.
PMOS (P-тип):
- Подложка (N-тип) подключена к питанию.
- Gate = 0: открывается P-канал, транзистор пропускает сигнал.
- Gate = 1: канал закрыт, сигнал не проходит.

Важное правило:

Через NMOS передают только логический 0 (замыкают на землю).
Через PMOS передают только логическую 1 (замыкают на питание).
Нарушение правила ведёт к падению напряжения и неопределённому поведению схемы.

Построение логических вентилей на транзисторах

Общий принцип: Pull-up сеть на PMOS (замыкает выход на питание) и Pull-down сеть на NMOS (замыкает выход на землю).

Реализованные вентили:

Инвертор (NOT): один PMOS (сверху) и один NMOS (снизу).
NAND (И-НЕ): два PMOS параллельно (pull-up), два NMOS последовательно (pull-down).
NOR (ИЛИ-НЕ): два PMOS последовательно (pull-up), два NMOS параллельно (pull-down).
AND (И) и OR (ИЛИ) правильно реализуются как NAND/NOR + инвертор.

Производство полупроводников и техпроцесс

Основы фотолитографии

Фотолитография — метод создания топологии транзисторов на кремниевой подложке с помощью светочувствительных масок.

Подготовка: Монокристаллический кремний выращивают в цилиндрах и нарезают на тонкие пластины («блинчики»).
Нанесение маски: Пластину покрывают оксидной плёнкой, которая не пропускает примеси, но «смывается» в местах, куда попадает свет.
Экспонирование: Свет проецируется через маску на пластину, формируя «окна» в оксидном слое.
Легирование: Через эти окна в кремний вносятся примеси, формируя структуры транзисторов.

Физика миниатюризации: Critical Dimension

Ключевой параметр — Critical Dimension (или feature size) — минимальный размер объекта, который можно спроецировать на подложку.

Формула: Feature Size ∝ Длина волны света / Numerical Aperture (характеристика линзы).
Чтобы уменьшать размеры, нужно:
- Уменьшать длину волны используемого света.
- Увеличивать Numerical Aperture линз.

Эволюция техпроцесса

Техпроцесс — условная характеристика, отражающая плотность и размер элементов на кристалле.

Раньше: Число (например, 20 нм) примерно соответствовало размеру транзистора.
Сейчас: Это маркетинговый показатель плотности (сколько транзисторов можно разместить на условной площади).

История преодоления ограничений:

Видимый свет и УФ: Начали с синих ртутных ламп, затем перешли к ультрафиолету (193 нм), что позволило достичь техпроцессов ~20 нм.
Технологические ухищрения: Когда уменьшение длины волны застопорилось, использовали:
- Комбинацию нескольких масок.
- Иммерсионную литографию (свет проходит через жидкость для изменения эффективной длины волны).
- Это позволило дойти до ~12 нм.
Прорыв — EUV (Экстремальный ультрафиолет): Длина волны 13.5 нм. Свет генерируется, когда лазер попадает на капли раскалённого олова, создавая плазму. Это открыло путь к техпроцессам 5 нм, 3 нм и ниже.

Мировая монополия на передовые технологии

Цепочка поставок для производства по передовым техпроцессам (EUV) крайне узкая:

Единственный производитель EUV-станков: Нидерландская компания ASML (произведено всего около десятка таких машин).
Ключевой поставщик оптики (зеркал) для ASML: Немецкая компания Zeiss.
Ключевые производители чипов (фаундрии), использующие EUV:
- TSMC (Тайвань) — доминирует на рынке.
- Samsung (Корея).
Заказчики фаундрий: Практически все крупные компании (Apple, Intel, AMD, Nvidia, Qualcomm и др.).

Итог: Для производства самых современных чипов (например, для видеокарт Nvidia под ИИ) существует сверхконцентрированная глобальная цепочка: Zeiss → ASML → TSMC → Nvidia.

Важные нюансы и выводы

Не всегда нужен самый мелкий техпроцесс:
- Для космической электроники мелкие техпроцессы вредны — чипы становятся более уязвимы к космической радиации, требуется сложное экранирование.
- Производство чипов по менее продвинутым техпроцессам развито по всему миру (есть и в России).
Новые игроки: Появились сообщения, что китайские компании смогли создать собственные аналоги EUV-станков, что может изменить баланс на рынке.
Закон Мура и тренды:
- Закон Мура — эмпирическое наблюдение об удвоении числа транзисторов каждые 2 года, пока что работает.
- Уменьшение техпроцесса важно не только для производительности, но и для энергоэффективности (носимая электроника).
Смена парадигмы в процессорах: В середине 2000-х упёрлись в физический предел роста частоты (перегрев). Это привело к переходу на многоядерную архитектуру (горизонтальное масштабирование вместо вертикального).

Выводы

Курс даст практическое понимание работы компьютера «под капотом».
Ключевые навыки: оптимизация кода с учётом памяти, чтение ассемблера, понимание абстракций.
Основные элементы цифровой логики строятся на физических принципах работы полупроводников.
Современное производство чипов — это сложнейшая технология, упирающаяся в физические ограничения и сосредоточенная в руках нескольких ключевых игроков.